熱處理工藝對低合金結構鋼LF2組織的影響（上）

文/魏強·中國鍛壓協會

耿志宇·二十二冶集團精密鍛造有限公司

熱處理工藝對低合金結構鋼LF2組織的影響（上）

文/魏強·中國鍛壓協會

耿志宇·二十二冶集團精密鍛造有限公司

我公司為某客戶公司生產了一批閥體鍛件，材料為LF2。ASTM A350 LF2是美國標準的低溫鍛鋼材料，國內尚無閥門及管件用低溫碳鋼的標準，通常直接采用ASTM A350 中的材料及技術要求。LF2材料的化學成分如表1所示。

由表1可見，LF2鋼的化學成分相當于國內的合金結構鋼20Mn。ASTM A350標準規定，LF2的熱處理工藝有正火、正火+回火和淬火+回火幾種。由于此次生產的LF2鍛件要求在－50℃的低溫狀態下使用，因此采用淬火+回火的調質熱處理以得到具有強韌綜合性能的回火索氏體組織，保證低溫沖擊性能符合要求。而為了消除鍛后的魏氏組織，在調質熱處理工藝前要先進行正火工序，使鍛后組織均勻。

鍛件熱處理后的組織狀態是受很多因素影響的，主要有原材料的組織狀態、鍛造工藝和熱處理工藝，其中鍛造工藝和熱處理工藝影響最大。本文通過對原材料、鍛后未經熱處理的鍛件、正火后的鍛件、調質后的鍛件組織觀察，針對出現的問題對鍛件鍛后熱處理工藝進行調整，研究了不同熱處理工藝對鍛件組織的影響，以制定LF2材料閥體鍛件的最佳熱處理工藝。

原材料的組織觀察

原材料為直徑160mm的熱軋態圓鋼，為了掌握原材料的組織狀態，首先對原材料的組織進行了觀察。沿半徑方向取樣后，觀察平行半徑方向平面和垂直半徑方向平面的金相組織，如圖1所示。

表1 生產用LF2化學成分

圖1 原材料組織觀察

由圖1可見，原材料中有少量魏氏組織，評級為1級。但是原材料中帶狀組織較嚴重，經評級，帶狀組織為4級。

魏氏組織是鋼在奧氏體晶粒較粗大，冷卻速度適宜時，形成的一種特殊的組織，其組織特征為在一個粗大的奧氏體晶粒內形成許多平行的鐵素體(滲碳體)針片，在鐵素體針片之間的剩余奧氏體最后轉變為珠光體，這種過熱組織稱為鐵素體(滲碳體)魏氏組織。帶狀組織是鋼材內部缺陷之一，出現在熱軋低碳結構鋼顯微組織中，沿軋制方向平行排列、成層狀分布、形同條帶的鐵素體晶粒與珠光體晶粒。這是由于鋼材在熱軋后的冷卻過程中發生相變時鐵素體優先在由枝晶偏析和非金屬夾雜延伸而成的條帶中形成，導致鐵素體形成條帶，鐵素體條帶之間為珠光體，兩者相間成層分布。魏氏組織和帶狀組織少量存在時對鋼的性能影響不大，但當這兩種組織大量存在或者情況較嚴重的時候，會對鋼的性能產生不良影響。

生產中采用的鍛造加熱溫度為1160℃，在此溫度下長時間保溫，LF2鋼有可能會產生過熱。圖2為加熱后未鍛造的坯料的縱向組織，可見組織中魏氏組織大量存在且較嚴重。魏氏組織能通過反復正火、退火或者鍛造改善或消除，若鍛造后不能消除魏氏組織，只能通過鍛后熱處理來改善。經評級，加熱后坯料魏氏組織為5級。LF2鋼含Mn量約1%，Mn有促進晶粒長大的作用，因此在高溫下保溫一段時間后會形成粗大晶粒，粗大晶粒在冷卻速度適宜的情況下易形成粗大的魏氏組織，因此可以說出現魏氏組織是鋼過熱的表現。

圖2 坯料加熱后未鍛造組織

通過以上觀察可以發現，原材料由于是熱軋態，縱向存在較明顯的帶狀組織。由于多向模鍛變形不規則，原材料帶狀組織的存在可能會導致鍛件的各向異性。而鍛前加熱后的材料已經嚴重過熱，若鍛造不充分，鍛后組織可能仍存在魏氏組織。

鍛后鍛件組織觀察

為了掌握鍛件鍛后組織狀態和熱處理后的組織狀態，鍛后鍛件組織觀察分為兩部分，分別為鍛后未熱處理組織觀察和鍛后熱處理（正火+調質）組織觀察。鍛件組織觀察的部位如圖3所示，圖中1～5位置是整個鍛件有代表性的位置。生產中采用的熱處理工藝曲線如圖4所示。

鍛后未熱處理組織觀察

選擇位置1、4和5試樣，經金相砂紙打磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液浸蝕，用100倍金相顯微鏡觀察，結果如圖5所示。

由圖5可見，鍛造后魏氏組織較鍛造前減輕，評級為2級。但是鍛件不同部位組織不均勻，主要表現在：①晶粒不均勻，有混晶現象；②帶狀組織分布不均勻。產生這種組織的原因是鍛造加熱溫度為1160℃，在此溫度下加熱LF2已經發生過熱，產生了粗大晶粒。而鍛造時鍛件不同部位鍛造比不同，在鍛造比不夠大的情況下過熱組織難以消除，因此冷卻后鍛件局部存在粗大晶粒，且伴隨產生了魏氏組織。原材料存在帶狀組織，而由于鍛造變形的不均勻，帶狀組織在鍛造時沒有消除，在鍛后鍛件中遺留了下來。鍛件鍛后出現魏氏組織是正常現象，一般情況下，出現的魏氏組織都為不穩定過熱產生，這種組織只能通過正火或者退火消除或改善。

圖3 鍛件金相檢驗位置圖

圖4 鍛件熱處理工藝曲線

圖5 1、4和5試樣金相組織觀察

正火后組織觀察

生產中采用的熱處理工藝：910℃正火，保溫時間2.5h，空冷。正火后的鍛件組織如圖6所示。

由圖6可見，正火對魏氏組織有一定的改善，但未完全消除，魏氏組織為1級。但是帶狀組織依然存在。可見，正火并不能消除帶狀組織，只能起到一定的改善作用，有研究表明，消除帶狀組織可以通過高溫擴散退火、反復鍛造和退火。正火后組織仍然不均勻，這種不均勻組織會對后續的調質處理產生不良影響。

鍛件調質組織觀察

鍛件經正火后，再經920℃加熱、保溫2h后水冷淬火，鍛件出爐到入水淬火時間小于20s。回火工藝為630℃，保溫5h后水冷。經調質處理的鍛件組織見圖7。

由圖7可見，鍛件不同部位組織不均勻，帶狀組織未能通過調質消除，只能改善。局部有粗大晶粒，且晶粒不均勻。粗大晶粒常伴隨針狀鐵素體產生，也會對鋼的機械性能產生影響。試樣4處發現了嚴重粗大的晶粒，且晶粒大小不均勻。試樣2和試樣5組織為回火索氏體，試樣1組織中鐵素體有帶狀傾向。

圖6 正火后鍛件金相組織

圖7 調質后鍛件金相組織

原因分析與小結

調質后的組織不合格主要是晶粒不均勻，局部有粗大晶粒存在。這種組織主要是受兩方面影響的：正火后的魏氏組織和淬火時的晶粒長大。

鍛后魏氏組織的產生是鍛后晶粒粗大的表現，而鍛后粗大的晶粒具有組織遺傳性。由于鍛造加熱溫度高，鍛后容易形成粗大奧氏體晶粒，冷卻到室溫后，在原來奧氏體晶粒內由于相變產生了許多小晶粒。這些小晶粒的空間取向往往與原奧氏體晶粒的取向保持一致，也就是說，形式上是一顆大晶粒被分割成一顆顆小晶粒，實際上還是一顆大晶粒。當正火加熱時，這些小晶粒還會形成原來粗大的奧氏體晶粒，且取向沒有多大變化，隨著正火加熱溫度不同，只是還原程度不同罷了。正火冷卻時，一顆奧氏體晶粒又再次重新被分割成若干小晶粒。這樣，正火前原來粗大的奧氏體晶粒雖然形式上被細化了，但實質上由于很多小晶粒的位相與原奧氏體晶粒一致，所以仍保留粗大晶粒的特征。為了解決這一問題，生產上最經濟的辦法是將鍛后鍛件進行退火處理。通過相變重結晶來細化晶粒，能有效消除組織粗大問題。

鍛件淬火同樣是將鍛件加熱到奧氏體態，快速冷卻，冷卻速度繞過C曲線的“鼻尖”，奧氏體態的鋼來不及析出鐵素體時就已經到了Ms點（馬氏體轉變開始點）以下，發生馬氏體轉變，馬氏體的晶粒尺寸和原奧氏體晶粒尺寸保持一致。也就是說，淬火后馬氏體晶粒大小取決于原奧氏體晶粒大小。奧氏體晶粒長大的原理是因為晶界能量高，為了減少總的晶界面積，降低界面能，在一定溫度條件下奧氏體晶粒會發生相互吞并而使晶粒長大的現象。所以，奧氏體晶粒長大在一定條件下是一個自發的過程。奧氏體晶粒長大是通過晶界推移實現的，是晶粒長大力和晶界推移力相互作用的結果。奧氏體晶粒長大受諸多因素的影響，在材料冶煉方法、成分和原始組織一定的情況下最主要的影響因素是加熱溫度和保溫時間。加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒將越粗大，且加熱溫度的影響要遠比保溫時間的影響大得多。因此，在生產中，若保溫時間一定，適當降低加熱溫度，則形成的奧氏體晶粒要細小，淬火后得到的馬氏體晶粒同樣細小。

制定熱處理工藝時，特別是淬火工藝，常以鋼相變溫度為依據。低碳低合金鋼屬亞共析鋼，則以鋼的Ac3溫度（鋼由珠光體態完全轉變為奧氏體態的溫度）為依據，淬火溫度一般為Ac3＋(30～50)℃。LF2材料的Ac3溫度約為850℃，而之前生產中用的淬火溫度為920℃。在初始組織均勻的情況下，淬火溫度稍高能加速碳化物和合金元素溶于奧氏體，有利于提高淬透性。但是當初始組織不均勻的時候，淬火溫度過高則可能導致晶粒異常長大。因此，為了解決生產時出現的局部晶粒粗大的問題，在后續生產中將淬火溫度降為880℃，以達到細化晶粒的目的。因此，針對出現的組織不合格問題，調整了熱處理工藝，將910℃正火工序更改為900℃退火工序；將920℃淬火工序更改為880℃淬火工序。

（《熱處理工藝對低合金結構鋼LF2組織的影響（下）》見2016年第17期）