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第 卷 第 期 年 月 f畅 r畅 25Cr2Ni4MoV 钢大型锻件的组织与力学性能 谭立军 ， ， 王峻乔， 王庆群， 陈新龙， 周思柱 （中石化石油工程机械有限公司 第四机械厂博士后工作站，湖北 荆州 ； 长江大学 博士后流动站，湖北 荆州 ） 摘要：石油机械高端材料 钢大型锻件中心易出现混晶和粗晶组织，致使其力学性能波动较大。 本文研究了消除 钢混晶及粗晶组织的工艺。 结果表明， 钢的晶界遗传性严重程度高于其组织遗传性，即使原始奥氏体 晶粒度为 级，也可以通过预处理加正火处理将其细化至 级，而通过锻造加合适的热处理可将其细化至 级，因而大大提高材料 的强韧性。 研究同时指出，要彻底消除 钢的混晶组织及粗晶组织，关键在于控制好生产中的 个环节。 关键词： 钢；混晶组织；晶粒遗传；晶界遗传；力学性能 中图分类号：TG142 1 文献标志码：A 文章编号：0254- 6051（2014）01- 0128- 04 Microstructure and mechanical properties of 25Cr2Ni4MoV steel large forgings ， ， ， ， ， （- ， ， ， ， ， ； - ， ， ， ） Abstract： 摧 ， ， ， - Key words： ； ； ； ； 收稿日期：- - 基金项目：国家“十二五”重大专项（） 作者简介：谭立军（），男，湖北荆州人，讲师，主要研究方向为金属 材料成型及热处理，已发表论文 篇。 联系电话：- ，- ： 钢由于其良好的强韧性而被广泛应 用于国防及石油机械等重要领域。 但是，同其它 - - - 钢一样 - ， 钢在实际生产中由 于其强烈的晶粒遗传性和晶界遗传性，经常出现混晶 组织和粗晶组织，严重影响了材料的力学性能稳定性。 钢力学性能不稳定主要表现为其冲击性 能波动较大，导致构件的疲劳寿命不稳定，有时甚至出 现倍数关系。 本文针对石油机械领域 钢大型锻 件中心易出现混晶组织及粗晶组织的问题，研究了多 种热处理及锻造加后续热处理对 钢显 微组 织 及 力学性能的影 响。 根 据 研 究 结 果， 对 钢大型锻件的生产工艺进行了优化，解 决了石油机械领域某大型关键结构件显微组织不一致 及力学性能不稳定的难题。 试验材料与方法 1 1 试验材料 试验材料为 钢，取自某大型锻件， 其主要化学成分见表。 试验钢的生产工艺为真空冶 炼铸锭锻造正火扩氢退火调质。 试验钢的 临界点温度为： ， 。 表1 25Cr2Ni4MoV 钢的化学成分（质量分数，） Table 1 Chemical composition of 25Cr2Ni4MoV steel （wt） j L V L . 8 . $ 余量 1 2 试验方法 为了模拟获得大型锻件心部的粗晶组织，将部分 试样进行 的粗化处理，出炉后水冷至室 温，使其主要为马氏体组织。 取部分粗化后的试样重 新加热至不同温度后在液压机上进行锻造工艺试验， 研究热变形对晶粒度的影响。 对上述粗化处理及粗化 处理 锻造的试样进行热处理试验，研究热处理工艺 对显微组织与力学性能的影响。 不同的热处理工艺如 表 所示。 试样进行不同处理后，进行拉伸与冲击试 第 期谭立军，等： 钢大型锻件的组织与力学性能 l 验。 拉伸试验在 - 型电液伺服万能试验机上进 行，试棒中心尺寸为 矱 ，标距为 。 冲击 试验在型号为 的金属摆锤冲击试验机上进 行，试样尺寸为 ， 型缺口深 度为 ；冲击试验包括室温冲击试验（ ）与低 温冲击试验（ ）。 力学性能试验条件均依据 - 标准执行。 表2 25Cr2Ni4MoV 钢的热处理工艺 Table 2 Heat treatment processes of the 25Cr2Ni4MoV steel 代号 处理工艺 水冷 空冷 空冷 空冷 空冷 试验结果与分析 2 1 试验结果与讨论 钢经粗化处理后的显微组织见 图。 由图 可以看出，该组织为典型的魏氏体组织。 评级结果表明，该组织的奥氏体晶粒度为 级，属于过 热程度较严重的组织。 图 粗化处理后 钢的显微组织 景勤等 的研究认为，- - - 钢的组织遗传 性可以通过高温回火加临界区高温侧正火消除，其理 论依据为高温长时间回火可以促进残留奥氏体薄膜的 分解，而临界区高温侧正火可以进一步促进残留奥氏 体分解，并使铁素体组织发生回复再结晶和形成部分 粒状奥氏体。 对于上述观点，宋传宝等 进行了验证 试验， 并 提 出 了 前 处 理 工 艺 试 验， 明 显 细 化 了 钢的奥氏体晶粒。 本文根据上述研究成 果与理论，结合石油机械某大型锻件对材料提出的高 强度高韧性要求，进行了各种热处理方案的综合验证 试验，检验上述各种理论对 钢显微组织 与力学性能的影响，并试图结合热变形工艺找出细化 钢大型锻件心部显微组织的方法。 进行 晶粒度检测与力学性能检测前，对试样进行相同的调 质处理（ 水冷 空冷）。 具 体试验方案及晶粒度结果见表 ，力学性能测试结果 见表。 表 3 晶粒细化试验方案及结果 Table 3 Schemes and results of grain fined tests 试样编号热处理及锻造工艺晶粒度 级 档 蝌 档 P P P P 始锻 终锻 P 始锻 终锻 P 始锻 终锻 档 始锻 终锻 档 表4 不同处理状态下25Cr2Ni4MoV 钢的力学性能 Table 4 Mechanical properties of 25Cr2Ni4MoV steel under different treatments 状态 R R A Z KV KV 调质鞍换u 痧X 调质 鞍换墘 X 锻造 调质 鞍换墘 l 由表 可知， 钢在出现粗晶组织后， 通过进行 - 个工序的热处理，很难改变其粗晶本质， 而采用宋传宝等 提出的前处理工艺时，虽能明显细 化晶粒，但工序复杂，会使得生产成本大幅度升高；同 时，由于大型锻件心部冷却速率较慢，这种前处理工序 使用效果有待检验。 由表 可以看出，在粗晶状态下， 钢的冲击吸收能量很低，虽然前处理工 艺能使其大幅度提高，但依然远不及进行热变形后的 冲击吸收能量。 图 为各不同试验方案处理后的试验钢显微组 织，结合表 中各种试验方案所得到的奥氏体晶粒结 果可知， 钢具有很强的组织遗传性。 进 行粗化处理后，直接进行正火处理时（表 中 号试 样），虽然显微组织稍有细化，但是组织中出现了混晶 （见图 （），显微组织依然具有明显的魏氏组织特 l 第 卷 图 钢不同状态下的显微组织 （） 号试样；（） 号试样；（） 号试样；（） 号试样；（） 号试样；（） 号试样 （） ； （） ； （） ； （） ； （） ； （） 征。 若粗化后直接进行回火处理（表 中 号试样）， 显微组织中残留奥氏体含量明显减少，原始板条状马 氏体转变成条状铁素体，并且部分铁素体发生了再结 晶，形成了以铁素体为基体的回火索氏体组织（见图 （）。 粗化后进行退火处理时（表 中 号试样），在 原粗大奥氏体晶界上出现了极少量的再结晶奥氏体晶 粒，原始奥氏体晶界逐渐趋于模糊（见图 （）。 粗 化后先进行回火（表 中 号试样）或者退火（表 中 号试样），再进行正火处理时，奥氏体晶粒明显细化， 但是组织中混晶现象依然无法完全消除（见图 （）。 相对于退火加正火处理，回火加正火处理所得 到的组织较为细小，这是由于 钢进行高 温回火处理时，显微组织中主要发生的变化是马氏体 及残留奥氏体的分解，在马氏体转变成铁素体后，铁素 体还能发生再结晶，因此，在很大程度上破坏了原始马 氏体与母相的位向关系。 而 钢在粗化 后直接进行退火处理时，虽然马氏体发生了转变，但是 在该温度下（ ）片状奥氏体容易形成，这为晶界 遗传性埋下了伏笔。 大量研究也表明 - ，合金钢的 组织遗传性很大程度上起源于条状马氏体间残留奥氏 体薄膜在高温下的快速生长。 综上可以看出，在正火 前进行充分的高温回火处理对于 钢的 晶粒细化具有积极作用。 钢粗化后进行高温回火 退火 正 火处理时（表 中 号试样），奥氏体晶粒进一步细 化，经正火后继续在 温度进行退火时（表 中 号 试样），得到的奥氏体晶粒更加细小（见图 （），这 是由于先进行高温回火再进行退火时，由于残留奥氏 体薄膜已分解，片状 针状奥氏体很难形成，组织中主 要形成的是粒状奥氏体；高温回火时生成的碳化物还 可以促进奥氏体形核并阻碍奥氏体晶粒长大；正火阶 段冷却过程中组织中会产生较大的残余应力，继续进 行退火时，会促进奥氏体发生再结晶，因此组织进一步 得到细化。 从表 及图（） （）还可以看出，在各种 热处理状态下，粗化后的奥氏体晶界（见图（） （） 中箭头所指） 很难通过热处理的方法完全消除，即 钢的组织遗传性虽然可以通过热处理的 方法打断，但是其晶界遗传性严重程度更高，通过热处 理的方式无法完全消除。 表 中的 号试样的试验方案是根据 钢的实际生产情况而设定的，其目的是 为了研究两种常用锻造工艺及两种常用锻后热处理工 艺对 钢晶粒度的影响。 对比表 中 、 号试样的试验结果可以看出，在锻后相同的热处理 条件下，始锻温度及终锻温度越高， 钢的 晶粒越粗，其混晶现象越严重，并且在大型锻件中心还 常出现晶粒度为 级的魏氏组织。 这是由于始锻温度 较高时，材料的原始组织更加粗大，而在高温状态下， 第 期谭立军，等： 钢大型锻件的组织与力学性能 l 材料更容易发生高温回复作用，动态再结晶程度相对 较低，因此，当终锻温度也较高时，材料内部可能由于 过热而导致晶粒粗化。 对比表 中 号及 号试样可以看出，当锻造工 艺相同，而锻后先利用锻造余热直接进行正火，再进行 高温回火时， 钢的奥氏体晶粒明显较粗， 并且有混晶组织。 这是由于 钢在锻后 处于亚稳定状态，直接热送正火时，一方面，原奥氏体 薄膜并未完全消失，晶粒遗传性未被切断，可以快速形 成较粗大的奥氏体晶粒；另一方面，组织中无二次相阻 碍再结晶奥氏体晶粒的长大。 锻后先进行高温回火， 再进行正火处理时，这些组织缺陷在该环节可以有效 避免。 从表 中 号试样的试验方案及晶粒度可以看 出，即使 钢粗化后，通过锻造加合适的后 续热 处 理， 依 然 可 以 将 其 超 细 化， 这 是 由 于 钢的粗大组织进行较大程度的热变形时， 原始粗大的奥氏体晶粒的晶界受强烈的变形而遭到破 坏，在锻造过程中材料还能发生再结晶，晶界面积大大 增加，因此，晶界上夹杂物及偏析程度降低，被分离成了 更多相对独立的小单元，在破坏了遗传性的同时，还可 以作为新奥氏体相的再结晶核心（见图（）。 研究中还发现，虽然调质处理可以进一步细化 钢的奥氏体晶粒，但是在正火后直接进 行高温调质处理时，在原始状态下具有粗大晶界的 钢依然具有晶界遗传性，而通过在高温 调质前进行一定时间的高温回火处理，其晶界遗传性 明显减轻。 这说明了 钢处于有序亚稳 定状态时，不能直接使其进入高温处理（高于 ）生 产环节，这与其他学者 的研究结果一致。 2 2 生产工艺分析与优化结果 根据上述研究成果，对石油机械用某关键大型结 构锻件的生产工艺进行了优化。 优化前的工艺流程 为：锻造（ 始锻 终锻）正火回火 调质，所得到的显微组织为 级晶粒， 级晶 粒，锻件中心晶粒度 级。 优化后的工艺流程 为锻造（ 始锻 终锻）扩氢退火（同时 起高温回火作用）临界区正火正常正火临界区 正火回火调质，所得到的试制大型锻件中心晶粒 度为 级，满足了生产需求。 结论 ） 钢具有很强的组织遗传性及晶 界遗传性。 钢的组织遗传性通过热处理 的方法可以在很大程度上消除，但是其晶界遗传性很 难通过热处理的方法完全消除。 粗晶及混晶组织强烈 降低 钢的塑性和冲击性能。 ） 合适的锻造工艺能够完全细化 钢 的晶粒，通过配以合适的后续热处理工艺， 钢的晶粒可实现超细化。 ） 防止 钢出现混晶及粗晶组织需要 同时控制好 个重要环节：第一，始锻温度及终锻温度 均不能太高；第二，锻造后应在正常正火前先进行高温 回火处理；第三，调质处理前应进行回火或者退火处理。 致谢：本试验得到了中石化石油工程机械有限公 司第四机械厂博士后工作站胡征育高级工程师及李安 民工程师的热心指导和帮助，在此表示感谢！ 参考文献： 崔占全 转子钢的奥氏体再结晶及其消除组织遗传 钢铁， ， （）： - 赵勇桃， 刘宗昌， 王玉峰 钢的混晶及消除措施 金属热处理， ， （）： - 郦定强， 胡德林， 贾东升 钢中奥氏体晶界遗传现象 热加工工艺， ， （）： - 杨 慧， 刘宗昌， 王玉峰 等 钢的混晶及防止方法 金属热处理， ， （）： - 胡德林， 张 帆， 郦定强， 等钢中奥氏体晶界遗传性再探讨 金属热处理， ， （）： - 景 勤， 牟 军， 康大韬 钢组织遗传与晶粒细化工 艺的研究金属热处理， ， （）： - 宋传宝， 金嘉瑜， 刘志颖 汽轮机低压转子晶粒细化与均匀 化的热处理工艺方法研究大型铸锻件， ， （）： - 知识窗稀土元素加快氮碳共渗速度的原因 稀土元素有很低的电负性和高的化学活性，与 、 可能发生强烈的化学反应，其加入可促进高分子的键链破坏，促使氨和乙 醇的热分解更加完全，生成较多的、原子，活化炉气，从而强化其氮碳共渗的动力学过程。 稀土元素的原子半径远大于铁，只 能渗