應用金相熱處理法研究了42CrMo鋼鍛軋棒材的帶狀組織。檢驗表明，棒材縱向上分布著明顯的鐵素體+珠光體帶狀組織。造成帶狀組織的原因是枝晶偏析。采用1250℃以上鍛軋加熱+擴散可完全消除帶狀組織。試驗發(fā)現(xiàn)，在兩相區(qū)(F+A)等溫也可以避免帶狀組織出現(xiàn)。關鍵詞:42CrMo;鍛軋材;帶狀組織;偏析
合金結構鋼鍛軋材中經(jīng)常產(chǎn)生纖維組織或稱帶狀組織，即鐵素體珠光體相間分布的帶狀組織。帶狀組織使鋼的力學性能具有方向性，使鋼的橫向范性和韌性降低，也使鋼的切削性能變壞，表面加工的光潔度降低。最好是完全消除帶狀組織，但往往有一定困難，因此，生產(chǎn)上要求帶狀組織≤2級。本文以42CrMo為例，研究了帶狀組織的形貌，指出了其形成原因，提出了防止措施。
1 試驗用鋼
試驗采用42CrMo鋼軋材鋼棒，爐號有758，024，647，797，767，776。雖然爐號不同，但成分基本相同。爐號776的成分如表1所示。
2 帶狀組織的試驗觀察
將42CrMo鋼棒橫向切片，制取金相試樣，沿著軋向磨光，拋光，硝酸酒精浸蝕，觀察帶狀組織，評定級別。圖1為776爐號的鍛材的帶狀組織，可見，鐵素體、珠光體呈現(xiàn)帶狀分布。評定級別為4級。圖2為758爐號軋材的組織，沒有觀察到明顯的帶狀組織。組織中的珠光體數(shù)量較多，顯然是偽珠光體。這是由于軋后冷卻速度較快的緣故。
將試樣進行完全退火即可顯示其帶狀組織。圖3是758，797兩個爐號試樣進行完全退火后的組織，可見，顯示出明顯的帶狀組織。
圖1 776(爐號)鋼的帶狀組織 圖2 鍛材(758)組織
圖3 42CrMO完全退火后的二次帶狀組織
(a)758的帶狀組織;(b)797的帶狀組織
圖4 鍛材(776)880℃加熱1h的帶狀組織
(a)硝酸酒精浸蝕;(b)CuCl2的試劑浸蝕
3 帶狀組織的成因
一般認為，帶狀組織是由于鋼錠的枝晶偏析所致。鋼水在凝固時，由于選擇性結晶，在枝干上的成分較為純凈，而在枝晶間富集了較多的碳、合金元素和磷、硫等雜質。鋼錠鍛軋變形時枝干和枝晶間被壓延而伸長為纖維組織。形成所謂一次帶狀組織。用含有CuCl2的試劑浸蝕后在顯微鏡下觀察，則會發(fā)現(xiàn)肉眼觀察時的那些纖維組織經(jīng)過放大變成了黑白交替的條帶稱為一次帶狀組織[1]。黑色條帶相當于原樹枝狀晶的較純的枝干，白色條帶為原來富含合金元素和雜質的樹枝間區(qū)域。
熱軋低碳鋼、中碳鋼在緩冷過程中會出現(xiàn)先共析鐵素體和珠光體交替相間的顯微組織帶狀，這些不同的組織是固態(tài)相變的產(chǎn)物。這種帶狀組織稱為二次帶狀。二次帶狀的形成意味著碳在固態(tài)相變中發(fā)生了不均勻的重新分布，稱為二次碳偏析。一般所謂鋼中的帶狀組織，也即上述觀察到的帶狀組織即為二次帶狀組織。
將具有二次帶狀組織的熱變形鋼試樣改用含有CuCl2的試劑浸蝕后在顯微鏡下觀察，則顯示出一次帶狀組織。
只有在一次帶狀的基礎上才能形成二次帶狀組織。一次帶狀難以消除，雖然在高溫下或緩冷過程中，碳能夠優(yōu)先達到相對均勻，然而代位原子均勻化十分困難，這些合金元素難以達到均勻狀態(tài)，尤其碳化物形成元素阻礙碳原子的擴散，實際上碳也難以十分均勻。這就是樹枝狀偏析能夠穩(wěn)定存在的原因。但是在具有一次帶狀的熱變形鋼中可以出現(xiàn)二次帶狀，也可以不出現(xiàn)二次帶狀，如圖2就沒有出現(xiàn)帶狀組織。控制相變條件就可以控制二次帶狀組織。
將鍛材(776)帶狀組織試樣正火，880℃加熱1h，空冷，觀察帶狀組織變化，發(fā)現(xiàn)帶狀組織有所減輕，如圖4所示。圖4(a)為硝酸酒精浸蝕，為二次帶狀組織，圖4(b)為用CuCl2的試劑浸蝕后的一次帶狀組織。
4 消除鍛軋材帶狀組織的工藝措施
4.1 兩相區(qū)處理
為了避免出現(xiàn)帶狀組織，采用了兩相區(qū)處理，具體工藝曲線如圖5。首先高溫奧氏體化，然后，空冷到Ac1稍下(700℃)保溫，使過冷奧氏體分解為珠光體組織。然后再緩慢升溫到兩相區(qū)760℃保溫，得到奧氏體+鐵素體兩相。
圖5 兩相區(qū)處理工藝
在兩相區(qū)，合金元素發(fā)生了兩相間的再分配[2，3]。由于鐵素體中固溶碳很少(<0.02%)，故碳原子將向奧氏體中擴散。原珠光體條帶區(qū)，現(xiàn)已轉變?yōu)閵W氏體，它是原枝晶間，含有較多的合金元素，如Cr，Mo，這些鐵素體形成元素將向鐵素體中擴散。這樣，碳濃度和合金元素發(fā)生了重新分配。合金元素分布趨向均勻。由于碳原子與Cr，Mo元素有較強的親和力，因而碳原子也趨向均勻。從760℃空冷，合金元素來不及擴散，結果不顯示明顯的帶狀組織，如圖6(a)所示。
但按圖5曲線1處理后，797試樣獲得的組織如圖6(b)所示，可見仍然有明顯得帶狀組織，僅僅是鐵素體和珠光體晶粒更細小而已。
4.2 高溫擴散退火消除帶狀組織
將試樣進行擴散退火，即可消除帶狀組織。取各爐號試樣，加熱到1250℃，保溫，然后爐冷到600℃，出爐空冷。
經(jīng)過金相檢驗，評定帶狀組織級別，均為0～1級。鐵素體已經(jīng)聚集，雖然沿著變形方向取向分布，但是，帶狀不明顯，或者沒有帶狀。如圖7所示。
圖6 試樣797在兩相區(qū)處理后的金相組織
(a)不顯示帶狀;(b)出現(xiàn)明顯帶狀
圖7 鍛材擴散退火組織F+P
(a)758鍛材組織1250℃退火1h;(b)17CrNiMo6鋼1300℃加熱2h
5 結論
(1) 各爐號鍛軋材的帶狀組織級別不同，可達3～5級。鍛軋后較快的冷卻將使帶狀組織不明顯。
(2) 消除帶狀組織最根本的方法是采用1250～1300℃擴散退火。實際上，在鍛軋加熱時，鋼錠或連鑄坯在加熱爐中，于1250～1300℃，多加熱3～5h即可達到消除枝晶偏析的目的。
(3) 試驗發(fā)現(xiàn)，在兩相區(qū)(F+A)等溫，通過改變相變條件也可以使帶狀組織不出現(xiàn)。
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