1Cr12Mo钢晶粒细化热处理工艺的研究

   针对1Cr12Mo耐热钢调质热处理后晶粒粗大的问题进行晶粒细化热处理工艺的研究。提出了多种晶粒细化热处理工艺方法，并对其处理结果进行比较。指出该材料最佳的晶粒细化热处理工艺是：两次亚温淬火＋高温回火工艺。1前言       晶粒度是大型铸锻件的一个重要验收指标。晶粒粗大不仅使大型锻件性能恶劣、寿命降低，而且使其在超声波探伤时出现草状波，声波信号迅速衰减，底波消失，以致无法通过超声波探伤对工件内部质量情况作出判断。为了全面提高大型铸锻件的性能水平、降低钢的脆性转变温度、改善其超声波探伤性能，必须使其晶粒细化和均匀。对于大多数由碳素钢或合金元素较少（钢的过冷奥氏体稳定性较差）的钢种制成的大型铸锻件来说，可对其实施退火、正火和调质处理，通过由α-Fe至γ-Fe和γ-Fe至α-Fe的相变重结晶即可使锻件内部的粗大晶粒得到细化。但是对于含Cr等合金元素较多的高淬透钢（如26Cr2Ni4MoV、34CrNi3Mo、20CrNi4、18Cr2Ni4Ｗ 等）来说，由于锻件冷却得到的往往是非平衡组织（贝氏体或马氏体），而且在重新加热通过临界区时又不可能获得较快的加热速度，便为粗大的原始晶粒恢复与遗传造成了比较充分的条件。所以对于由高淬透性钢制成的大型锻件，为了比较地改造和细化十分粗大的不均匀的原始奥氏体晶粒组织，往往需要采用比较复杂、费时的热处理工艺。我公司在生产1Cr12CrMo材料喷嘴组时，其热处理后晶粒粗大现象极为普遍，严重影响了产品质量；为此我们对如何细化晶粒进行了研究。21Cr12Mo钢喷嘴组的生产工艺及热处理性能结果    公司投产了两炉1Cr12CrMo钢喷嘴组，具体化学成分见表1，1Cr12CrMo钢喷嘴组具体尺寸见图1，力学性能要求见表2，生产工序如下：炼钢-锻造-锻后热处理-粗加工-超声波探伤-力学性能热处理-力学性能试验。该钢在我公司热处理后发现晶粒度过大，检验不合格。具体力学性能热处理工艺参数见图2、图3。力学性能检验果见表3、表4。

      据有关资料，大型铸锻件晶粒粗大主要由于：① 原始尺寸巨大，结晶过程缓慢，因而铸造组织异常粗大。② 锻造周期长，加热次数多，而且锻比小,变形分布不均匀。③ 加热速度很慢，在高温区停留时间很长；④ 无锻比加热现象的存在；⑤ 某些重要大锻件用钢的组织遗传（structuralinheritance）倾向十分强烈等原因,往往在锻造之后,内部晶粒十分粗大而且不均匀。我们分析1Cr12Mo钢喷嘴组调质热处理后晶粒粗大主要因为以上几点原因造成的。    由表3、4显示,两炉1Cr12Mo钢喷嘴组无论经正火还是调质处理,其力学性能都能满足图纸技术要求,只是调质后强度和韧性指标高出正火处理许多,但晶粒度不理想。随后又热处理了几组件,也存在类似问题。为找到最佳的晶粒细化工艺参数,我们投了4组试料进行晶粒细化热处理试验。3晶粒细化热处理试验      考虑到锻件晶粒粗大可能是受锻造时高温过热的影响,我们先对第1组试样进行高温退火＋调质热处理,对第2组试样进行调质热处理。退火的目的是调整和改善大型锻件在锻造过程中形成的过热和粗大组织,降低锻件内部化学成分与金相组织的不均匀性,细化奥氏体晶粒。具体工艺参数见图4。试验结果见表5。

      由表5数据可知看高温退火对工件细化晶粒的效果不明显,说明高温退火解决不了1Cr12Mo钢喷嘴组晶粒粗大问题。       资料表明，锻件加热时影响奥氏体晶粒大小的因素比较多,其中加热温度与保温时间起着决定性的作用。加热温度越高、保温时间越长、晶粒越粗大,同时钢的化学成分、原始组织及升温时的加热速度等,均对钢的晶粒度大小有影响。为此我们制定了5组热处理工艺参数,见图5中Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ图。把试样分为4组（化学成分见表6）,分别执行正火＋淬火＋高温回火、正火＋亚温淬火＋高温回火、正火＋两次亚温淬火＋高温回火、两次亚温淬火＋高温回火热处理工艺。

3.1　正火＋淬火＋高温回火     第1组件执行Ａ、Ｂ、Ｅ工艺‚即高温正火＋淬火＋高温回火。该工艺为晶粒细化通用的热处理工艺,第一次正火加热到奥氏体化温度,保温一段时间后快冷到珠光体转变区以获得均匀的珠光体组织；第二次淬火加热温度选用Ac3＋(30～50）℃,这样既保证充分奥氏体化,又保持奥氏体晶粒的细小。若加热到远高于Ac3温度淬火，则奥氏体晶粒会显著粗大。淬火后获得淬火马氏体组织,经回火后获得喷嘴组要求的力学性能。第一次正火温度比第二次淬火温度至少高20℃,否则晶粒细化效果不理想。喷嘴组经上述工艺处理后结果力学性能检验结果见表7。     表7显示,喷嘴组经高温正火＋淬火＋高温回火后强度、塑韧性变化不大,晶粒得到细化。3.2　高温正火＋亚温淬火＋高温回火    第2组件执行Ａ、Ｃ、Ｅ工艺‚即高温正火＋亚温淬火＋高温回火。第一次正火加热到奥氏体化温度‚保温一段时间后快冷到珠光体转变区以获得均匀的珠光体组织。亚温淬火工艺方法主要是通过提高材料屈强比和冲击韧性来发挥结构钢性能的潜力。亚温淬火时因出现细小而均匀分布的铁素体,可抑制可逆回火脆性。ak值与回火温度成正比例增加,与常规淬火工艺相比,在获得相等硬度的情况下具有更高韧性,且可抑制应力集中并阻碍裂纹萌生及扩展。亚温淬火组织中存在未溶铁素体,使奥氏体中碳和合金元素含量增加,淬火后存在少量稳定的残余奥氏体,亦可阻止裂纹的萌生与扩展。亚温淬火可降低有害杂质元素在奥氏体晶界偏聚,起到净化晶界作用。亚共析钢淬火加热温度选择低于Ac3的温度,此时钢尚未奥氏体化，存在有部分未转变的铁素体,淬火后铁素体仍保留在淬火组织中,所以在同一温度回火条件下,亚温淬火后的硬度、强度指标较正常温度淬火略低。具体检验结果见表8。     将表8与表7进行对比可知,喷嘴组经高温正火＋亚温淬火＋高温回火工艺处理后,比经高温正火＋淬火＋高温回火处理后强度有所下降,而韧性得到了明显提高,晶粒细化效果也不错。3.3　高温正火＋两次亚温淬火＋高温回火      第3组件执行Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｅ工艺,即高温正火＋两次亚温淬火＋高温回火。此方案的目的主要是了解多次亚温淬火对工件力学性能和晶粒度的影响,想经两次亚温淬火后获得更为细小的晶粒组织。处理后的力学性能检验结果见表9。      将表9与表8进行对比可知,与之前的工艺相比,喷嘴组经高温＋两次亚温淬火＋高温回火工艺处理后,其强度、塑韧性指标基本不变,晶粒细化效果提高也不大。3.4　两次亚温淬火＋高温回火    第4组件执行Ｃ、Ｄ、Ｅ工艺曲线,即两次亚温淬火＋高温回火。此方案的目的主要是了解工件不经过高温正火,直接进行两次亚温淬火对工件力学性能和晶粒度的影响。处理后的力学性能检验结果见表10。    由表10、表9、表8所示的结果可知,喷嘴组经两次亚温淬火＋高温回火工艺处理后与之前的工艺相比,其强度、塑韧性指标基本不变,晶粒细化效果相当。4结论    通过以上试验可知,喷嘴组经过上述4种热处理工艺处理后,其力学性能、晶粒细化效果相当。但从生产周期及能源消耗方面看,高温正火＋两次亚温淬火＋高温回火热处理周期最长,能源消耗最大；两次高温正火＋高温回火次之；高温正火＋亚温淬火＋高温回火和两次亚温淬火＋高温回火工艺能源消耗最少。考虑到喷嘴组锻后已进行了正火＋高温回火处理,所以最终我们选用了两次亚温淬火＋高温回火工艺。实际生产显示,该工艺方案效果良好,经济实用。