大锻件生产过程中的晶粒控制

□牛东亮

上海电气 上重铸锻有限公司　上海　200245

大锻件生产过程中的晶粒控制

□牛东亮

上海电气 上重铸锻有限公司上海200245

粗晶是锻件生产中常见的质量问题，大锻件的粗晶不仅影响锻件的性能，严重的甚至导致产品报废。针对影响大锻件晶粒的原因进行了分析，并对加热、锻压、锻后热处理工序进行了深入探讨，从生产实际出发，利用“人、机、料、法、环”分析法提出了改进措施，相关措施已在实践中应用，取得很好效果。

晶粒粗大使锻件性能明显下降，影响锻件使用寿命，而且粗晶锻件在进行超声波探伤时会出现草状波，导致声波信号迅速衰减，底波消失，对锻件内在情况无法作出判断。对Z2CN19-10、SA-376TP 316LN、SA-336 304H等奥氏体不锈钢锻件，无法用热处理方式细化晶粒，如果不能在锻造过程中避免锻件晶粒粗大，产品最终将报废。为提高大锻件性能、改善探伤条件，必须确保晶粒细化，避免粗晶现象［1-4］。

1　影响锻件晶粒的因素及分析

1.1大锻件粗晶形成的原因

（1）大锻件原始钢锭尺寸较大，结晶缓慢，导致铸态组织粗大［5］。笔者单位曾经锻压过重460 t、最大尺寸3 873 mm、锭身长度4 671 mm的钢锭，其脱模时间达3 d以上。

（2）锻造过程时间长，进出炉加热次数多，且变形不均匀。大锻件锻压周期一般比较长，受到锻压工作量、锻造温度及操作熟练程度等影响，大锻件不同部位的完工时间不一致，先完工部位往往要再经历多次高温加热。同时，锻件表面与心部的温差也很大，虽然锻件表面已在终锻温度，但心部仍处在高达1 000℃以上的高温，导致锻件的晶粒粗大且不均匀［6-8］。

（3）某些大锻件用钢的奥氏体晶粒遗传严重［5，9］，一般情况下，随着晶粒细化，锻件屈服强度、疲劳强度提高，同时具有很高的塑性和冲击韧性。锻件晶粒大小随着加热温度、锻压变形量及热处理方式选择等时刻发生着变化，细化晶粒要从整个生产过程综合考虑，选择合理的工艺参数，做好过程管控。

1.2加热过程中影响锻件晶粒的因素

金属加热后随着原子扩散能力的增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。由于加热温度升高，原子扩散能力和晶界迁移能力增强，有利于晶粒长大，再结晶加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越大［1，2，10］。

锻件加热速度较慢，而加热温度过高（通常t≥1 240℃），保温时间长，中间加热次数多，中间锻造过程终锻温度高，锻坯无过冷，长时间处于奥氏体高温区，容易造成产品粗晶，在加热炉内靠近烧嘴处甚至可能出现过热情况。

在实际编制加热工艺及操作过程中，必须从温度控制、加热速度、保温温度等方面综合制定锻造加热升温和保温曲线，每火次的加热温度及保温时间应从该火次锻件当量直径、剩余锻比等方面考虑，如随锻件当量尺寸的增减，升温速度作相应调整等。

1.3锻压过程中影响锻件晶粒的因素

通过锻压可使原始钢锭中的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，组织变得更加紧密，提高金属的塑性和力学性能。在锻压过程中，通过合理选择始锻温度、锻造比、终锻温度，结合特定的锻造工艺、冶金辅具，达到细化晶粒的目的［10］。

根据工序的锻比情况，选择合适的始锻温度，在较大变形量的情况下，表面锻造温度一般控制在1 200～1 270℃，而对小变形量工序锻件，表面锻造温度控制在850～1 200℃。目前对截面大、可锻性较好的锻件，提倡以A3线温度稍低的两相区变形来细化晶粒，尽管此时外部材料已进入奥氏体和铁素体两相区，但由于奥氏体塑性本来就好，铁素体的塑性也不差，所以可锻性仍较好，加上此时坯料虽然表面温度达700～780℃，但心部温度仍然保持在1000℃左右，呈典型的外冷内热和外硬内软的状态，小压缩量变形效果集中在内区，中心区的材料在外壳包裹下变形，对内部压实非常有好处，对锻件中心区域的晶粒细化作用也很大。完工火次的始锻与终锻温度对锻件晶粒度影响非常大，特别是对于奥氏体不锈钢锻件来说，如果完工火次温度与变形控制不当，极易产生粗晶，且无法通过热处理方式消除，最终造成产品报废。一般根据锻造比选择锻造温度，除最后一火外，其余火次锻造温度控制在850～1 270℃，当锻造比≤1.5时，锻造温度应下降20～50℃，最后一火的锻前加热温度可按其工序剩余锻比K确定，当K≥1.5时，可按允许的最高温度加热；当K＜1.5时，应降低加热温度（如1 050℃）或装入高温炉保温，但保温时间比正常保温时间减少。

在锻压过程中随着工艺的不同，也容易造成产品粗晶现象的发生。锻件坯料开坯前如果没有镦粗工序，钢锭的原始柱状晶未被打碎，若后道工序无压实操作，极易产生粗晶现象（如直接开坯后镦粗剥边成形的管板，剥边后只是在近表面得到细晶粒，中心夹层均为粗大晶粒，且原柱状晶变扁圆状粗晶粒、层状叠布）；锻件镦粗时如果高径比大于2.5，变形区只发生在近砧面区，中心部分未发生变形（如管板滚圆），晶粒度得不到改善，也易产生粗晶；锻件高温下在某一个方向上进行大变形时，中心区产生严重热效应（温度远高于1 200℃），使其晶粒在主变形方向迅速拉长；锻比不够或锻比不均匀，也易造成产品局部粗晶（如某方向探伤可以，换方向即不行）；最后一火未达到均匀的临界变形度（如16 Mn必须：1 200℃下，ε≥40%；1 100℃下，ε≥30%；1 000℃下，ε≥25%），也易产生粗晶现象。

终锻温度高也容易造成粗晶，若终锻温度过高（大直径锻件外表850℃左右时，中心温度超过1 000℃），停锻之后，锻件内部晶粒会继续长大，形成粗晶组织。

1.4锻后热处理过程中影响锻件晶粒的因素

锻件完工后一般在600～650℃炉内待料，待同批次锻件一起完工后同炉处理，但完工锻件长期保温在待料温度600～650℃时，常有不良组织析出和混晶，锻后热处理正火时适当提高炉子加热速度，能够起到细化晶粒的作用（若升温Δt≥200℃/h时，可使晶粒度提高1级）。

2　大锻件生产过程中晶粒控制的方法探讨

针对上述分析，笔者从人、机、料、法、环等方面，结合日常生产中的实践经验，就大锻件生产过程中晶粒控制提出如下措施。

（1）加强各作业工种特别是对锻工的培训。锻造作业过程是集体操作，锻件加热需要热处理工，锻压需要锻工，运输需要行车工，设备日常保养及维修需要钳工等，每一个工序步骤操作都对大锻件的晶粒大小产生影响，对于集体中的每一个成员（尤其是锻工）而言，要熟练掌握各个工序过程的操作要领，对过程中可能发生的意外情况做好预案，有应对的措施，通过培训提高各工种在实际操作中的技能，掌握处理日常问题的本领。

（2）合理设计工装辅具，针对批量产品中某一特殊问题，可通过设计产品专用工装，提高材料利用率、锻造效率，确保产品质量的可靠性。

（3）优化工艺。利用有限元等分析软件对锻件成形过程进行模拟，分析金属流动规律，对锻造工艺参数进行优化。完工火次的加热温度和保温时间对锻后热处理后锻件的衰减影响很大，所以在工艺上要特别注明完工火次加热温度及保温时间，尽可能控制在锻造过程中的晶粒粗大与组织遗传。针对在锻造过程中坯料要多次加热到1 200℃以上，又常处于局部锻造状态，其局部在奥氏体状态下的晶粒长大迅速；重结晶过程又不能理想地将这部分晶粒全部细化，且常规锻后热处理工艺对冷却速度重视不够，产生的组织达不到高强度要求的情况，在锻后热处理工艺中，要突出细化晶粒，以较快的冷却速度促进重结晶，锻后热处理工艺中，增加一次高温奥氏体化，用来细化晶粒，同时，正火后以鼓风冷却方式增加冷却速度。

（4）细化操作。对操作规范进行细化：如针对锻工设置锻造过程中大锻件的初始变形量，每次变形量要一致，转动角度要均匀，镦粗上砧子、镦粗帽子、坯料、镦粗漏盘在同一直线上，以避免镦粗时坯料产生折叠、偏心等现象。将每个步骤需要思考和关注的点模块化，结合生产过程中出现的质量问题，及时将相关改进措施融入到规范中，通过PDCA循环，不断总结、改进和提高。

（5）加强整个生产的过程控制。为了确保锻造过程中严格按照技术工艺要求操作，工艺人员要及时做好跟班技术服务、现场指导，随时解决遇到的各种技术问题。

3　结论

锻件粗晶的原因是多方面的，但只要掌握了其内在的规律，通过采取有效的应对措施，同时对发生粗晶的锻件进行及时的分析总结，就一定能够逐步减少直至彻底解决锻件的粗晶问题，为企业创造巨大的经济效益。

［1］俞汉清，陈金德.金属塑性成形原理［M］.北京：机械工业出版社，1999.

［2］董湘怀.金属塑性成形原理［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［3］吴承建.金属材料学［M］.北京：冶金工业出版社，2009.

［4］毕凤琴，张旭昀.热处理原理及工艺［M］.北京：石油工业出版社，2009.

［5］邱绍岐，祝桂华.电炉炼钢原理及工艺［M］.北京：冶金工业出版社，1996.

［6］王志明，陈德华，谢维立，等.锻造工艺对调质钢38 MnVS6组织及力学性能的影响 ［J］.机械制造，2009，47（11）：43-4.

［7］KARL W.锻件中的粗晶问题［J］.何志勇译，大型铸锻件，1987（3）：63-69.

［8］郭会光，田继红.大型锻造的质量控制和研究方略［J］.大型铸锻件，2007（2）：45-46.

［9］黄春峰.钢的热处理工艺设计［J］.机械制造，1998，36（8）：22-24.

［10］刘助柏.塑性成形新技术及其力学原理［M］.北京：机械工业出版社，1995.

Coarse grain is a common quality problem in forging production.Coarse-grained large forgings may not only affect the forging performance，and in serious case it may lead to discard the product.To solve this problem，the causes affecting the grains of large forgings should be analyzed in the first step and then，an in-depth discussion should be conducted for the processes covering heating，forging and post-forging heat treatment.the "Human，machine，material，method and loop"analytical method was adopted at the factors affecting the grains of large forgings and from the actual production to bring forward improvement measures.These measures have been applied in practice with sound results.

粗晶；加热；锻压；锻后热处理

Coarse Grain；Heating；Press Forging；Post-forging Heat Treatment

TH142；TP311.52

B

1672-0555（2016）02-023-03

收入日期：2016年1月

牛东亮（1982-），男，本科，主要从事锻压技术工作