分享：GCr１５钢轴承套圈球化退火表层脱碳分析

徐 朋,董晓亮

(抚顺特殊钢股份有限公司 技术中心,抚顺 １１３００１)

摘 要:通过对两种不同碳、氮含量的１Cr１５Ni２７Ti３Mo１Al钢进行锻造、轧制以及固溶处理,对影响该钢晶粒度的因素进行了分析.结果表明:碳、氮元素含量对该钢晶粒度的影响较大;另“菱形→方形→椭圆形→圆形”的轧制变形工艺以及固溶处理可以细化均匀该钢晶粒尺寸.

关键词:晶粒度;碳、氮元素含量;轧制变形方式;固溶处理

中图分类号:TG１４２．１＋１ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０４Ｇ０２４９Ｇ０４

１Cr１５Ni２７Ti３Mo１Al钢 是 一 种 以 １５CrＧ２５NiＧFe为基,加入少量钼、钛、铝、钒及微量硼综合强化,以金属间化合物 γ′相[Ni３(Ti,Al)]强化的奥氏体沉淀硬化型不锈钢.由于该钢在６５０℃以下具有高屈服强度、持久强度和蠕变强度,并且具有较好的加工塑性和满意的焊接性能和抗氢脆性[１Ｇ２],近年来被广 泛 研 究 应 用. 最 近 某 公 司 生 产 的１Cr１５Ni２７Ti３Mo１Al钢出现探伤不合格以及宏观粗晶现象,经金相检验确认为晶粒度不均匀所致.

为此,笔 者 对 影 响 １Cr１５Ni２７Ti３Mo１Al钢 晶 粒 度的因素进行了研究.

１ 试验材料与方法

１．１ 试验材料

试 验 材 料 为 两 种 不 同 碳、氮 含 量 的１Cr１５Ni２７Ti３Mo１Al钢,其化学成分见表１.

１．２ 试验方法

对上述两种碳、氮含量的１Cr１５Ni２７Ti３Mo１Al钢采用相同的锻造方式生产,以观察碳、氮元素含量对其晶粒度的影响趋势;对锻造后的低碳、氮钢进行９８０ ℃固溶处理以观察固溶处理对晶粒度的影响;对锻造后的低碳、氮钢使用不同的轧制变形方式生产以观察其晶粒度的变化趋势.所有金相试样均使用１０％(体积分数)的草酸溶液电解侵蚀,采用蔡司金相显微镜进行晶粒形貌观察.

２ 试验结果与讨论

２．１ 碳、氮元素含量对晶粒度的影响

上述两种成分的１Cr１５Ni２７Ti３Mo１Al钢均采用快锻机＋径锻机生产.钢锭及坯料加热温度为１０６０~１１３０ ℃,保温１~２h,快锻机采用墩拔工艺 生 产,压 下 量 为 ５０~１００ mm;径 锻 机 锻 制?１２０mm 成 品,径 锻 机 终 锻 温 度 为 １ ０４０ ~１０６０ ℃,锻后空 冷. 切 取 金 相 试 样 观 察 晶 粒 形貌,并按照 GB/T６３９４－２００２的方法评定晶粒度级别,高碳、氮钢的晶粒形貌见图１,低碳、氮钢的晶粒形貌见 图 ２.按 照 GB/T１０５６１－２００５ 中 的实际检验 A 法评定两种成分该钢的非金属夹杂物含量,夹杂物形貌见图３.

由图１可以看出,高碳、氮钢锻制的?１２０ mm成品,由边缘到心部的晶粒尺寸比较均匀,晶粒度级别可达到８级.由图２可以看出,低碳、氮钢锻制的?１２０mm 成品,由边缘到心部的晶粒尺寸呈由大变小的情况,其中边缘晶粒度３．５级左右,心部出现混晶组织,晶粒度从３．５级至８级不等.由图３可以看出,高碳、氮钢中含有大量的、呈点状分布的碳氮化物夹 杂 物,D 类 (颗 粒 状)夹 杂 物 级 别 可 达 到３．０级;而低碳、氮钢中仅含有较少的点状碳氮化物夹杂物,D类夹杂物级别为０．５级.初步分析认为,两种成分该钢的晶粒度与钢中非金属夹杂物级别有关,即高碳、氮钢中含有大量的、分散的碳氮化物,在钢中的晶界上和晶粒内部起到了“钉扎”的作用,所以高碳、氮钢的晶粒较为细小而均匀,而低碳、氮钢的晶粒较大、不均匀且存在混晶现象.

２．２ 变形方式对晶粒度的影响

对上述低碳、氮含量该钢的?１２０ mm 锻造成品分别采用两种轧制变形方式改轧生产?６０ mm成品,以研究轧制工艺对该钢晶粒度的影响,轧制工艺如表２所示.切取金相试样,观察晶粒形貌,结果如图４所示.

由图４可以看出,低碳、氮该钢经工艺１变形后心部晶粒较为细小均匀,晶粒度级别为８级左右;边缘存在混晶,晶粒度４~８级,或与原始坯料表层的粗晶有关.低碳、氮该钢经工艺２变形后边缘仍然为大晶粒,晶粒度３级;心部为混晶,晶粒度３~８级.初步分析认为,采用工艺１生产的该钢原始粗晶粒被较好地、完整地破碎,并回复和再结晶;而工艺２生产的该钢对于原始晶粒未进行充分的破碎.

２．３ 固溶处理对晶粒度的影响

对上述低碳、氮该钢的?１２０mm 锻造成品,切取２０mm 厚试片在实验室箱式电阻炉中进行固溶处理,以研究固溶处理对该钢晶粒度的影响.固溶处理制度为:９８０ ℃保温１h后水冷,固溶处理后的晶粒形貌如图５所示.由图５可以看出,经固溶处理后图２所示的晶粒变均匀,晶粒度级别由原来的混晶３．５~８级变为均匀的５~６级.

２．４ 讨论

２．４．１ 钉扎作用的影响

由于试验用１Cr１５Ni２７Ti３Mo１Al钢成分中的碳、氮元素含量差别较大,而该钢含有较多的钛元素,该３种元素在钢中比较容易亲和而形成第二相“TiNC”.该第二相可在冶炼钢锭中形成,也可在锻造或轧制过程中析出.该第二相在锻造或轧制的热变形过程中对组织起到了“钉扎”作用,且这些第二相在再结晶过程中又作为晶粒形核的“核心”[３],所以如图１~３所示采用相同锻造工艺生产的两种成分的该钢,高碳、氮钢的晶粒较为细小均匀,而低碳、氮钢的晶粒度较粗大且不均匀.

２．４．２ 变形方式及再结晶温度的影响

由于低碳、氮该钢含有较多的铬、钼等易偏析元素,导致该钢钢锭易出现偏析组织,在后续加工过程中偏析处不易变形或变形后需要较高的能量才能进行回复和再结晶,所以形成了如图２所示的混晶组织[４Ｇ５].图４~５的试验结果表明,可以通过改变钢材的变形方式以及固溶处理来改善其晶粒形态.另外,钢材边缘晶粒较心部晶粒粗大是因为在轧制和锻造后期钢材的表面散热较快,而心部由于受到热变形而向表层返温,所以心部晶粒获得再结晶的能量要优于边缘的[６].

３ 结论

(１)１Cr１５Ni２７Ti３Mo１Al钢中的碳、氮元素含量对成品的晶粒度影响较大.

(２)１Cr１５Ni２７Ti３Mo１Al钢 采 用 “菱 形 → 方形→椭圆形→圆形”轧制变形工艺比“椭圆形→圆形”轧制变形工艺更易获得较细的晶粒.

(３)１Cr１５Ni２７Ti３Mo１Al钢采用 ９８０ ℃ 固 溶处理可使其混晶组织变得均匀.

（文章来源：材料与测试网-理化检验－物理分册 > 2018年 > 4期 > pp.269）