大型锻件的晶粒细化研究

文／邓军，史翔炜，潘晓东·南京博大重型锻造有限公司

大型锻件的晶粒细化研究

文／邓军，史翔炜，潘晓东·南京博大重型锻造有限公司

在生产大型12Cr2Mo1阀盖锻件时，锻造后发现锻件晶粒粗大、超声波探伤性较差，为解决此类问题我们提出了两种热处理解决方案，并对两种方案锻件晶粒度的改善情况进行了对比，最终发现控制形核重结晶的热处理方案在解决此类问题时更具优势。

我公司近期为国内某机械公司生产了一批大型12Cr2Mo1阀盖锻件(图1），锻件重量为8130kg。锻件经锻造、锻后热处理后UT探伤，发现有大量草状波，声波讯号衰减，底波降低量超标，判定为锻件内部晶粒粗大。

问题分析

大型锻件冶炼、锻造的特点

大型锻件由于原始钢锭尺寸巨大，结晶过程缓慢，因而铸造组织异常粗大，锻造周期长，加热次数多，而且锻比小，变形分布不均，加热速度慢，在高温区停留时间很长，并有无锻比加热现象存在，再加之某些重要大锻件用钢的组织遗传倾向还十分强烈等，故往往在锻造之后锻件内部晶粒十分粗大而且很不均匀。

为了全面提高大型锻件的性能水平、降低钢的脆性转变温度、改善其超声波探伤性能，必须使锻件内部晶粒组织细化和均匀。

问题产品的选材及相关生产流程的分析

图1 阀盖锻件图

针对此批12Cr2Mo1阀盖锻件，在对各项实际生产资料分析后发现，锻件形状不规则，台阶差大，由于水压机成形的特殊性，最后一火是利用漏盘模具成形的台阶，最后一火变形量小(小端甚至不变形）、终锻温度高等，分析后我们认为这些因素很可能就是导致锻件内部晶粒粗大的直接原因。

另外，12Cr2Mo1材料过冷奥氏体相对稳定且具有较为明显的组织遗传特性，故原始的粗大奥氏体晶粒和钢锭的各种偏析在经过锻造、奥氏体化重结晶后依然全部或部分地被保留了下来。这种遗传现象，再加上上述的一些客观因素对锻造成形方式的限制，最终造成了锻件内部晶粒组织的严重粗大。

■ 表1 12Cr2Mo1阀盖锻件原材料的化学成分

■ 表2 热处理临界点参数

图3 热处理方案2

两种细化晶粒的热处理解决方案

原材料化学成分与热处理临界点参数

此批12Cr2Mo1阀盖锻件原材料的化学成分检验结果见表1，热处理临界点参数见表2。依此判定，最合理的奥氏体化温度为900～930℃。

常规重结晶与控制形核重结晶热处理解决方案

经分析我们认为，大型锻件内部晶粒组织粗大的主要解决手段为加快奥氏体化转变的温升和进行多次奥氏体化重结晶。而对于我公司生产的这批12Cr2Mo1阀盖锻件来说，加热速度已达到实际应用的极限，无再大幅提升的可能，因此通过一次或多次的有效形核和重结晶来控制晶粒细化的过程才是更为有效的解决方式。

为此，在常规细化晶粒的热处理工艺基础上我们进行了一批控制形核的细化工艺，提出了两种热处理方案，具体操作如下：相同的问题锻件4件，编号A、B与C、D，分为两组分别采用这两种不同的热处理方案进行晶粒细化。

热处理方案1的工艺曲线如图2所示，热处理方案2的工艺曲线如图3所示。

两种热处理方案的结果对比

A、B两件采用热处理方案1，经一次处理后锻件粗晶情况几乎无改善；反复按此工艺执行2～3次，超声波探伤见草状波有所减少，锻件部分区域具备可探性。

C、D两件采用热处理方案2，经一次处理后锻件粗晶情况完全改善，草状波完全消失，本体全部具备可探性，内部晶粒得到了有效的细化。

结束语

12Cr2Mo1材料的组织遗传特性虽然比Cr-Ni-Mo-V系等高淬透性钢种的遗传程度轻微，但是在锻造过程受到成形方式的限制，或锻造温度和变形情况控制不当时，仍然会出现严重的遗传现象。采用常规重结晶(热处理方案1）的方式，不能有效地改善遗传晶粒；而采用控制形核重结晶(热处理方案2）的方式，使锻件经过在两相区上沿的不完全奥氏体化转变过程，可使核心得到强化，经冷却转变，在此基础上再进行重新奥氏体化，便可得到更为细化的奥氏体晶粒，从而使锻件内部晶粒组织粗大的问题得到彻底解决。

邓军，技术部副部长，热处理工程师，主要从事核电、军工、压力容器、冶金等各行业用大型锻件的热处理工艺研究和开发工作，拥有4项发明专利和1项实用新型专利。