大型中間軸55鋼鍛件晶粒度控制研究

張博 ，于保寧 ，楊杜航 ，梁帥，王繼業(yè)

1.洛陽中重鑄鍛有限責任公司 河南洛陽 471039

2.中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

1 序言

55鋼中間軸作為傳動部分的關(guān)鍵部件，在軋機工作時，需要承受的扭矩力較大[1]，這就需要嚴格要求中間軸鍛件的超聲波檢測和力學性能驗收標準[2]。然而，由于55鋼中間軸鍛件尺寸較大，生產(chǎn)過程極易發(fā)生組織性能的不均勻，產(chǎn)生局部粗晶現(xiàn)象[3]。因此，為了滿足中間軸鍛件的性能要求，必須通過工藝解決其粗晶問題[4]。

55鋼在高溫下塑性變形時，受到動態(tài)再結(jié)晶的作用，組織內(nèi)晶粒重新形核、長大，此時的晶粒度較小[5]。然而，當鍛造結(jié)束后，鍛件仍停留在高溫區(qū)，原本細化的晶粒將繼續(xù)長大[6]。因此，在鍛造55鋼大型中間軸鍛件時，粗晶現(xiàn)象極易發(fā)生在最終鍛造環(huán)節(jié)，這就需要控制好鍛造的終鍛溫度[7]，避免晶粒過度長大。

當由于偶然因素導致55鋼中間軸鍛造生產(chǎn)與工藝出現(xiàn)偏離時，極易發(fā)生鍛件局部晶粒粗大，組織不均勻等質(zhì)量穩(wěn)定[8]。因此，在鍛造完成后，鍛件一般要進行正火處理，達到細化晶粒、均勻內(nèi)部組織的作用[9]。在正火處理時，正火溫度對最終效果起到?jīng)Q定性作用，正火溫度過高，將使鍛件內(nèi)部晶粒進一步粗大，正火溫度過低，會導致材料的力學性能下降[10]。

本文研究了55鋼材料的奧氏體粗化規(guī)律，分析導致其晶粒嚴重粗大的臨界溫度；設(shè)計了55鋼材料的正火試驗，研究該材料最佳正火溫度；基于試驗結(jié)果，改進55鋼中間軸鍛件的加工工藝，有效地解決了其局部粗晶問題。

2 試驗材料與方法

試驗材料采用鍛態(tài)55鋼坯料，Ac1為722℃，Ac3為745℃，化學成分見表1。制取12個尺寸為25mm×25mm×25mm的55鋼正方形試塊。首先，進行55鋼奧氏體粗化試驗，將6個試塊分別加熱到820℃、860℃、890℃、920℃、950℃和980℃，保溫2h，水冷保留高溫組織；其次，進行正火試驗，將其余6個試塊分別加熱到770℃、800℃、830℃、860℃、890℃和920℃，保溫2h，空冷至室溫；最后，試樣進行打磨、拋光、腐蝕后，觀察金相組織。

表1 55鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 粗化溫度對55鋼晶粒大小的影響

材料晶粒粗化的本質(zhì)原因是高溫能夠?qū)υ訑U散和晶界移動起促進作用，從而降低晶界能，導致晶界總面積減小，晶粒尺寸增大[11]。不同溫度下55鋼的顯微組織如圖1所示，測得晶粒度大小見表2。從圖1、表2可看出，在820～920℃的溫度內(nèi)，55鋼的晶粒粗化現(xiàn)象不明顯，晶粒度由8.5級降低到7.5級。當55鋼加熱溫度達到950℃時，其內(nèi)部晶界能降低到臨界，使晶界面積大量減少，因此其晶粒發(fā)生了嚴重粗化，晶粒度等級由7.5級降低到3.5級。因此，應嚴格控制55鋼鍛件的終鍛溫度≤950℃，避免鍛造結(jié)束后，鍛件內(nèi)部晶粒過度長大[12]。

圖1 不同粗化溫度下55鋼的微觀組織

表2 不同粗化溫度對55鋼晶粒度的影響

3.2 正火溫度對55鋼晶粒大小的影響

不同正火溫度下55鋼的顯微組織如圖2所示，測得晶粒度大小見表3。當正火溫度為770℃時，細小且分散的鐵素體均勻分布在晶粒內(nèi)部，尚未聚集到晶界，此時晶粒度為8級。正火溫度為800℃時，晶粒進一步細化，晶粒度為8.5級，而晶界處有大量連續(xù)的網(wǎng)狀鐵素體析出，網(wǎng)狀鐵素體的存在不僅會增加材料的組織應力，降低其力學性能[13]，而且在超聲波檢測環(huán)節(jié)，將顯示出嚴重的草狀波，呈現(xiàn)出“粗晶”波形，影響檢測結(jié)果。采用830℃正火時，雖然晶粒大小無明顯變化，但晶界處的網(wǎng)狀鐵素體含量明顯減少[14]。進一步提高正火溫度到860℃時，網(wǎng)狀鐵素體得到消除。然而，當正火溫度＞890℃，晶粒將逐漸變大，晶粒度降低到7.5級。

圖2 不同正火溫度下55鋼的微觀組織

表3 不同正火溫度對55鋼晶粒度的影響

3.3 55鋼中間軸鍛件工藝改進措施

根據(jù)55鋼粗化溫度試驗及正火試驗，在后續(xù)鍛造55鋼中間軸時，將鍛出成品的終鍛溫度控制在820～920℃；在鍛后熱處理階段，調(diào)整正火溫度為860℃，正火工藝如圖3所示。

圖3 55鋼中間軸鍛件正火工藝

對成品中間軸鍛件進行超聲波檢測與力學性能檢測，結(jié)果見表4。由表4可看出，通過改進工藝生產(chǎn)的中間軸鍛件未發(fā)生局部粗晶現(xiàn)象，且力學性能滿足標準要求[15]。

表4 55鋼中間軸鍛件檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

1）當材料不發(fā)生塑性變形，55鋼材料組織僅受到溫度的影響時，溫度在820～920℃，可以得到細小的晶粒，晶粒度為7.5～8.5級；溫度在950℃以上時，晶粒將嚴重粗化，晶粒度迅速降低到3.5級。

2）當正火溫度在770～830℃時，55鋼晶粒度達到8.5級，組織內(nèi)部存在大量均勻分散粒狀鐵素體或聚集在晶界處的網(wǎng)狀鐵素體；當正火溫度為860℃時，網(wǎng)狀鐵素體消失；繼續(xù)提高正火溫度到890～920℃時，材料組織內(nèi)部的晶粒開始長大。

3）改進55鋼中間軸工藝措施，終鍛溫度控制在820～920℃，正火溫度選擇860℃，成品鍛件晶粒度及性能均滿足標準要求，有效地解決了超聲波檢測出現(xiàn)粗晶的問題。