PCrNi3MoV鋼改善晶粒度的熱處理工藝研究

劉涵賾，王浩強(qiáng)，張彩紅，楊志洪

天津重型裝備工程研究有限公司 天津 300457

1 序言

PCrNi3MoV屬于中碳低合金調(diào)質(zhì)鋼，主要應(yīng)用于大型裝備零件，大多數(shù)應(yīng)用于身管等負(fù)荷較大的零件或者制造機(jī)槍的槍管、機(jī)針等，可以在高溫下長(zhǎng)期工作。PCrNi3MoV鋼耐蝕性非常好，屈服強(qiáng)度高，淬透性強(qiáng)，此外也具有良好的低溫沖擊韌度。然而，在大型鑄鍛件生產(chǎn)制造過程中，由于鋼錠尺寸大、凝固時(shí)間長(zhǎng)、鍛造溫度高等因素，因此會(huì)造成組織遺傳傾向非常強(qiáng)烈。組織遺傳是指非平衡組織鋼在加熱過程中，奧氏體會(huì)按已有取向的針形核，并且定向長(zhǎng)大、合并，進(jìn)而恢復(fù)到原奧氏體晶粒度大小。組織遺傳會(huì)導(dǎo)致組織內(nèi)部晶粒十分粗大且不均勻。晶粒粗大不僅使大型鑄鍛件性能低劣、壽命降低，使用中會(huì)在毫無(wú)征兆的情況下開裂，而且會(huì)使材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高[1]。另外，晶粒粗大還會(huì)給無(wú)損檢測(cè)造成困難。因此，必須消除組織遺傳，將晶粒細(xì)化[2]。目前，消除組織遺傳、細(xì)化晶粒的方式有高溫正火、退火、高溫預(yù)回火等[3-5]。為解決PCrNi3MoV鋼晶粒度粗大的現(xiàn)象，本文研究了幾種不同的熱處理工藝消除PCrNi3MoV鋼組織遺傳的能力，以此探求獲取最佳晶粒度的方案，滿足生產(chǎn)的需要。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料為PCrNi3MoV鋼，取自于大型鑄鍛件加工余料，將其加工成15mm×15mm×20mm的金相試樣后統(tǒng)一進(jìn)行粗化處理，得到晶粒度＜1級(jí)的試塊。PCrNi3MoV鋼的化學(xué)成分見表1[6]。

表1 PCrNi3MoV鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

由于試樣的尺寸較小，所以用試樣的爐冷模擬大鍛件的正火，試樣的空冷模擬大鍛件的淬火，試樣的等溫退火模擬大鍛件的隨爐冷卻退火。材料的性能熱處理為調(diào)質(zhì)，即淬火＋高溫回火，因?yàn)樽罱K的高溫回火對(duì)晶粒度影響不大，故在模擬試驗(yàn)中省去。以下為所做的4組試驗(yàn)方案。

方案A：910℃×1h正火+870℃淬火。

方案B：980℃×1h正火+870℃淬火。

方案C：980℃×1h正火+670℃×6h回火+870℃淬火。

方案D：880℃×1h退火+870℃淬火。

試樣進(jìn)行熱處理后，依次將其表面用200＃～1000＃砂紙打磨并拋光，使用3%的硝酸酒精溶液腐蝕組織并進(jìn)行微觀組織觀察；使用苦味酸飽和溶液腐蝕晶界，觀察試樣的晶粒度并對(duì)熱處理方案細(xì)化晶粒的效果進(jìn)行評(píng)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

4個(gè)方案試樣的晶粒度尺寸試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 4種熱處理工藝下晶粒度等級(jí)

對(duì)于方案A和方案B試樣來說，材料最終形成的均為馬氏體組織，二者的形態(tài)相似，如圖1所示。對(duì)比圖2晶粒度照片發(fā)現(xiàn)，方案B試樣的晶粒度明顯好于方案A。方案A試樣經(jīng)苦味酸腐蝕后顯示出晶粒形狀不規(guī)則，試樣的大部分晶粒度等級(jí)小于3.0級(jí)，方案B試樣經(jīng)苦味酸腐蝕后的晶粒度為4.5～5.0級(jí)。材料原始晶粒度是粗大的，但是通過正火后，材料相繼發(fā)生奧氏體相變和貝氏體相變，在重新加熱和相變過程中，產(chǎn)生了組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，促進(jìn)奧氏體發(fā)生再結(jié)晶，新的晶核會(huì)在晶界、缺陷、應(yīng)力集中處集中形核，在經(jīng)歷了重新形核與長(zhǎng)大后，粗大的晶粒被分割成了細(xì)小晶粒。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，正火溫度的提升有利于晶粒的細(xì)化。此外，有關(guān)資料介紹，某些合金碳化物的熔點(diǎn)非常高，會(huì)對(duì)粗大界面起到釘扎作用，從而使消除組織遺傳變得非常困難，在PCrNi3MoV鋼中，起釘扎作用的第二相粒子主要有碳化釩等，碳化釩在高于900℃時(shí)開始溶解，約在980℃全部溶于固溶體中[7]。因此，只有在較高的溫度下合金滲碳體才會(huì)得到完全溶解，第二相釘扎作用才能消除，從而改善晶粒尺寸。但是，如果加熱溫度過高，則又會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒過度生長(zhǎng)，不利于晶粒細(xì)化。

圖1 試樣最終態(tài)金相組織

圖2 試樣經(jīng)苦味酸腐蝕后的晶粒度

方案C試樣正火后得到了貝氏體，后續(xù)在高溫回火過程中形成了回火貝氏體，最終淬火后得到馬氏體，如圖3所示。經(jīng)苦味酸腐蝕后的晶粒度為7.0～7.5級(jí)，如圖4所示。對(duì)于鋼中晶粒遺傳機(jī)理的解釋，有人認(rèn)為非平衡組織的過熱鋼在奧氏體化時(shí)，形成的奧氏體與母相存在K-S位向關(guān)系，導(dǎo)致原始粗大晶粒的遺傳，如果將其位向打亂，則是消除組織遺傳最有效的辦法[8]。貝氏體通常不需要回火，但在大型鑄鍛件實(shí)際生產(chǎn)中，淬火后經(jīng)常存在貝氏體與馬氏體的混合產(chǎn)物，故也有對(duì)貝氏體回火組織的研究[9]。貝氏體回火后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一系列的變化，位向關(guān)系發(fā)生了破壞，增加了組織的彌散度，從而奧氏體在形核過程中受到K-S位向關(guān)系的制約效果減輕，減少片狀?yuàn)W氏體的形成，從而有效阻止了組織遺傳，晶粒也得以細(xì)化。

圖3 C試樣金相組織

圖4 C試樣經(jīng)苦味酸腐蝕后的晶粒度

有文獻(xiàn)表明，退火也是消除晶粒遺傳的一種有效辦法[4]。D試樣退火態(tài)產(chǎn)物是珠光體和貝氏體混合組織，最終態(tài)為馬氏體，如圖5、圖6所示。經(jīng)苦味酸腐蝕后晶界晶粒形狀不規(guī)則，晶粒大小相差很多（見圖7），也不能滿足生產(chǎn)要求。究其原因，可能由于此鋼種淬透性較好，所以在非常慢的冷卻速度下，依然沒有得到完全的鐵素體和珠光體組織，而是得到了珠光體和貝氏體混合組織，珠光體不存在組織遺傳現(xiàn)象，因此該區(qū)域晶粒度會(huì)好轉(zhuǎn)。而貝氏體在后續(xù)逆相變過程中，依然會(huì)存在組織遺傳現(xiàn)象。正是由于存在珠光體和貝氏體兩種不同的組織，導(dǎo)致后續(xù)奧氏體形核長(zhǎng)大的條件不同，晶粒度晶粒形狀不規(guī)則，晶粒大小相差很多，所以退火對(duì)PCrNi3MoV鋼的組織遺傳消除效果并不明顯。

圖5 D試樣退火態(tài)的金相組織

圖6 D試樣最終金相組織

圖7 D試樣經(jīng)苦味酸腐蝕后的晶粒度

4 結(jié)束語(yǔ)

1）PCrNi3MoV鋼通過高溫正火可以細(xì)化晶粒，且在較高的溫度下，合金滲碳體完全溶解，降低了針狀?yuàn)W氏體的穩(wěn)定性，從而使組織遺傳現(xiàn)象有所改善。

2）PCrNi3MoV鋼在正火得到貝氏體后，通過回火可以改善其形態(tài)，增大組織彌散度，進(jìn)一步消除組織遺傳，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。

3）退火處理使PCrNi3MoV鋼組織不均勻，導(dǎo)致淬火后有嚴(yán)重混晶出現(xiàn)，故退火對(duì)PCrNi3MoV鋼晶粒細(xì)化的意義不大。