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大型鍛件晶粒細(xì)化熱處理研究
作者：admin
發(fā)布時間：24-05-07
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大型鍛件是冶金、核電、火電等高端裝備的核心構(gòu)件，其制造水平是國家熱加工極端制造能力的體現(xiàn)，也是國家重大裝備建設(shè)的重要保障。由于其尺寸巨大，鑄錠澆注時存在多域流動和復(fù)雜的質(zhì)能傳遞，凝固時間長，冷速差異大，導(dǎo)致晶粒和成分不均，夾雜等缺陷嚴(yán)重; 鍛造時需要反復(fù)、長時加熱和多次變形，溫度和變形量的均勻化難度大，缺陷和組織演變復(fù)雜; 熱處理面臨大尺寸特有的表面心部加熱冷卻不同步、熱處理應(yīng)力巨大、組織調(diào)控復(fù)雜等難題。因此，大型鍛件的熱加工制造過程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，雖然我國已具備世界一流的鍛件熱加工裝備，但由于基礎(chǔ)研究落后，有些關(guān)鍵鍛件尚不能自主制造，與世界先進(jìn)水平尚有一定差距。
大型鍛件的熱處理按照其作用可分為預(yù)備熱處理和性能熱處理; 預(yù)備熱處理，也稱為鍛后熱處理，通常是為了細(xì)化和均勻化鍛造造成的粗晶和混晶，消除鍛造后的殘余應(yīng)力，提高其內(nèi)部成分與組織的均勻性，為下一步的性能熱處理提供良好的組織狀態(tài)。最終熱處理也稱為性能熱處理，使構(gòu)件最終獲得優(yōu)異的力學(xué)性能。大型鍛件材料，尤其是中高淬透性鋼，如Ni-Cr-Mo-V、Ni-Cr-Mo、Ni-Mo-V 系等，珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)顯著右移，其典型組織往往為貝氏體或貝氏體+ 馬氏體等非平衡組織，容易造成組織遺傳導(dǎo)致的晶粒粗大。
本文主要介紹造成鍛后晶粒細(xì)化非常困難的組織遺傳現(xiàn)象與起源，消除組織遺傳的常見工藝途徑，以及兩種典型大型鍛件的鍛后晶粒細(xì)化工藝。
1.大型鍛件中的組織遺傳
中高淬透性的大型鍛件用鋼通常具有強(qiáng)烈的組織遺傳傾向，即粗大的原奧氏體晶粒經(jīng)冷卻后再次奧氏體化，新奧氏體會繼承原先的晶粒尺寸與位向，這就導(dǎo)致了大型鍛件中粗大與不均勻晶粒難以細(xì)化和均勻化。一般認(rèn)為，組織遺傳是中高淬透性鋼的非平衡組織在緩慢加熱時所特有的現(xiàn)象。與平衡組織不同，非平衡組織奧氏體化時，在Ac1溫度附近易形成針狀( 薄片狀) 奧氏體，其和母相保持K-S 位向關(guān)系，在長大過程中發(fā)生合并，從而導(dǎo)致晶粒粗大。
組織遺傳過程如圖1 所示，其發(fā)生的條件有: ①加熱前為非平衡組織，如馬氏體或貝氏體，具有保留原始奧氏體晶粒取向的能力; ②加熱至奧氏體形成溫度時，鐵素體不發(fā)生再結(jié)晶，保持原始晶粒位向; ③片狀奧氏體得到充分生長，經(jīng)過一次相變循環(huán)之后，原奧氏體晶粒的位向、尺寸保持不變。
2.大型鍛件晶粒細(xì)化常用手段
對于大型鍛件而言，組織遺傳是導(dǎo)致晶粒粗大的主要原因。針對切斷和抑制組織遺傳效應(yīng)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，總結(jié)出以下幾種常見工藝方法( 圖2) ，主要包括臨界區(qū)快速加熱、高溫正火、高溫回火、過冷奧氏體平衡轉(zhuǎn)變等。
2.1 臨界區(qū)快速加熱( 獲得球狀奧氏體)
鋼的非平衡組織重新加熱進(jìn)行奧氏體化時，新相形核既可以是針片狀，也可以是球狀。若轉(zhuǎn)變產(chǎn)物以前者為主，則原有的粗大奧氏體晶粒將得到恢復(fù)，造成組織遺傳; 若轉(zhuǎn)變產(chǎn)物以后者為主，那么晶粒將得到細(xì)化，消除組織遺傳，影響兩種產(chǎn)物形成的主要因素就是加熱速度。表1中列出了加熱速度對3% CrMoV 鋼晶粒度的影響。加熱速度越慢，則在較低奧氏體化溫度停留時間越長，片狀奧氏體發(fā)展得越充分，組織遺傳越嚴(yán)重。加熱速度越快，則球狀奧氏體迅速占主導(dǎo)地位，片狀奧氏體的影響急劇減弱。所以在這種情況下的晶粒細(xì)化關(guān)鍵就在于抑制片狀奧氏體的形核長大，得到球狀奧氏體，從而消除組織遺傳。
但是在大型鍛件的實際生產(chǎn)中，要達(dá)到消除組織遺傳的臨界加熱速度并非易事。有學(xué)者 針對26Cr2Ni4MoV 鋼( 其片狀奧氏體孕育期為140 s) 的組織遺傳開展了系統(tǒng)的研究，采用孕育期疊加原理進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)臨界加熱速度必須超過370℃ /h 才能有效防止組織遺傳。而現(xiàn)有的加熱設(shè)備條件只能保證直徑400mm 的截面達(dá)到這一加熱速度，對于很多直徑達(dá)2000～3000mm的大型鍛件，提高加熱速度難以實現(xiàn)消除組織遺傳的效果。
2.2 高溫正火( 奧氏體再結(jié)晶)
鋼的奧氏體再結(jié)晶是由于α→γ 相變體積膨脹造成較大的內(nèi)應(yīng)力，與加熱過程中的熱應(yīng)力共同作用，使鋼“內(nèi)硬化”，為回復(fù)及再結(jié)晶提供了驅(qū)動力。再結(jié)晶后的晶粒具有新的位向，與原始粗大晶粒沒有固定的位向關(guān)系，生長過程不會發(fā)生合并，可以有效切斷組織遺傳。
有學(xué)者對轉(zhuǎn)子鋼的奧氏體再結(jié)晶與晶粒遺傳的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)具有以下規(guī)律: ①奧氏體再結(jié)晶必須達(dá)到Ac3以上某一臨界溫度才能發(fā)生;②奧氏體再結(jié)晶需要一定的孕育期，溫度越高孕育期越短; ③奧氏體再結(jié)晶在一個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，再結(jié)晶終了時間隨溫度升高而縮短。
奧氏體再結(jié)晶屬于熱激活過程，受溫度影響極大。當(dāng)再結(jié)晶溫度較低時，孕育期長，參與結(jié)晶的奧氏體數(shù)量較少，形核率也較低，再結(jié)晶后晶粒粗大; 當(dāng)再結(jié)晶溫度較高時，孕育期短，晶粒長大速度快，再結(jié)晶晶粒也會粗大。因此，采用奧氏體再結(jié)晶的方法來細(xì)化晶粒的難點在于確定合適的再結(jié)晶溫度和等溫時間。
2.3 高溫回火( 消除殘留奧氏體)
組織遺傳性強(qiáng)烈的高淬透性鋼在奧氏體化過程中，片狀奧氏體沿板條界殘留奧氏體形成，從而保留了位向關(guān)系，它繼承了原奧氏體的位向，與之保持共格關(guān)系的α 相因此成為片狀奧氏體迅速生長的廣闊空間，使得片狀奧氏體在剛剛超過Ac1溫度后迅速生成長大，并在彼此相遇時合并成與原奧氏體晶粒尺寸、形狀和位向完全相同的粗大奧氏體晶粒，即發(fā)生了組織遺傳。所以，消除殘奧這一非均勻奧氏體形核的基底也是抑制晶粒遺傳的可行手段。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，26Cr2Ni4MoV 鋼在600 ℃左右回火10 h，分解殘留奧氏體，從而細(xì)化晶粒的效果最好，可達(dá)6～7 級。
2.4 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變( 獲得平衡組織)
組織遺傳是非平衡組織特有的現(xiàn)象，如果大型鍛件在鍛造以后經(jīng)歷一個平衡分解的過程，例如得到珠光體組織，當(dāng)再次加熱時，珠光體內(nèi)只形成球狀奧氏體，不保留原有位向，從而得到細(xì)化的晶粒，在根本上切斷了組織遺傳。對于某些大型鍛件用鋼，其含有較高的Ni、Cr、Mo、V 等合金元素，珠光體轉(zhuǎn)變曲線顯著右移，即使采用隨爐冷卻工藝，仍很難獲得珠光體組織。
2.5 合金成分優(yōu)化
從材料設(shè)計的角度出發(fā)，在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整合金元素含量，亦是減輕或者消除組織遺傳的有效途徑。例如，從低壓轉(zhuǎn)子用鋼30Cr2Ni4MoV 的質(zhì)量統(tǒng)計中可以看出，其在淬透性、強(qiáng)度、韌性有裕度的情況下，冶煉時對Cr、Ni 采取中限控制，C、V 采取下限控制，能有效地降低組織遺傳的敏感性，從而簡化鍛后熱處理工藝。
3.典型大型鍛件的晶粒細(xì)化與均勻化熱處理工藝
3.1 超大直徑30Cr2Ni4MoV 鋼低壓轉(zhuǎn)子鍛件
1000MW 級核電常規(guī)島汽輪機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子鍛件是世界上所需鋼錠最大、鍛件毛坯最重、截面尺寸最大、技術(shù)要求最高的實心鍛件，熱處理毛坯重量超過300 t，最大截面直徑約2900 mm，長度超過11000 mm，是代表熱加工綜合技術(shù)最高水平的產(chǎn)品之一。由于其在前道熱加工工序中已形成穩(wěn)定的粗大晶粒，且30Cr2Ni4MoV 鋼具有較強(qiáng)的組織遺傳性，因此，在鍛后熱處理中切斷組織遺傳并細(xì)化晶粒是亟待解決的關(guān)鍵問題。
3.1.1 多次正火工藝
多次正火是大型鍛件通常采用的鍛后熱處理工藝，經(jīng)生產(chǎn)實踐證明可以有效地控制晶粒尺寸在要求范圍之內(nèi)。鍛后熱處理的正火次數(shù)與鍛件尺寸大小及晶粒粗化程度有關(guān)，一般采用2 次及以上，其中第一次正火溫度稍高，第二次及以后的溫度稍低。
針對上述低壓轉(zhuǎn)子鍛件制定了900 ℃+870 ℃ +870 ℃+ 870 ℃的4 次正火工藝，工藝如圖3 所示。
圖3工藝中各階段的晶粒度結(jié)果如表2所示，與原始粗晶粒相比，其晶粒都有不同程度的細(xì)化，細(xì)化效果隨正火次數(shù)的增加而提高，但是超過三次正火后晶粒度基本保持不變。
3.1.2 部分珠光體轉(zhuǎn)變+一次正火工藝
對26NiCrMoV鋼的研究表明，兩次珠光體轉(zhuǎn)變過程可以達(dá)到與4 次正火相近的晶粒細(xì)化效果，原因在于珠光體轉(zhuǎn)變使原奧氏體位向發(fā)生無規(guī)則地重排，阻礙了組織遺傳的形成，更有利于晶粒細(xì)化。但是易發(fā)生組織遺傳的鋼種，其珠光體等溫轉(zhuǎn)變過程往往需要很長時間。所以，對于超大直徑的30Cr2Ni4MoV 低壓轉(zhuǎn)子鍛件而言，可考慮部分珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)合一次正火的鍛后熱處理工藝，以期節(jié)約處理時間，提高效率。
圖4 為600 ℃不同等溫時間的珠光體轉(zhuǎn)變+ 一次正火的熱處理工藝示意圖。等溫120、240、360 和480 h 獲得的珠光體轉(zhuǎn)變量與最終細(xì)化的晶粒尺寸如表3 所示。
600 ℃等溫處理并不能獲得完全的珠光體組織，但是轉(zhuǎn)變后的珠光體組織呈現(xiàn)網(wǎng)狀分布，如圖5( a)所示; 再次加熱時，在粗大奧氏體晶界通常形成球狀奧氏體晶核，從而有效減小了組織遺傳的作用范圍。
從表3 和圖5 可以看出，等溫時間越長得到的晶粒越細(xì)，但其細(xì)化效果隨著等溫時間的延長，提升幅度并不顯著。等溫120h 獲得珠光體量雖然僅有約15%，但經(jīng)過一次正火后晶粒度從原始的1級顯著降低至5.9 級，然而，等溫時間延長至360h，晶粒度僅小幅提升至6.2 級。
3.2 X12CrMoWVNbN10-1-1 超超臨界高中壓轉(zhuǎn)子鍛件
超超臨界汽輪機(jī)組的蒸汽溫度達(dá)到600 ℃、蒸汽壓力達(dá)到25～30 MPa，其高中壓轉(zhuǎn)子使用X12CrMoWVNbN10-1-1 鐵素體耐熱鋼與低壓轉(zhuǎn)子30Cr2Ni4MoV 鋼一樣，組織遺傳嚴(yán)重，同樣面臨著如何解決粗晶及混晶的難題。
百萬千瓦超超臨界轉(zhuǎn)子鍛件尺寸大，在加熱冷卻過程中極易開裂，需要緩慢的加熱與冷卻，所以多次正火工藝時間過于漫長，效率低下，而且晶粒細(xì)化與均勻化效果并不理想。雖然該鋼的珠光體轉(zhuǎn)變也極為困難，但為了避免開裂，鍛后等溫珠光體轉(zhuǎn)變工藝仍為最佳的切斷組織遺傳的方法。
圖6為Φ1400 mm 超超臨界高中壓轉(zhuǎn)子鍛件鍛后晶粒細(xì)化工藝。由于鍛造溫度高，該鍛件鍛后晶粒粗大，混晶嚴(yán)重。根據(jù)X12CrMoWVNbN10-1-1鋼TTT 曲線的珠光體轉(zhuǎn)變鼻尖溫度和轉(zhuǎn)變時間，選擇700℃ 等溫250h 以確?；就瓿芍楣怏w轉(zhuǎn)變切斷組織遺傳。由于鍛后熱處理后獲得珠光體組織，在后續(xù)性能熱處理的奧氏體化過程中，已無組織遺傳問題，易于獲得滿足性能要求的均勻奧氏體晶粒。
4.結(jié) 論
本文介紹了大型鍛件中的組織遺傳現(xiàn)象，總結(jié)了切斷組織遺傳達(dá)到晶粒細(xì)化的若干熱處理工藝，包括臨界區(qū)快速加熱、高溫正火、高溫回火等; 重點介紹了典型的汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子鍛件和超超臨界高中壓轉(zhuǎn)子鍛件的鍛后熱處理晶粒細(xì)化工藝。
大型鍛件鍛后熱處理工藝目前尚未形成成熟完整的理論和工藝規(guī)范，一方面，不同成分材料中的相變特征迥異，影響晶粒的演變; 另一方面，大型鍛件的尺寸也影響著不同部位相變的進(jìn)程。因此在后續(xù)的研究中，一是要在基礎(chǔ)理論方面深入研究和闡明內(nèi)在的與相變密切相關(guān)的奧氏體晶粒演化機(jī)理，二是要針對大型鍛件進(jìn)行實際熱處理設(shè)備和實際工藝過程的物理和數(shù)值模擬以制訂優(yōu)化的鍛后熱處理工藝，確保工藝執(zhí)行的晶粒細(xì)化效果。
來源：鍛造技術(shù)圈
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