浅析1Cr15Ni27Ti3Mo1Al钢晶粒度的影响因素

徐 朋, 董晓亮

(抚顺特殊钢股份有限公司 技术中心, 抚顺 113001)

试验与研究

浅析1Cr15Ni27Ti3Mo1Al钢晶粒度的影响因素

徐 朋, 董晓亮

(抚顺特殊钢股份有限公司 技术中心, 抚顺 113001)

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。

晶粒度；碳、氮元素含量；轧制变形方式；固溶处理

1Cr15Ni27Ti3Mo1Al钢是一种以15Cr-25Ni-Fe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[1-2]，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。

表1 试验用钢化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the test steels (mass fraction) %

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1 060～1 130 ℃，保温1～2 h，快锻机采用墩拔工艺生产，压下量为50～100 mm；径锻机锻制φ120 mm成品，径锻机终锻温度为1 040～1 060 ℃，锻后空冷。切取金相试样观察晶粒形貌，并按照GB/T 6394-2002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/T 10561-2005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。

图1 高碳、氮钢晶粒形貌100×Fig.1 Grain morphology of the steel with high carbon and nitrogen contents:(a) the edge; (b) 1/2 radius; (c) the center

图2 低碳、氮钢晶粒形貌100×Fig.2 Grain morphology of the steel with low carbon and nitrogen contents:(a) the edge; (b) 1/2 radius; (c) the center

图3 两种钢的非金属夹杂物形貌Fig.3 Non-metallic inclusions morphology of the two steels:(a) steel with high carbon and nitrogen contents; (b) steel with low carbon and nitrogen contents

由图1可以看出,高碳、氮钢锻制的φ120 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φ120 mm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φ120 mm锻造成品分别采用两种轧制变形方式改轧生产φ60 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。

表2 1Cr15Ni27Ti3Mo1Al钢轧制工艺Tab.2 Rolling process of 1Cr15Ni27Ti3Mo1Al steel

图4 不同轧制方式生产的低碳、氮钢晶粒形貌Fig.4 Grain morphology of the steel with low carbon and nitrogen contents after different modes of rolling:(a) process 1, the edge; (b) process 1, the center; (c) process 2, the edge; (d) process 2, the center

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φ120 mm锻造成品，切取20 mm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1 h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。

图5 低碳、氮钢固溶处理后的晶粒形貌Fig.5 Grain morphology of the steel with low carbon and nitrogen contents after solid solution treatment：(a) the edge; (b) 1/2 radius; (c) the center

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[4-5]。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。

[1] 陈琪,陈雅文,孔凡亚.热处理对超大变形量GH2132合金力学性能的影响[J].热加工工艺,2012,41(20):184-188.

[2] 严波.电弧炉冶炼GH2132合金的研究[J].特钢技术,2013(3):23-26,63.

[3] 吴益文,朱子恒,徐凌云,等.热处理温度对IF钢板第二相粒子和力学性能的影响[J].理化检验-物理分册,2015,51(2):87-91.

[4] 王健美.固溶处理温度对Inconel 600合金组织和性能的影响[J].理化检验-物理分册,2014,50(7):487-489.

[5] 赵骏.Monel合金蝶板的成型工艺及力学性能[J].理化检验-物理分册,2013,49(6):385-388.

[6] 刘晶,张银东,李继超.GH2132屈服强度不合格分析与研究[J].中国新技术新产品,2013(19):7-8.

Analysis on Influencing Factors of Grain Size of 1Cr15Ni27Ti3Mo1Al Steel

XU Peng, DONG Xiao-liang

(Technical Center of Fushun Special Steel Co., Ltd., Fushun 113001, China)

The factors affecting the grain size of 1Cr15Ni27Ti3Mo1Al steel were studied through forging, rolling and solid solution treatment to the steel with different element carbon and nitrogen contents. The results show that the grain size of the steel were largely affected by the contents of element carbon and nitrogen. Besides, the grain size could be refined and homogenized both by rolling process of ‘rhombus→square→oval→round’ and solid solution treatment.

grain size; element carbon and nitrogen content; rolling deformation mode; solid solution treatment

10.11973/lhjy-wl201704005

2016-11-09

徐 朋(1982-)，男，工程师,硕士,主要从事不锈钢产品的研发工作，xp820922@163.com。

TG142.1+1

A

1001-4012(2017)04-0249-04