秦尚武 黨淑娥 侯 微 劉建生

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

多次降梯加熱對(duì)30Cr2Ni4MoV鋼晶粒大小的影響

秦尚武 黨淑娥 侯 微 劉建生

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

本文以低壓轉(zhuǎn)子鋼30Cr2Ni4MoV為研究對(duì)象，將其粗大非平衡組織多次降梯加熱后，保溫適當(dāng)時(shí)間后淬火，分析不同工藝參數(shù)對(duì)奧氏體晶粒大小的影響，揭示其消除組織遺傳的機(jī)理。結(jié)果表明，在α相發(fā)生完全再結(jié)晶的條件下，進(jìn)行多次降梯高溫加熱，晶粒更加細(xì)小均勻，可以有效切斷組織遺傳；多次降梯加熱過(guò)程中，降溫梯度、最后加熱溫度及加熱次數(shù)均會(huì)不同程度影響奧氏體晶粒細(xì)化程度，而最后加熱溫度對(duì)晶粒細(xì)化起主要作用。

30Cr2Ni4MoV鋼；低壓轉(zhuǎn)子；降溫梯度；消除組織遺傳；細(xì)化晶粒

30Cr2Ni4MoV鋼是大型汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子用鋼，熱加工過(guò)程具有強(qiáng)烈組織遺傳效應(yīng)，造成混晶，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼的塑韌性降低，影響其使用性能[1-3]。相關(guān)研究認(rèn)為[4]，30Cr2Ni4MoV鋼粗大非平衡組織重新加熱奧氏體化過(guò)程中，無(wú)論奧氏體是針狀形核還是球狀形核，當(dāng)α相未發(fā)生完全再結(jié)晶時(shí)，其長(zhǎng)大都具有不同程度的取向性，從而造成30Cr2Ni4MoV低壓轉(zhuǎn)子鋼的組織遺傳。

基于該材料的組織遺傳機(jī)理，本文將其鍛態(tài)組織進(jìn)行粗化處理以獲得非平衡粗大馬氏體組織，然后進(jìn)行多次降梯加熱淬火，分析其對(duì)細(xì)化奧氏體晶粒的影響及其消除組織遺傳的機(jī)理，為30Cr2Ni4MoV低壓轉(zhuǎn)子鋼鍛后熱處理晶粒細(xì)化工藝的制定提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為鍛態(tài)30Cr2Ni4MoV汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子用鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。利用Gleeble熱模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)得其Ac1和Ac3分別為680℃和783℃。

為了獲得該材料的粗大非平衡馬氏體組織，將15 mm×15 mm×20 mm的試樣加熱至1 100℃，保溫2 h，水淬，粗化后的晶粒形貌見(jiàn)圖1。

然后將粗化后試樣分別單次加熱(910℃、930℃、950℃、970℃、1 000℃)、淬火、降溫多次加熱、淬火(T1=950℃+930℃+910℃+870℃，T2=970℃+950℃+930℃+910℃，T3=1 000℃+970℃+950℃+930，T4=1 000℃+970℃+930℃+870℃)，以上保溫時(shí)間均為2 h。利用過(guò)飽和苦味酸溶液和4%硝酸酒精溶液腐蝕獲得其晶粒與組織形貌，分析熱處理工藝參數(shù)對(duì)奧氏體晶粒大小的影響及規(guī)律。工藝曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖2、圖3。

表1 30Cr2Ni4MoV 鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table1 Chemical compositions of 30Cr2Ni4MoV steel (mass fraction, %)

圖1 30Cr2Ni4MoV鋼粗化后的晶粒形貌Figure 1 Grain morphology of 30Cr2Ni4MoV steel after coarsening

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4為試樣分別加熱到910℃×2 h、930℃×2 h、950℃×2 h、970×2 h、1 000℃×2 h淬火，并經(jīng)過(guò)飽和苦味酸腐蝕后的晶粒形貌。在圖4(a)、4(b)中，原粗大奧氏體晶界已基本消失，新形成的奧氏體晶粒形態(tài)也由長(zhǎng)島狀逐漸變?yōu)榈容S狀。在930℃時(shí)，奧氏體晶核長(zhǎng)大取向性已變得不明顯，見(jiàn)圖4(b)。隨著加熱溫度升高，晶界趨于平直，同時(shí)伴有晶粒長(zhǎng)大，但晶粒大小的不均勻現(xiàn)象依然存在，見(jiàn)圖4(c)、圖4(d)、圖4(e)。

T表示：910℃、930℃、950℃、970℃、1 000℃圖2 粗化后的試樣加熱到不同溫度淬火工藝曲線(xiàn)圖Figure 2 Quenching process curves of the post coarsening samples heated to different temperatures

圖5為試樣分別加熱950℃×2 h+930℃×2 h+910℃×2 h+870℃×2 h淬火，并經(jīng)過(guò)飽和苦味酸腐蝕后的晶粒形貌。由圖5(a)可以看出，奧氏體晶粒大小分布不均勻，明顯看到有呈不規(guī)則或呈長(zhǎng)條狀的大晶粒，也有極細(xì)小的等軸狀晶?；蚓奂?、或分散在大晶粒晶界上，且大小晶粒尺寸差異較大；當(dāng)加熱次數(shù)增加，溫度降低，大晶粒尺寸有所減小，形狀趨于等軸化，細(xì)小等軸狀晶粒趨于均勻化，見(jiàn)圖5(b)；隨加熱次數(shù)增加，當(dāng)溫度降為910℃時(shí)，大晶粒尺寸繼續(xù)減小，細(xì)小等軸狀晶粒也有所長(zhǎng)大，大小晶粒分布趨于均勻化，晶粒度達(dá)8級(jí)，見(jiàn)圖5(c)；當(dāng)加熱次數(shù)增加為4次、溫度降為870℃時(shí)，奧氏體晶粒尺寸繼續(xù)減小且均勻化，見(jiàn)圖5(d)。

圖6為試樣分別加熱970℃×2 h+950℃×2 h+930℃×2 h+910℃×2 h淬火，并經(jīng)過(guò)飽和苦味酸腐蝕后的晶粒形貌。由圖6(a)可知，奧氏體晶粒大小隨著初始加熱溫度升高分布較均勻，明顯看到長(zhǎng)條狀的大晶粒變得圓潤(rùn)，更多的等軸狀晶?；蚓奂⒒蚍稚⒃诖缶Я＞Ы缟?，且大小晶粒尺寸差異變??；當(dāng)加熱次數(shù)增加，溫度降低，大部分晶粒尺寸有所減小，形狀趨于等軸化，見(jiàn)圖6(b)；隨著加熱次數(shù)增加，而溫度降為930℃時(shí)，晶粒尺寸繼續(xù)減小，細(xì)小等軸狀晶粒也有所增多，晶粒分布趨于均勻化，見(jiàn)圖6(c)；當(dāng)加熱次數(shù)增加為4次、溫度降為910℃時(shí)，明顯觀察到奧氏體晶粒變得更加細(xì)小、均勻。

圖7為試樣分別加熱1 000℃×2 h+970℃×2 h+950℃×2 h+930℃×2 h淬火，并經(jīng)過(guò)飽和苦味酸腐蝕后的晶粒形貌。由圖7(a)可以看出，奧氏體晶粒明顯趨于等軸狀，但依然有大小晶粒的尺寸差異；當(dāng)加熱次數(shù)增加，溫度降低，大晶粒尺寸有所減小，小晶粒尺寸有所增大，大小晶粒形狀更趨于等軸化，見(jiàn)圖7(b)、圖7(c)；當(dāng)加熱次數(shù)增加為4次、溫度降為930℃時(shí)，奧氏體晶粒尺寸急劇減小且均勻化，測(cè)得其晶粒度等級(jí)為8.1級(jí)，見(jiàn)圖7(d)。

(a)910℃

(b)930℃

(c)950℃

(d)970℃

(e)1 000℃圖4 30Cr2Ni4MoV鋼加熱到不同溫度的晶粒形貌Figure 4 Grain morphology of 30Cr2Ni4MoV steel heated to different temperatures

(a)一次降梯

(b)二次降梯

(c)三次降梯

(d)四次降梯圖5 30Cr2Ni4MoV鋼在950℃+930℃+ 910℃+870℃多次降梯的晶粒形貌Figure 5 Grain morphology of 30Cr2Ni4MoV steel after multiple descending heating at 950℃+930℃+910℃+870℃

圖8為試樣分別加熱1000℃×2h+970℃×2 h+930℃×2 h+870℃×2 h 淬火，并經(jīng)過(guò)飽和苦味酸腐蝕后的晶粒形貌。與圖6進(jìn)行對(duì)比，增加降溫梯度，隨著加熱次數(shù)增加，而溫度降為930℃時(shí)，晶粒尺寸變得更加細(xì)小，等軸狀晶粒有所增多，晶粒分布更加均勻，見(jiàn)圖8(a)，并測(cè)得此時(shí)晶粒度等級(jí)為6.3級(jí)；當(dāng)加熱溫度降為870℃時(shí)，奧氏體晶粒更加細(xì)小均勻，測(cè)得其晶粒度等級(jí)為8.5級(jí)，見(jiàn)圖8(b)。

(a)一次

(b)二次

(c)三次

(d)四次圖6 30Cr2Ni4MoV鋼在970℃+950℃+930℃+910℃降階多次的晶粒形貌Figure 6 Grain morphology of 30Cr2Ni4MoV steel after multiple descending heating at 970℃+950℃+930℃+910℃

(a)一次

(b)二次

(c)三次

(d)四次圖7 30Cr2Ni4MoV鋼在1 000℃+970℃+950℃+930℃降階多次的晶粒形貌Figure 7 Grain morphology of 30Cr2Ni4MoV steel after multiple descending heating at 1 000℃+970℃+950℃+930℃

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

30Cr2Ni4MoV非平衡組織重新加熱奧氏體化過(guò)程中，當(dāng)加熱至Ac1以下時(shí)，非平衡組織經(jīng)歷的類(lèi)回火階段并未發(fā)生α相的回復(fù)與完全再結(jié)晶，板條狀形貌保留下來(lái)；當(dāng)加熱至接近Ac1時(shí)，由于未溶碳化物第二相的存在，對(duì)α相的板條束界起到釘扎作用，使得其再結(jié)晶溫度升高[5]；當(dāng)加熱至Ac1以上時(shí)，由于板條α相束界碳化物第二相逐漸析出，為針狀?yuàn)W氏體形核及其長(zhǎng)大提供了基礎(chǔ)[6]；隨著溫度升高，在大角度晶界上原子排列不規(guī)則，晶體取向不明顯，F(xiàn)e原子擴(kuò)散，從而形成球狀?yuàn)W氏體晶核，而原板條α相的束界上仍有少量針狀?yuàn)W氏體晶核存在；溫度繼續(xù)升高，基體中的α相并未發(fā)生完全再結(jié)晶，奧氏體晶核依舊在大角度晶界上以球狀形核存在，仍具有一定取向[7]。溫度升高至Ac3以上時(shí)，由于α相完全再結(jié)晶，球狀?yuàn)W氏體晶核長(zhǎng)大的取向性消失，逐漸變得均勻，趨于等軸狀，不造成組織遺傳[8]。

(a)三次

(b)四次圖8 30Cr2Ni4MoV鋼在1 000℃+970℃+930℃+870℃降階多次的晶粒形貌Figure 8 Grain morphology of 30Cr2Ni4MoV steel after multiple descending heating at 1 000℃+970℃+930℃+870℃

非平衡組織重新加熱奧氏體化過(guò)程中，α相的完全再結(jié)晶與否，決定了新形成奧氏體晶核長(zhǎng)大是否呈現(xiàn)一定取向性。而奧氏體重結(jié)晶是個(gè)熱激活的過(guò)程，重結(jié)晶數(shù)量、長(zhǎng)大速度和晶粒大小主要受溫度影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得，基本上只有球狀?yuàn)W氏體晶核形成，在加熱溫度為910℃時(shí)，α相向γ相轉(zhuǎn)變基本完成，奧氏體晶核呈長(zhǎng)島狀，見(jiàn)圖4(a)。隨加熱溫度升高，α相再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力增大，且釘扎于板條束界的難溶碳化物漸漸溶解，使鞏固板條束形態(tài)的作用逐漸減弱。即隨過(guò)熱度增加，α相開(kāi)始發(fā)生再結(jié)晶，晶粒內(nèi)部固定取向關(guān)系被打亂，使形成的球狀?yuàn)W氏體晶粒在長(zhǎng)大過(guò)程中失去了板條束的限制，向四周等幾率長(zhǎng)大，由長(zhǎng)島狀逐漸變?yōu)榈容S狀，奧氏體晶粒均勻長(zhǎng)大。

(a)950℃+930℃+910℃+870℃

(b)970℃+950℃+930℃+910℃

(c)1 000℃+970℃+950℃+930℃

(d)1 000℃+970℃+930℃+870℃圖9 多次降梯高溫加熱工藝下的晶粒等級(jí)柱狀圖Figure 9 Grain grade histograms after multiple descending heating at high temperatures

奧氏體再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力是相變硬化應(yīng)變能，為了使馬氏體相變充分進(jìn)行，再結(jié)晶加熱前需要進(jìn)行必要的過(guò)冷[9]。加熱相變一次產(chǎn)生一定大小的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力，將使鋼在隨后高溫加熱時(shí)，α相可以發(fā)生再結(jié)晶，使奧氏體晶粒得到一次細(xì)化，進(jìn)一步細(xì)化需要進(jìn)行再一次加熱相變，所以?shī)W氏體重結(jié)晶必須進(jìn)行多次加熱細(xì)化。當(dāng)加熱溫度為950℃、970℃、1 000℃時(shí)，α相已發(fā)生完全再結(jié)晶，奧氏體晶粒均呈等軸狀，大小規(guī)則相對(duì)均勻，未發(fā)生組織遺傳，見(jiàn)圖5(a)、圖6(a)、圖7(a)，但晶粒尺寸未能達(dá)到實(shí)際使用要求。進(jìn)行多次降梯高溫加熱時(shí)，加熱溫度依次降低，需要的再結(jié)晶相變應(yīng)變能減少，再次加熱重結(jié)晶能得到細(xì)化的奧氏體晶粒，見(jiàn)圖5(d)、圖6(d)、圖7(d)。不同工藝下的晶粒等級(jí)比較見(jiàn)圖9?？梢钥吹?，多次降梯加熱過(guò)程中，加熱溫度、降溫梯度與加熱次數(shù)均會(huì)影響最終晶粒細(xì)化的效果，而最終的加熱溫度是影響晶粒細(xì)化程度的最主要原因。最終加熱溫度越低，降溫梯度越大、加熱次數(shù)越多，晶粒等級(jí)越高。同時(shí)，一次加熱溫度較高時(shí)，降梯加熱四次才能達(dá)到一次加熱溫度較低時(shí)三次降梯加熱的晶粒細(xì)化效果；一次加熱溫度較低時(shí)，降梯加熱三、四次時(shí)晶粒等級(jí)的變化比一次加熱溫度較高時(shí)小。

一次加熱溫度為950℃時(shí)，α相已發(fā)生完全再結(jié)晶，奧氏體晶粒均呈等軸狀，大小規(guī)則均勻，再依次降梯加熱930℃×2 h以及910℃×2 h加熱后，晶粒已非常均勻細(xì)小，見(jiàn)圖5(c)。同時(shí)，考慮到30Cr2Ni4MoV鋼在實(shí)際工況下晶粒度的使用要求為8級(jí)左右，由圖9(a)可知，經(jīng)950℃×2 h 、930℃×2 h、910℃×2 h降梯加熱后，細(xì)化晶粒效果較好，已滿(mǎn)足實(shí)際的使用性能。

4 結(jié)論

(1)在α相發(fā)生完全再結(jié)晶的條件下，進(jìn)行多次降梯加熱，使得晶粒更加細(xì)小均勻化，可以有效切斷組織遺傳。

(2)在多次降溫過(guò)程中，隨加熱溫度降低，奧氏體晶粒呈明顯細(xì)化的趨勢(shì)。

(3)多次降梯加熱過(guò)程中，降溫梯度和最后加熱溫度是影響晶粒細(xì)化程度的最主要因素，而最后的加熱溫度起主要作用，并且950℃×2 h+930℃×2 h+910℃×2 h細(xì)化效果較好。

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編輯 陳秀娟

Effect of Multiple Descending Heating on Grain Size of 30Cr2Ni4MoV Steel

Qin Shangwu，Dang Shu′e，Hou Wei，Liu Jiansheng

Low pressure rotor steel 30Cr2Ni4MoV has been taken as the research object in this paper. Coarse and unbalanced microstructure is carried out quenching for several times after heating at the descending temperature and holding for a proper time at every turn. The influence of different processes parameters on austenite grain size has been analyzed to reveal the mechanism of the microstructure inheritance elimination. The result show that multiple descending heating at high temperature can make grain size finer and effectively cut microstructure inheritance whenαphase has been suffered complete recrystallization. During multiple descending heating, temperature gradient, final heating temperature and heating time will affect the degree of austenitic grain refinement in different extents, However, the final heating temperature plays a major role in grain refinement.

30Cr2Ni4MoV steel; low pressure rotor; temperature gradient; microstructure inheritance elimination; grain refinement

2016—08—01

國(guó)家自然科學(xué)基金51275330；山西省自然科學(xué)基金2012011022-4資助項(xiàng)目

秦尚武(1991—)，男，碩士，主要研究方向：關(guān)鍵大鍛件制造技術(shù)新理論。

黨淑娥(1965—)，女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：新材料成分設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化。

TG156.31

A