混晶及晶粒粗大工艺攻关

摘 要：晶粒度是表示金属材料晶粒度大小的程度。一般情况下，晶粒细化可以提高金属材料的屈服点、疲劳强度、塑性和冲击韧度，降低脆性转变温度。

关键词：晶粒大小；工艺攻关；变形程度

中图分类号：TG379 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）17-0059-02

1 影响晶粒大小的主要因素

①加热温度。加热温度越高，保温时间越长，晶粒长大的倾向越大。

②机械阻碍物。一般来说，金属的晶粒随着温度的升高不断长大，几乎成正比关系。但是，也不完全如此，有时候加热到较高温度时，晶粒仍很细小，可以说没有长大，而当温度再升高一些时，晶粒突然长大。并且有些材料，随加热温度升高，晶粒分阶段突然长大。一般称前一种长大方式为正常长大，后一种为异常长大。金属异常长大的原因是金属材料中存在机械阻碍物，对晶界有钉札作用，阻止晶界的迁移。

③变形程度和变形速度。变形程度对晶粒大小的影响的规律总的来说，随着变形程度从小到大，晶粒尺寸由大变小，但是晶粒大小有两个峰值，即出现两个大晶粒区，第一个大晶粒区叫做临界变形区。不同材料和不同变形温度时，临界变形程度的大小不一样，临界变形区是一个小变形量范围。在某些情况下，当变形量足够大时，可能出现第二个大晶粒区。

④固溶处理前的组织情况。固溶处理后的晶粒大小除了受固溶温度和机械阻碍物的影响外，受固溶加热前的组织情况影响很大。如果锻后是未再结晶组织，而且处于临界变形程度时，固溶处理后将形成粗大晶粒；如果锻后是完全再结晶组织，固溶处理后一般可以获得细小而均匀的晶粒；如果锻后是不完全再结晶组织，即半热变形混合组织，固溶加热时，由于各处形核的时间先后、数量多少和长大条件等不一样，固溶处理后晶粒大小将是不均匀的。

⑤原始晶粒度。按传统观念，钢在加热至正火温度时即发生相变和重结晶，使粗大晶粒得到细化。但是有些钢种（主要是马氏体钢和贝氏体钢）过热后形成的粗晶，经正火后仍为粗大晶粒。这种部分或全部由原粗大奥氏体晶粒复原的现象称为晶粒遗传。

2 主要开发研究内容及目标

晶粒度对产品的屈服点、疲劳强度、塑性、冲击韧度及脆性转变温度影响很大，混晶及晶粒粗大一直是困扰锻件生产的主要问题之一。

①主要攻关内容。在实验室对试棒进行试验，得出消除混晶及晶粒粗大的工艺方案；将实验结果应用到产品并进行工艺优化，最终制订出切实可行的消除混晶及晶粒粗大的控制方案。

②目标。找出锻件混晶及晶粒粗大的根源，使其出现的概率大大降低。

3 完成情况

根据产品状况，本次研究以45和17 CrNiMo6结构钢为主要研究对象，45钢代表合金化程度不高的结构钢，17 CrNiMo6代表合金化程度相对较高的钢，来寻找如何解决产品产生混晶及晶粒粗大的问题。终锻温度过高、变性不均匀及变形量选择不当等都可能造成45钢及17 CrNiMo6钢产生混晶及晶粒粗大的问题。

为了寻找到解决45钢和17 CrNiMo6混晶及晶粒粗大的问题，特别制作了材质为45和17 CrNiMo6规格为Φ300×800的轴各一根，在进行热处理前各取一个试样进行成分和组织检测，成分检验结果见表1，组织检验结果见表2。做完检测的45和17 CrNiMo6轴一分为二，分别做正火（45钢正火工艺见图1；17 CrNiMo6正火工艺见图2）和退火（45钢退火工艺见图3；17 CrNiMo6退火工艺见图4）处理，正火、退火后检测结果见表2。分析实验结果，不难发现，45钢正火和退火均可以消除混晶及晶粒粗大问题，但对比退火来说，45钢正火后组织更佳；而17 CrNiMo6正火后仍存在混晶及晶粒偏大问题，退火后消除了混晶及晶粒粗大问题，并且17 CrNiMo6退后后组织为铁素体+珠光体，而正火后组织为粒状贝氏体+少量铁素体。45钢采用正火，而17 CrNiMo6采用退火进行消除混晶及晶粒粗大问题，可以由钢的加热及冷却理论予以解释：

①对于发生相变重结晶的正火和退火，在加热到AC3以上稍高温度，由于奥氏体重新形核，保温适当的时间后，空冷或者炉冷，都会对锻后混晶及晶粒粗大组织有一定的改善。

②对比45钢正火与退火后的组织，虽然混晶与晶粒粗大都能得到消除，但正火相对于退火来说，晶粒更细，这是由于退火是在炉内缓慢冷却，在较高的温度缓慢冷却的过程中，晶粒仍有长大的趋势，这种长大趋势随着锻件截面的增大而增加，因为截面越大的锻件在炉内降温越慢，所以对于较大尺寸的45钢锻件不宜采用退火来消除混晶及晶粒粗大，易采用较快的加热速度与较快的冷却速度的正火来消除。

③17 CrNiMo6正火后晶粒粗大虽有所改善，但混晶问题依然存在，分析其正火前后的组织不难发现，17 CrNiMo6正火后混晶及晶粒偏大是由于晶粒遗传所致。晶粒遗传多发生在马氏体及贝氏体钢中，对于组织中存在马氏体或贝氏体组织的，也会产生组织遗传现象。要想避免组织遗传所导致的混晶及晶粒粗大问题，就必须打破热处理过程中的组织遗传现象，相对于正火来说，17 CrNiMo6退火后更容易得到铁素体+珠光体的平衡组织，这样就打破了由于贝氏体组织存在所造成的组织遗传，这样就能从根本上解决17 CrNiMo6混晶及晶粒粗大的问题。

综上所述，解决混晶及晶粒粗大问题时，不能一概而论，应该根据材料的化学成分及其组织而有所取舍，对于合金含量相对较少的45钢，解决混晶及晶粒粗大优先选择正火，这样既能达到目的，也能节约能源，缩短生产周期；对于合金含量相对较高的17 CrNiMo6，由于其锻后冷却过程中易产生不平衡的贝氏体组织，导致组织遗传，所以采用退火消除组织遗传，才能达到消除混晶及晶粒粗大的问题。

参考文献：

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