亞共析鋼晶粒細化的研究

張寶佳

（中國石化集團南化公司南京化工機械公司，江蘇 南京 210048）

對于亞共析鋼大鍛件，在鍛造過程中由于始鍛溫度過高、保溫時間過長、鍛造比小、終鍛溫度過高等原因造成其晶粒度粗大[1]，煅后熱處理如果不能有效地細化晶粒，在鍛件的最終熱處理后其組織也將粗大，將導致鍛件強度、塑性尤其是沖擊韌性都不能滿足JB4726-2016《壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件》要求。如何通過煅后熱處理有效地細化晶粒并為鍛件的最終熱處理做組織裝備采用正常的正火處理效果并不理想。根據資料[2]介紹采用二次正火對細化晶粒、均勻組織、消除內應力有明顯效果。本文通過對35#粗晶鋼鍛件在不同溫度下進行二次正火熱處理試驗，找出最佳熱處理工藝參數，得到均勻的細晶粒，為最終熱處理做組織裝備。

1 試驗材料及方法

試驗材料為50mm*50mm*160mm、35#鋼棒料，鍛造狀態，晶粒度為級1級～2級，化學成分見表1所示。

表1 35#鋼化學成分

由于試樣晶粒粗大，采用二次正火進行細化。對亞共析鋼鍛件采用二次正火工藝，一般第一次正火溫度為Ac3+100℃～150℃、第二次正火溫度為Ac3+30℃～50℃。35#鋼Ac3約為802℃，第一次正火溫度試驗選用：870℃、900℃、930℃、950℃、980℃、1000℃六個溫度進行。第二次正火溫度采用870℃。采用箱式電阻爐RJX-40-12設備進行試驗，每組試驗用三塊試驗，其熱處理工藝和試驗結果如表2和表3所示。

表2 熱處理工藝試驗結果

表3 熱處理工藝試驗分析

2 試驗結果分析

綜合以上試驗結果，把試驗數據綜合處理對比，兩次正火的溫度和晶粒度的關系用圖1表示。

由圖1可以看出，細化35#鋼粗晶的最佳溫度為：第一次正火溫度在930℃～950℃之間，第二次正火溫度為870℃。

第一次正火通過相變重結晶消除熱加工形成的過熱組織，并使第二相充分溶入奧氏體中；第二次正火使奧氏體晶粒細化得到細小的鐵素體加珠光體組織。第一次正火溫度在870℃～930℃之間晶粒細化不理想是由于原始組織粗大，特別是有大塊狀先共析鐵素體，奧氏體化時碳的擴散距離較遠，而此時溫度又較低，碳原子的擴散速度較慢，因此奧氏體形成的速度就慢，奧氏體化不充分，如圖2金相照片所示，白色塊狀即為沒有奧氏體化的先共析塊狀鐵素體，成分不均勻，所以二次正火后晶粒細化不明顯，晶粒也不太均勻。

圖2 35#粗晶鋼第一次870℃正火后組織 100×

第一次正火溫度超過950℃以上時，奧氏體化及成分較均勻，但是碳鋼的晶粒長大對溫度特別敏感[3]，超過950℃時，局部晶粒開始粗大，（如圖3所示，大的黑色塊狀為局部晶粒長大了）局部長大的的晶粒，第二次正火也不易細化。所以二次正火后晶粒大小不均勻。

圖3 980℃正火后組織 100×

第一次正火溫度選在930℃～950℃之間時，正好保證組織全部奧氏體化，此時成分也比較均勻，所形成的奧氏體化晶粒也比較均勻，通過相變重結晶[4]得到均勻的稍粗的鐵素體和珠光體組織，然后通過二次正火相變重結晶后，得到均勻的比較細小的先共析鐵素體和珠光體組織。（如圖4所示，為二次正火后的組織）。

圖4 930℃和870℃二次正火后組織 100×

3 試驗結論

（1）對35#粗晶鋼鍛件，為細化晶粒，最佳熱處理工藝為二次正火。第一次為高溫正火，溫度在930℃～950℃之間。第二次正火溫度為870℃。

（2）通過二次正火可以把35#粗晶鋼鍛件晶粒度由1級～2級提高到6級～7級。