PCrNi3MoV钢改善晶粒度的热处理工艺研究

刘涵赜，王浩强，张彩红，杨志洪

天津重型装备工程研究有限公司 天津 300457

1 序言

PCrNi3MoV属于中碳低合金调质钢，主要应用于大型装备零件，大多数应用于身管等负荷较大的零件或者制造机枪的枪管、机针等，可以在高温下长期工作。PCrNi3MoV钢耐蚀性非常好，屈服强度高，淬透性强，此外也具有良好的低温冲击韧度。然而，在大型铸锻件生产制造过程中，由于钢锭尺寸大、凝固时间长、锻造温度高等因素，因此会造成组织遗传倾向非常强烈。组织遗传是指非平衡组织钢在加热过程中，奥氏体会按已有取向的针形核，并且定向长大、合并，进而恢复到原奥氏体晶粒度大小。组织遗传会导致组织内部晶粒十分粗大且不均匀。晶粒粗大不仅使大型铸锻件性能低劣、寿命降低，使用中会在毫无征兆的情况下开裂，而且会使材料韧脆转变温度升高[1]。另外，晶粒粗大还会给无损检测造成困难。因此，必须消除组织遗传，将晶粒细化[2]。目前，消除组织遗传、细化晶粒的方式有高温正火、退火、高温预回火等[3-5]。为解决PCrNi3MoV钢晶粒度粗大的现象，本文研究了几种不同的热处理工艺消除PCrNi3MoV钢组织遗传的能力，以此探求获取最佳晶粒度的方案，满足生产的需要。

2 试验方案

试验材料为PCrNi3MoV钢，取自于大型铸锻件加工余料，将其加工成15mm×15mm×20mm的金相试样后统一进行粗化处理，得到晶粒度＜1级的试块。PCrNi3MoV钢的化学成分见表1[6]。

表1 PCrNi3MoV钢的化学成分（质量分数）（%）

由于试样的尺寸较小，所以用试样的炉冷模拟大锻件的正火，试样的空冷模拟大锻件的淬火，试样的等温退火模拟大锻件的随炉冷却退火。材料的性能热处理为调质，即淬火＋高温回火，因为最终的高温回火对晶粒度影响不大，故在模拟试验中省去。以下为所做的4组试验方案。

方案A：910℃×1h正火+870℃淬火。

方案B：980℃×1h正火+870℃淬火。

方案C：980℃×1h正火+670℃×6h回火+870℃淬火。

方案D：880℃×1h退火+870℃淬火。

试样进行热处理后，依次将其表面用200＃～1000＃砂纸打磨并抛光，使用3%的硝酸酒精溶液腐蚀组织并进行微观组织观察；使用苦味酸饱和溶液腐蚀晶界，观察试样的晶粒度并对热处理方案细化晶粒的效果进行评定。

3 试验结果分析

4个方案试样的晶粒度尺寸试验结果见表2。

表2 4种热处理工艺下晶粒度等级

对于方案A和方案B试样来说，材料最终形成的均为马氏体组织，二者的形态相似，如图1所示。对比图2晶粒度照片发现，方案B试样的晶粒度明显好于方案A。方案A试样经苦味酸腐蚀后显示出晶粒形状不规则，试样的大部分晶粒度等级小于3.0级，方案B试样经苦味酸腐蚀后的晶粒度为4.5～5.0级。材料原始晶粒度是粗大的，但是通过正火后，材料相继发生奥氏体相变和贝氏体相变，在重新加热和相变过程中，产生了组织应力和热应力，促进奥氏体发生再结晶，新的晶核会在晶界、缺陷、应力集中处集中形核，在经历了重新形核与长大后，粗大的晶粒被分割成了细小晶粒。经过试验发现，正火温度的提升有利于晶粒的细化。此外，有关资料介绍，某些合金碳化物的熔点非常高，会对粗大界面起到钉扎作用，从而使消除组织遗传变得非常困难，在PCrNi3MoV钢中，起钉扎作用的第二相粒子主要有碳化钒等，碳化钒在高于900℃时开始溶解，约在980℃全部溶于固溶体中[7]。因此，只有在较高的温度下合金渗碳体才会得到完全溶解，第二相钉扎作用才能消除，从而改善晶粒尺寸。但是，如果加热温度过高，则又会导致奥氏体晶粒过度生长，不利于晶粒细化。

图1 试样最终态金相组织

图2 试样经苦味酸腐蚀后的晶粒度

方案C试样正火后得到了贝氏体，后续在高温回火过程中形成了回火贝氏体，最终淬火后得到马氏体，如图3所示。经苦味酸腐蚀后的晶粒度为7.0～7.5级，如图4所示。对于钢中晶粒遗传机理的解释，有人认为非平衡组织的过热钢在奥氏体化时，形成的奥氏体与母相存在K-S位向关系，导致原始粗大晶粒的遗传，如果将其位向打乱，则是消除组织遗传最有效的办法[8]。贝氏体通常不需要回火，但在大型铸锻件实际生产中，淬火后经常存在贝氏体与马氏体的混合产物，故也有对贝氏体回火组织的研究[9]。贝氏体回火后，内部结构会发生一系列的变化，位向关系发生了破坏，增加了组织的弥散度，从而奥氏体在形核过程中受到K-S位向关系的制约效果减轻，减少片状奥氏体的形成，从而有效阻止了组织遗传，晶粒也得以细化。

图3 C试样金相组织

图4 C试样经苦味酸腐蚀后的晶粒度

有文献表明，退火也是消除晶粒遗传的一种有效办法[4]。D试样退火态产物是珠光体和贝氏体混合组织，最终态为马氏体，如图5、图6所示。经苦味酸腐蚀后晶界晶粒形状不规则，晶粒大小相差很多（见图7），也不能满足生产要求。究其原因，可能由于此钢种淬透性较好，所以在非常慢的冷却速度下，依然没有得到完全的铁素体和珠光体组织，而是得到了珠光体和贝氏体混合组织，珠光体不存在组织遗传现象，因此该区域晶粒度会好转。而贝氏体在后续逆相变过程中，依然会存在组织遗传现象。正是由于存在珠光体和贝氏体两种不同的组织，导致后续奥氏体形核长大的条件不同，晶粒度晶粒形状不规则，晶粒大小相差很多，所以退火对PCrNi3MoV钢的组织遗传消除效果并不明显。

图5 D试样退火态的金相组织

图6 D试样最终金相组织

图7 D试样经苦味酸腐蚀后的晶粒度

4 结束语

1）PCrNi3MoV钢通过高温正火可以细化晶粒，且在较高的温度下，合金渗碳体完全溶解，降低了针状奥氏体的稳定性，从而使组织遗传现象有所改善。

2）PCrNi3MoV钢在正火得到贝氏体后，通过回火可以改善其形态，增大组织弥散度，进一步消除组织遗传，从而达到细化晶粒的目的。

3）退火处理使PCrNi3MoV钢组织不均匀，导致淬火后有严重混晶出现，故退火对PCrNi3MoV钢晶粒细化的意义不大。