高溫擴散對2.25Cr-1Mo-0.25V鋼組織分布的影響規律

蘇金虎 梁曉宇 劉建生 安紅萍

(太原科技大學 材料科學與工程學院，山西030024)

自20世紀70年代高溫擴散成為大型鍛件生產中的重要環節，即在高溫狀態下長時間地加熱鋼錠，減輕或消除鋼錠中的粗晶組織，以提高大鍛件產品的性能[1]。材料2.25Cr-1Mo-0.25V屬高純凈鎮靜鋼，冶煉工藝采用了電爐+鋼包爐+真空澆注[2]，雜質含量少，故鋼錠成型后晶粒特別粗大，這就需要后期工藝中對其進行晶粒細化。為此，我們進行了高溫擴散對2.25Cr-1Mo-0.25V鋼組織性能影響的分析研究，為制訂工藝提供依據。

1 原始組織的觀察

1.1 實驗材料及取樣方法

該材料用于大型機床設備的生產制造，其主要化學成分見表1。

鋼錠解剖后取8塊試樣，規格為200 mm×200 mm×350 mm，在鋼錠中部沿徑向自中心向外依次切A、B、C、D號試樣，同樣在鋼錠底部從內向外依次切E、F、G、H號試樣。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的化學成分 (質量分數，%)Table 1 Chemical composition of 2.25Cr-1Mo-0.25V steel(mass faction, %)

圖1 取樣方法Figure 1 Sampling method

圖2 取樣方法Figure 2 Sampling method

由于鋼錠底部有沉積區，硅酸鹽夾雜較多，反偏析較嚴重，不利于后期觀察分析，故先在A、B、C、D號上取樣。沿著軸面在A、B、C、D號試樣上切高60 mm 、厚20 mm，長貫通A、B、C、D號試樣，見圖1。

將切下來的試樣再切成小份，從鋼錠中心到鋼錠邊緣編號依次為：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14，見圖2。

1.2 觀測結果

將試樣依次研磨、拋光、腐蝕。先后試用了10多種腐蝕劑，效果均不理想，只有在極個別處暫時出現樹枝狀晶粒，見圖3。其余試樣以1、9、14號為代表，腐蝕效果見圖4。

圖3 樹枝晶Figure 3 Branches crystal

用金相分析軟件MIAPS-M可測得所有試樣的晶粒大小，其規律見圖5。

1.3 原因分析

觀察上述試樣照片及晶粒大小規律可發現：

(1)鋼錠空洞疏松很嚴重，特別在心部最大空洞連續長度可達104 mm，在別處觀測到帶狀分布針孔偏析。

(2)在鋼錠心部裂紋較嚴重，已形成約20 mm×200 mm的斷面，這在工藝中是很嚴重的問題。盡管這類裂紋可在后期工序中鍛合，但若已形成斷面且有氧化物存在則很難完全鍛合。

圖4 試樣原始組織Figure 4 The original organization of sample

(3)鋼錠沿徑向從里向外依次是：含有部分粗大的柱狀晶的等軸晶區—柱狀晶區—細晶區。其中細晶區晶粒的形狀也是沿徑向的柱狀。這一方面是由于鑄模壁的冷卻作用，另一方面是由于起形核作用的雜質數量較少。從圖5中可見最大的柱晶長達38.44 mm，這也從另一個角度說明了鋼錠的純凈程度。

(4)觀察到一種特殊現象：一個晶粒完全被另外一個晶粒包圍著，這種現象與靜態再結晶中發生在晶粒內部的再結晶相似，尚無解釋，有待以后進一步研究。

2 高溫擴散實驗

2.1 實驗方法

將試樣在高溫電阻爐內分別加熱到1 000℃、1 100℃、1 200℃、1 250℃，每個溫度下設4個不同的保溫時間0.5 h、1 h、3 h、20 h ，從爐中取出后后立刻水淬。其中溫度的取值聯系實際工藝，沒有列出過低的無意義的溫度。根據文獻[3]的研究，保溫20 h時低倍組織已很均勻，故保溫時間選擇20 h以內。

腐蝕劑選用100 ml過飽和的苦味酸水溶液體+2 ml的洗潔精，恒溫40℃下腐蝕1 min左右。

2.2 試驗結果與分析

將上述腐蝕后的試樣用掃描儀掃描得到下面照片(即沒有放大倍數)，見圖6。

經分析，進一步確定鋼錠的原始組織為粒狀貝氏體，由圖6的(a)、(b)、(c)、(d)與試樣的原始組織(圖4)對比，可看出隨著保溫時間的延長組織間亮度差逐漸減少，組織越來越均勻，這符合一般的擴散機理。

將腐蝕后的試樣在電子顯微鏡下放大100倍觀察并拍照，見圖7。

用金相分析軟件MIAPS-M可測得所有試樣的晶粒大小，其規律見圖8所示。

圖6 腐蝕后的試樣組織狀態Figure 6 Organization of sample after corrosion

圖7 不同條件下的金相照片Figure 7 The pictures in different conditions

圖8 晶粒大小規律Figure 8 The rule of grain size

2.3 原因分析

分析圖7及晶粒度規律圖8可發現：

(1)由于材料經淬火后可盡可能的保留高溫下的組織形態，故腐蝕后觀察到的組織狀況可認為是由加熱與保溫造成的結果。隨著加熱溫度的升高、保溫時間的延長，晶粒逐漸長大。這可解釋為：本材料是可以發生固態相變的材料，在高溫下發生再結晶，隨著保溫時間的延長，發生新晶粒產生及長大過程，保溫時間越長晶粒越大。晶粒在0.5 h時比在1 h大，可認為是原始大晶粒的破碎和新晶粒尚未充分長大兩個原因共同造成的。

(2)晶粒大小差異不大，原因是試樣較小，可以被熱透，新生的晶粒有足夠的能量進行長大。試樣有少量殘余的奧氏體，部分存在混晶。

3 結論

(1)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼作為高純凈鋼，材料中夾雜很少，但晶粒粗大，幾乎沒有樹枝晶現象，主要是鋼錠凝固時熱流散發相反的方向以柱狀晶的形態存在。材料成分較均勻，鋼錠中間部位有大量空洞及長寬很大的斷面狀裂紋，這是個很嚴重的問題。

(2) 高溫擴散后組織的狀態是由加熱溫度與保溫時間共同造成的結果。由于再結晶的原因，隨著加熱溫度的升高、保溫時間的延長，晶粒逐漸變大，但總體晶粒較細，晶粒大小差異不大。原因是試樣較小，可以被熱透，新生的晶粒有足夠的能量進行長大。

(3)觀察到一種特殊現象：一個晶粒完全被另外一個晶粒包圍著，這種現象與靜態再結晶中發生在晶粒內部的再結晶相似，尚無解釋，有待日后進一步研究。

[1] 劉鑫剛.大型鍛件高溫擴散的理論與實驗研究[D].秦皇島：燕山大學，2004.15.

[2] 鄧林濤，劉志穎，王濤，等.1 000 MW核電管板純凈鋼鍛件制造工藝及其性能[J]. 中國核電，2009，2(02)：126-132.

[3] 胡漢起.金屬凝固[M].北京：冶金出版社，1985.307.

[4] 徐平光，方鴻生，白秉哲等.仿晶界型鐵素體/粒狀貝氏體復相組織的韌性[J].金屬報，2002.39(3)：255～261.

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