文／鄧軍，史翔煒，潘曉東·南京博大重型鍛造有限公司

大型鍛件的晶粒細化研究

文／鄧軍，史翔煒，潘曉東·南京博大重型鍛造有限公司

在生產(chǎn)大型12Cr2Mo1閥蓋鍛件時，鍛造后發(fā)現(xiàn)鍛件晶粒粗大、超聲波探傷性較差，為解決此類問題我們提出了兩種熱處理解決方案，并對兩種方案鍛件晶粒度的改善情況進行了對比，最終發(fā)現(xiàn)控制形核重結(jié)晶的熱處理方案在解決此類問題時更具優(yōu)勢。

我公司近期為國內(nèi)某機械公司生產(chǎn)了一批大型12Cr2Mo1閥蓋鍛件(圖1），鍛件重量為8130kg。鍛件經(jīng)鍛造、鍛后熱處理后UT探傷，發(fā)現(xiàn)有大量草狀波，聲波訊號衰減，底波降低量超標，判定為鍛件內(nèi)部晶粒粗大。

問題分析

大型鍛件冶煉、鍛造的特點

大型鍛件由于原始鋼錠尺寸巨大，結(jié)晶過程緩慢，因而鑄造組織異常粗大，鍛造周期長，加熱次數(shù)多，而且鍛比小，變形分布不均，加熱速度慢，在高溫區(qū)停留時間很長，并有無鍛比加熱現(xiàn)象存在，再加之某些重要大鍛件用鋼的組織遺傳傾向還十分強烈等，故往往在鍛造之后鍛件內(nèi)部晶粒十分粗大而且很不均勻。

為了全面提高大型鍛件的性能水平、降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度、改善其超聲波探傷性能，必須使鍛件內(nèi)部晶粒組織細化和均勻。

問題產(chǎn)品的選材及相關生產(chǎn)流程的分析

圖1 閥蓋鍛件圖

針對此批12Cr2Mo1閥蓋鍛件，在對各項實際生產(chǎn)資料分析后發(fā)現(xiàn)，鍛件形狀不規(guī)則，臺階差大，由于水壓機成形的特殊性，最后一火是利用漏盤模具成形的臺階，最后一火變形量小(小端甚至不變形）、終鍛溫度高等，分析后我們認為這些因素很可能就是導致鍛件內(nèi)部晶粒粗大的直接原因。

另外，12Cr2Mo1材料過冷奧氏體相對穩(wěn)定且具有較為明顯的組織遺傳特性，故原始的粗大奧氏體晶粒和鋼錠的各種偏析在經(jīng)過鍛造、奧氏體化重結(jié)晶后依然全部或部分地被保留了下來。這種遺傳現(xiàn)象，再加上上述的一些客觀因素對鍛造成形方式的限制，最終造成了鍛件內(nèi)部晶粒組織的嚴重粗大。

■ 表1 12Cr2Mo1閥蓋鍛件原材料的化學成分

■ 表2 熱處理臨界點參數(shù)

圖3 熱處理方案2

兩種細化晶粒的熱處理解決方案

原材料化學成分與熱處理臨界點參數(shù)

此批12Cr2Mo1閥蓋鍛件原材料的化學成分檢驗結(jié)果見表1，熱處理臨界點參數(shù)見表2。依此判定，最合理的奧氏體化溫度為900～930℃。

常規(guī)重結(jié)晶與控制形核重結(jié)晶熱處理解決方案

經(jīng)分析我們認為，大型鍛件內(nèi)部晶粒組織粗大的主要解決手段為加快奧氏體化轉(zhuǎn)變的溫升和進行多次奧氏體化重結(jié)晶。而對于我公司生產(chǎn)的這批12Cr2Mo1閥蓋鍛件來說，加熱速度已達到實際應用的極限，無再大幅提升的可能，因此通過一次或多次的有效形核和重結(jié)晶來控制晶粒細化的過程才是更為有效的解決方式。

為此，在常規(guī)細化晶粒的熱處理工藝基礎上我們進行了一批控制形核的細化工藝，提出了兩種熱處理方案，具體操作如下：相同的問題鍛件4件，編號A、B與C、D，分為兩組分別采用這兩種不同的熱處理方案進行晶粒細化。

熱處理方案1的工藝曲線如圖2所示，熱處理方案2的工藝曲線如圖3所示。

兩種熱處理方案的結(jié)果對比

A、B兩件采用熱處理方案1，經(jīng)一次處理后鍛件粗晶情況幾乎無改善；反復按此工藝執(zhí)行2～3次，超聲波探傷見草狀波有所減少，鍛件部分區(qū)域具備可探性。

C、D兩件采用熱處理方案2，經(jīng)一次處理后鍛件粗晶情況完全改善，草狀波完全消失，本體全部具備可探性，內(nèi)部晶粒得到了有效的細化。

結(jié)束語

12Cr2Mo1材料的組織遺傳特性雖然比Cr-Ni-Mo-V系等高淬透性鋼種的遺傳程度輕微，但是在鍛造過程受到成形方式的限制，或鍛造溫度和變形情況控制不當時，仍然會出現(xiàn)嚴重的遺傳現(xiàn)象。采用常規(guī)重結(jié)晶(熱處理方案1）的方式，不能有效地改善遺傳晶粒；而采用控制形核重結(jié)晶(熱處理方案2）的方式，使鍛件經(jīng)過在兩相區(qū)上沿的不完全奧氏體化轉(zhuǎn)變過程，可使核心得到強化，經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變，在此基礎上再進行重新奧氏體化，便可得到更為細化的奧氏體晶粒，從而使鍛件內(nèi)部晶粒組織粗大的問題得到徹底解決。

鄧軍，技術部副部長，熱處理工程師，主要從事核電、軍工、壓力容器、冶金等各行業(yè)用大型鍛件的熱處理工藝研究和開發(fā)工作，擁有4項發(fā)明專利和1項實用新型專利。