高温扩散对2.25Cr-1Mo-0.25V钢组织分布的影响规律

苏金虎 梁晓宇 刘建生 安红萍

(太原科技大学 材料科学与工程学院，山西030024)

自20世纪70年代高温扩散成为大型锻件生产中的重要环节，即在高温状态下长时间地加热钢锭，减轻或消除钢锭中的粗晶组织，以提高大锻件产品的性能[1]。材料2.25Cr-1Mo-0.25V属高纯净镇静钢，冶炼工艺采用了电炉+钢包炉+真空浇注[2]，杂质含量少，故钢锭成型后晶粒特别粗大，这就需要后期工艺中对其进行晶粒细化。为此，我们进行了高温扩散对2.25Cr-1Mo-0.25V钢组织性能影响的分析研究，为制订工艺提供依据。

1 原始组织的观察

1.1 实验材料及取样方法

该材料用于大型机床设备的生产制造，其主要化学成分见表1。

钢锭解剖后取8块试样，规格为200 mm×200 mm×350 mm，在钢锭中部沿径向自中心向外依次切A、B、C、D号试样，同样在钢锭底部从内向外依次切E、F、G、H号试样。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V钢的化学成分 (质量分数，%)Table 1 Chemical composition of 2.25Cr-1Mo-0.25V steel(mass faction, %)

图1 取样方法Figure 1 Sampling method

图2 取样方法Figure 2 Sampling method

由于钢锭底部有沉积区，硅酸盐夹杂较多，反偏析较严重，不利于后期观察分析，故先在A、B、C、D号上取样。沿着轴面在A、B、C、D号试样上切高60 mm 、厚20 mm，长贯通A、B、C、D号试样，见图1。

将切下来的试样再切成小份，从钢锭中心到钢锭边缘编号依次为：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14，见图2。

1.2 观测结果

将试样依次研磨、抛光、腐蚀。先后试用了10多种腐蚀剂，效果均不理想，只有在极个别处暂时出现树枝状晶粒，见图3。其余试样以1、9、14号为代表，腐蚀效果见图4。

图3 树枝晶Figure 3 Branches crystal

用金相分析软件MIAPS-M可测得所有试样的晶粒大小，其规律见图5。

1.3 原因分析

观察上述试样照片及晶粒大小规律可发现：

(1)钢锭空洞疏松很严重，特别在心部最大空洞连续长度可达104 mm，在别处观测到带状分布针孔偏析。

(2)在钢锭心部裂纹较严重，已形成约20 mm×200 mm的断面，这在工艺中是很严重的问题。尽管这类裂纹可在后期工序中锻合，但若已形成断面且有氧化物存在则很难完全锻合。

图4 试样原始组织Figure 4 The original organization of sample

(3)钢锭沿径向从里向外依次是：含有部分粗大的柱状晶的等轴晶区—柱状晶区—细晶区。其中细晶区晶粒的形状也是沿径向的柱状。这一方面是由于铸模壁的冷却作用，另一方面是由于起形核作用的杂质数量较少。从图5中可见最大的柱晶长达38.44 mm，这也从另一个角度说明了钢锭的纯净程度。

(4)观察到一种特殊现象：一个晶粒完全被另外一个晶粒包围着，这种现象与静态再结晶中发生在晶粒内部的再结晶相似，尚无解释，有待以后进一步研究。

2 高温扩散实验

2.1 实验方法

将试样在高温电阻炉内分别加热到1 000℃、1 100℃、1 200℃、1 250℃，每个温度下设4个不同的保温时间0.5 h、1 h、3 h、20 h ，从炉中取出后后立刻水淬。其中温度的取值联系实际工艺，没有列出过低的无意义的温度。根据文献[3]的研究，保温20 h时低倍组织已很均匀，故保温时间选择20 h以内。

腐蚀剂选用100 ml过饱和的苦味酸水溶液体+2 ml的洗洁精，恒温40℃下腐蚀1 min左右。

2.2 试验结果与分析

将上述腐蚀后的试样用扫描仪扫描得到下面照片(即没有放大倍数)，见图6。

经分析，进一步确定钢锭的原始组织为粒状贝氏体，由图6的(a)、(b)、(c)、(d)与试样的原始组织(图4)对比，可看出随着保温时间的延长组织间亮度差逐渐减少，组织越来越均匀，这符合一般的扩散机理。

将腐蚀后的试样在电子显微镜下放大100倍观察并拍照，见图7。

用金相分析软件MIAPS-M可测得所有试样的晶粒大小，其规律见图8所示。

图6 腐蚀后的试样组织状态Figure 6 Organization of sample after corrosion

图7 不同条件下的金相照片Figure 7 The pictures in different conditions

图8 晶粒大小规律Figure 8 The rule of grain size

2.3 原因分析

分析图7及晶粒度规律图8可发现：

(1)由于材料经淬火后可尽可能的保留高温下的组织形态，故腐蚀后观察到的组织状况可认为是由加热与保温造成的结果。随着加热温度的升高、保温时间的延长，晶粒逐渐长大。这可解释为：本材料是可以发生固态相变的材料，在高温下发生再结晶，随着保温时间的延长，发生新晶粒产生及长大过程，保温时间越长晶粒越大。晶粒在0.5 h时比在1 h大，可认为是原始大晶粒的破碎和新晶粒尚未充分长大两个原因共同造成的。

(2)晶粒大小差异不大，原因是试样较小，可以被热透，新生的晶粒有足够的能量进行长大。试样有少量残余的奥氏体，部分存在混晶。

3 结论

(1)2.25Cr-1Mo-0.25V钢作为高纯净钢，材料中夹杂很少，但晶粒粗大，几乎没有树枝晶现象，主要是钢锭凝固时热流散发相反的方向以柱状晶的形态存在。材料成分较均匀，钢锭中间部位有大量空洞及长宽很大的断面状裂纹，这是个很严重的问题。

(2) 高温扩散后组织的状态是由加热温度与保温时间共同造成的结果。由于再结晶的原因，随着加热温度的升高、保温时间的延长，晶粒逐渐变大，但总体晶粒较细，晶粒大小差异不大。原因是试样较小，可以被热透，新生的晶粒有足够的能量进行长大。

(3)观察到一种特殊现象：一个晶粒完全被另外一个晶粒包围着，这种现象与静态再结晶中发生在晶粒内部的再结晶相似，尚无解释，有待日后进一步研究。

[1] 刘鑫刚.大型锻件高温扩散的理论与实验研究[D].秦皇岛：燕山大学，2004.15.

[2] 邓林涛，刘志颖，王涛，等.1 000 MW核电管板纯净钢锻件制造工艺及其性能[J]. 中国核电，2009，2(02)：126-132.

[3] 胡汉起.金属凝固[M].北京：冶金出版社，1985.307.

[4] 徐平光，方鸿生，白秉哲等.仿晶界型铁素体/粒状贝氏体复相组织的韧性[J].金属报，2002.39(3)：255～261.

[5] S. Venugopal and P.V. Sivaprasad.A Journey With Prasad's Processing Maps' JMEPEG (2003) 12：674-686.

[6] 郭会光，曲宗实.我国大锻件制造业的发展[J].大型铸锻件，2003，(01)：42-45.