大型鑄鋼件正火保溫時(shí)間的研究

李文輝，馬 進(jìn)，馮周榮，納學(xué)洋，魏 歡

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

熱處理是鑄鋼件生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的特殊工序之一，同時(shí)也是耗能大戶，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，熱處理過(guò)程中節(jié)約能源一直都是一道難題。直到20 世紀(jì)70 年代，日本學(xué)者大和重雄提出了結(jié)構(gòu)鋼淬火的保溫時(shí)間可以為零的設(shè)想，引起了國(guó)內(nèi)外熱處理學(xué)者對(duì)鋼的零保溫淬火開(kāi)展了較多的研究。遼寧工程技術(shù)大學(xué)孟繁盛等，研究得出60SiMn 鋼“零保溫”淬火工藝與傳統(tǒng)淬火工藝相比較，其奧氏體晶粒細(xì)小，淬火后組織細(xì)小，兩者機(jī)械性能指標(biāo)極為接近[1]。渤海船舶職業(yè)學(xué)院朱鳳艷等的研究表明結(jié)構(gòu)鋼淬火及正火加熱采用“零保溫”或短時(shí)間是完全可行的。特別是45/45Mn2這樣的碳素結(jié)構(gòu)鋼或單元素合金結(jié)構(gòu)鋼，采用“零保溫”工藝可以保證其力學(xué)性能要求[2]。焦作工學(xué)院李安銘，對(duì)礦用液壓支柱缸體用鋼27SiMn 的研究表明其“零保溫”淬火得到極細(xì)的板條狀的馬氏體組織，究其原因發(fā)現(xiàn)與奧氏體晶粒細(xì)化和奧氏體中的碳濃度分布不均勻有關(guān)[3]。

以上研究主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)件的某些材質(zhì)件進(jìn)行了相應(yīng)的零保溫淬火試驗(yàn)研究，相比結(jié)構(gòu)件而言，鑄鋼件組織粗大，成分和組織偏析嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，所以相應(yīng)的熱處理工藝也略有不同，尤其是對(duì)于大型鑄鋼件來(lái)說(shuō)，更是如此。大型鑄鋼件零保溫正火淬火方面的研究不多見(jiàn)。本文主要對(duì)大型碳鋼類(lèi)鑄鋼件正火縮短保溫時(shí)間甚至零保溫時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)探討。

1 試驗(yàn)條件

主要針對(duì)碳鋼類(lèi)材質(zhì)件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，鑄件材質(zhì)化學(xué)成分元素及含量要求見(jiàn)表1。

表1 鑄件化學(xué)成分要求 ωB/%

另外，P≤0.035%，S≤0.025%,其他為Fe 和雜質(zhì)元素。

鑄件常溫力學(xué)性能要求見(jiàn)表2。

表2 鑄件常溫力學(xué)性能要求

本次試驗(yàn)采用隨同鑄件同爐澆鑄的4 個(gè)附鑄試塊進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，附鑄試塊輪廓最大尺寸為300mm×100mm×120mm。

2 試驗(yàn)方案

本文所述大型鑄鋼件，鑄件重量10～40t，最大壁厚300mm，最小壁厚125mm。鑄件尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，澆鑄凝固過(guò)程中形成較明顯的樹(shù)枝晶，微觀成分偏析較顯著，從鑄態(tài)鑄件上取樣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)晶粒粗大，魏氏組織明顯，力學(xué)性能上則表現(xiàn)為強(qiáng)度較高但塑韌性較差，因此必須通過(guò)熱處理消除鑄態(tài)組織,獲得比較高的綜合力學(xué)性能。一般鑄鋼件尤其是這種大型鑄鋼件傳統(tǒng)熱處理方式優(yōu)先采用正火的工藝方式。考慮減少鑄件的變形和熱處理過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，對(duì)于這種超大型鑄鋼件，正火溫度的選擇必須也要合適。正火熱處理的主要目的是充分溶解鑄鋼件凝固過(guò)程中的析出相，經(jīng)奧氏體化后形成較小晶粒的奧氏體，冷卻后形成細(xì)小的F+P 或B 組織。

正火溫度均按照鑄件正常熱處理正火溫度900℃，保溫時(shí)間根據(jù)日常鑄件最大壁厚，按照傳統(tǒng)1h/inch（2.36min/mm）保溫系數(shù)計(jì)算，則為12h。按照經(jīng)濟(jì)型保溫系數(shù)1.75min/mm 計(jì)算，則為9h，余下兩組為改進(jìn)型保溫時(shí)間3h 和0h。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 正火試驗(yàn)方案

代表四個(gè)方案的四個(gè)鑄態(tài)試塊同爐加熱正火，加熱爐采用電阻小試驗(yàn)爐，爐溫均勻性≤±5℃。當(dāng)正火保溫溫度達(dá)到工藝要求后，將方案4試塊迅速?gòu)脑囼?yàn)爐中拿出，模擬鑄件上的附鑄試塊冷速進(jìn)行冷卻。余下試塊繼續(xù)保溫，保溫時(shí)間分別達(dá)到3h，9h，12h 后，分別將方案3 試塊、方案2試塊、方案1 試塊迅速?gòu)脑囼?yàn)爐中拿出，用相同的冷卻方式冷卻。

3 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果及分析

各試驗(yàn)試塊正火冷卻到室溫后，標(biāo)識(shí)好對(duì)應(yīng)的試塊編號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能和金相檢測(cè)。具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各方案試驗(yàn)試塊力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，隨著正火保溫時(shí)間的縮短，抗拉強(qiáng)度Rm略有降低趨勢(shì)，屈服強(qiáng)度Rp0.2有明顯的上升趨勢(shì)，塑性指標(biāo)中延伸率A 和斷面收縮率Z 也有明顯的上升趨勢(shì)，沖擊韌性略有降低但無(wú)明顯趨勢(shì)。總體來(lái)說(shuō)，將正火保溫時(shí)間縮短，甚至保溫時(shí)間為0，試塊的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均能滿足材料標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖1 正火不同保溫時(shí)間金相組織

以上試驗(yàn)試塊對(duì)應(yīng)的金相組織檢測(cè)見(jiàn)圖1。

從金相組織可以看出，在正火溫度相同情況下，隨著正火保溫時(shí)間的縮短，最明顯的差異是晶粒越來(lái)越細(xì)，晶粒度等級(jí)由6～7 級(jí)提升到10 級(jí)。組織基本均為P+F，差別不大。

從以上檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，正火保溫時(shí)間縮短甚至零保溫處理時(shí)，正火后得到更細(xì)小的鐵素體和珠光體，相應(yīng)的晶界數(shù)量就變多，位錯(cuò)滑移遇到晶界，滑移就會(huì)減緩，這在一定程度上增加了屈服強(qiáng)度。根據(jù)Hall-petch（霍爾-佩奇）公式：σs=σi+K×d-1/2，式中σi、K 均為材料常數(shù),而d則為晶粒直徑。由此也可以看出，晶粒直徑越小，屈服強(qiáng)度σs就越高。

一般來(lái)說(shuō)，細(xì)晶粒的多晶體不僅強(qiáng)度高，而且塑性和韌性也較好。因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，不同位向的晶粒也越多，在同樣受力變形條件下，變形量可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，使各晶粒的變形比較均勻，而不至于過(guò)于集中在少數(shù)晶粒上，使其變形嚴(yán)重。另外在一定體積的晶體內(nèi)，晶粒的數(shù)目越多，晶界就越多，晶粒就越細(xì)，越曲折，有利于阻止裂紋的傳播，從而在其斷裂前能承受較大的塑性變形，吸收較多的功，表現(xiàn)出較好的塑性和韌性。

正火加熱溫度決定了奧氏體的形成溫度，該溫度升高，奧氏體的形核率和長(zhǎng)大速度急劇增加，如果鑄鋼件在高溫停留時(shí)間短，奧氏體來(lái)不及長(zhǎng)大或長(zhǎng)大不明顯，就會(huì)得到更細(xì)小的奧氏體晶粒。相反，如果鑄件在高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，尤其是正火溫度較高的情況下，比如950℃以上，奧氏體就會(huì)明顯長(zhǎng)大，奧氏體晶粒就會(huì)粗大。

因此，正火加熱溫度越高，轉(zhuǎn)變?cè)杏诤屯瓿赊D(zhuǎn)變的時(shí)間越短。這就為零保溫的實(shí)際提供了可能，特別是中小工件，其尺寸較小，再加上鋼的導(dǎo)熱系數(shù)很大，可以認(rèn)為奧氏體的轉(zhuǎn)變?cè)谒查g即可完成，無(wú)需進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保溫。如：在780℃時(shí)奧氏體完成一半轉(zhuǎn)變所需要的時(shí)間為3 秒鐘，而在800℃時(shí)奧氏體完成一半的轉(zhuǎn)變所需要的時(shí)間為1 秒鐘。對(duì)大型鑄鋼件，正火奧氏體化溫度一般都在Ac3以上50～80℃，溫度相對(duì)較高。因此，奧氏體化轉(zhuǎn)變時(shí)間就較短。

在正火溫度一定的情況下，影響正火保溫時(shí)間的主要因素為鋼的含碳量和合金含量。碳和合金元素增多會(huì)使鋼的導(dǎo)熱性下降，另外會(huì)顯著延緩鋼中的組織轉(zhuǎn)變，所以實(shí)際生產(chǎn)中，碳素鋼和低合金鋼的保溫時(shí)間要比高碳鋼、高合金鋼的保溫時(shí)間短一些。影響保溫時(shí)間長(zhǎng)短的其他因素如加熱介質(zhì)、工件的幾何形狀和尺寸、件在爐內(nèi)的堆放方式等則相對(duì)影響較小。據(jù)蘇州絲綢工學(xué)院吳國(guó)梁、宋哲等的研究表明，45 鋼工件直徑或厚度不大于100mm 時(shí)，在空氣爐中加熱，其表面和心部的溫度幾乎是同時(shí)到達(dá)的，因而其透熱時(shí)間可以不予考慮[4]。對(duì)于大型鑄鋼件熱處理，一般不會(huì)堆放熱處理，加熱介質(zhì)也相對(duì)固定。在實(shí)際鑄件熱處理生產(chǎn)運(yùn)用中，只要監(jiān)控到鑄件表面達(dá)到工藝要求的溫度，再考慮鑄件最大壁厚或重要工作面壁厚心部溫度到達(dá)的時(shí)間，即透熱時(shí)間，余下的保溫時(shí)間即可大大縮短。

4 結(jié)論

對(duì)于碳鋼鑄件，正火縮短保溫時(shí)間甚至零保溫，相對(duì)原來(lái)的較長(zhǎng)保溫時(shí)間，鑄件的強(qiáng)度和塑韌性性有明顯的提高，且全部力學(xué)性能指標(biāo)都符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。