蘇金虎 梁曉宇 劉建生 安紅萍

(太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

自20世紀(jì)70年代高溫?cái)U(kuò)散成為大型鍛件生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，即在高溫狀態(tài)下長時(shí)間地加熱鋼錠，減輕或消除鋼錠中的粗晶組織，以提高大鍛件產(chǎn)品的性能[1]。材料2.25Cr-1Mo-0.25V屬高純凈鎮(zhèn)靜鋼，冶煉工藝采用了電爐+鋼包爐+真空澆注[2]，雜質(zhì)含量少，故鋼錠成型后晶粒特別粗大，這就需要后期工藝中對(duì)其進(jìn)行晶粒細(xì)化。為此，我們進(jìn)行了高溫?cái)U(kuò)散對(duì)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼組織性能影響的分析研究，為制訂工藝提供依據(jù)。

1 原始組織的觀察

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及取樣方法

該材料用于大型機(jī)床設(shè)備的生產(chǎn)制造，其主要化學(xué)成分見表1。

鋼錠解剖后取8塊試樣，規(guī)格為200 mm×200 mm×350 mm，在鋼錠中部沿徑向自中心向外依次切A、B、C、D號(hào)試樣，同樣在鋼錠底部從內(nèi)向外依次切E、F、G、H號(hào)試樣。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 2.25Cr-1Mo-0.25V steel(mass faction, %)

圖1 取樣方法Figure 1 Sampling method

圖2 取樣方法Figure 2 Sampling method

由于鋼錠底部有沉積區(qū)，硅酸鹽夾雜較多，反偏析較嚴(yán)重，不利于后期觀察分析，故先在A、B、C、D號(hào)上取樣。沿著軸面在A、B、C、D號(hào)試樣上切高60 mm 、厚20 mm，長貫通A、B、C、D號(hào)試樣，見圖1。

將切下來的試樣再切成小份，從鋼錠中心到鋼錠邊緣編號(hào)依次為：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14，見圖2。

1.2 觀測(cè)結(jié)果

將試樣依次研磨、拋光、腐蝕。先后試用了10多種腐蝕劑，效果均不理想，只有在極個(gè)別處暫時(shí)出現(xiàn)樹枝狀晶粒，見圖3。其余試樣以1、9、14號(hào)為代表，腐蝕效果見圖4。

圖3 樹枝晶Figure 3 Branches crystal

用金相分析軟件MIAPS-M可測(cè)得所有試樣的晶粒大小，其規(guī)律見圖5。

1.3 原因分析

觀察上述試樣照片及晶粒大小規(guī)律可發(fā)現(xiàn)：

(1)鋼錠空洞疏松很嚴(yán)重，特別在心部最大空洞連續(xù)長度可達(dá)104 mm，在別處觀測(cè)到帶狀分布針孔偏析。

(2)在鋼錠心部裂紋較嚴(yán)重，已形成約20 mm×200 mm的斷面，這在工藝中是很嚴(yán)重的問題。盡管這類裂紋可在后期工序中鍛合，但若已形成斷面且有氧化物存在則很難完全鍛合。

圖4 試樣原始組織Figure 4 The original organization of sample

(3)鋼錠沿徑向從里向外依次是：含有部分粗大的柱狀晶的等軸晶區(qū)—柱狀晶區(qū)—細(xì)晶區(qū)。其中細(xì)晶區(qū)晶粒的形狀也是沿徑向的柱狀。這一方面是由于鑄模壁的冷卻作用，另一方面是由于起形核作用的雜質(zhì)數(shù)量較少。從圖5中可見最大的柱晶長達(dá)38.44 mm，這也從另一個(gè)角度說明了鋼錠的純凈程度。

(4)觀察到一種特殊現(xiàn)象：一個(gè)晶粒完全被另外一個(gè)晶粒包圍著，這種現(xiàn)象與靜態(tài)再結(jié)晶中發(fā)生在晶粒內(nèi)部的再結(jié)晶相似，尚無解釋，有待以后進(jìn)一步研究。

2 高溫?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

將試樣在高溫電阻爐內(nèi)分別加熱到1 000℃、1 100℃、1 200℃、1 250℃，每個(gè)溫度下設(shè)4個(gè)不同的保溫時(shí)間0.5 h、1 h、3 h、20 h ，從爐中取出后后立刻水淬。其中溫度的取值聯(lián)系實(shí)際工藝，沒有列出過低的無意義的溫度。根據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究，保溫20 h時(shí)低倍組織已很均勻，故保溫時(shí)間選擇20 h以內(nèi)。

腐蝕劑選用100 ml過飽和的苦味酸水溶液體+2 ml的洗潔精，恒溫40℃下腐蝕1 min左右。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將上述腐蝕后的試樣用掃描儀掃描得到下面照片(即沒有放大倍數(shù))，見圖6。

經(jīng)分析，進(jìn)一步確定鋼錠的原始組織為粒狀貝氏體，由圖6的(a)、(b)、(c)、(d)與試樣的原始組織(圖4)對(duì)比，可看出隨著保溫時(shí)間的延長組織間亮度差逐漸減少，組織越來越均勻，這符合一般的擴(kuò)散機(jī)理。

將腐蝕后的試樣在電子顯微鏡下放大100倍觀察并拍照，見圖7。

用金相分析軟件MIAPS-M可測(cè)得所有試樣的晶粒大小，其規(guī)律見圖8所示。

圖6 腐蝕后的試樣組織狀態(tài)Figure 6 Organization of sample after corrosion

圖7 不同條件下的金相照片F(xiàn)igure 7 The pictures in different conditions

圖8 晶粒大小規(guī)律Figure 8 The rule of grain size

2.3 原因分析

分析圖7及晶粒度規(guī)律圖8可發(fā)現(xiàn)：

(1)由于材料經(jīng)淬火后可盡可能的保留高溫下的組織形態(tài)，故腐蝕后觀察到的組織狀況可認(rèn)為是由加熱與保溫造成的結(jié)果。隨著加熱溫度的升高、保溫時(shí)間的延長，晶粒逐漸長大。這可解釋為：本材料是可以發(fā)生固態(tài)相變的材料，在高溫下發(fā)生再結(jié)晶，隨著保溫時(shí)間的延長，發(fā)生新晶粒產(chǎn)生及長大過程，保溫時(shí)間越長晶粒越大。晶粒在0.5 h時(shí)比在1 h大，可認(rèn)為是原始大晶粒的破碎和新晶粒尚未充分長大兩個(gè)原因共同造成的。

(2)晶粒大小差異不大，原因是試樣較小，可以被熱透，新生的晶粒有足夠的能量進(jìn)行長大。試樣有少量殘余的奧氏體，部分存在混晶。

3 結(jié)論

(1)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼作為高純凈鋼，材料中夾雜很少，但晶粒粗大，幾乎沒有樹枝晶現(xiàn)象，主要是鋼錠凝固時(shí)熱流散發(fā)相反的方向以柱狀晶的形態(tài)存在。材料成分較均勻，鋼錠中間部位有大量空洞及長寬很大的斷面狀裂紋，這是個(gè)很嚴(yán)重的問題。

(2) 高溫?cái)U(kuò)散后組織的狀態(tài)是由加熱溫度與保溫時(shí)間共同造成的結(jié)果。由于再結(jié)晶的原因，隨著加熱溫度的升高、保溫時(shí)間的延長，晶粒逐漸變大，但總體晶粒較細(xì)，晶粒大小差異不大。原因是試樣較小，可以被熱透，新生的晶粒有足夠的能量進(jìn)行長大。

(3)觀察到一種特殊現(xiàn)象：一個(gè)晶粒完全被另外一個(gè)晶粒包圍著，這種現(xiàn)象與靜態(tài)再結(jié)晶中發(fā)生在晶粒內(nèi)部的再結(jié)晶相似，尚無解釋，有待日后進(jìn)一步研究。

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