亚共析钢晶粒细化的研究

张宝佳

（中国石化集团南化公司南京化工机械公司，江苏 南京 210048）

对于亚共析钢大锻件，在锻造过程中由于始锻温度过高、保温时间过长、锻造比小、终锻温度过高等原因造成其晶粒度粗大[1]，煅后热处理如果不能有效地细化晶粒，在锻件的最终热处理后其组织也将粗大，将导致锻件强度、塑性尤其是冲击韧性都不能满足JB4726-2016《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》要求。如何通过煅后热处理有效地细化晶粒并为锻件的最终热处理做组织装备采用正常的正火处理效果并不理想。根据资料[2]介绍采用二次正火对细化晶粒、均匀组织、消除内应力有明显效果。本文通过对35#粗晶钢锻件在不同温度下进行二次正火热处理试验，找出最佳热处理工艺参数，得到均匀的细晶粒，为最终热处理做组织装备。

1 试验材料及方法

试验材料为50mm*50mm*160mm、35#钢棒料，锻造状态，晶粒度为级1级～2级，化学成分见表1所示。

表1 35#钢化学成分

由于试样晶粒粗大，采用二次正火进行细化。对亚共析钢锻件采用二次正火工艺，一般第一次正火温度为Ac3+100℃～150℃、第二次正火温度为Ac3+30℃～50℃。35#钢Ac3约为802℃，第一次正火温度试验选用：870℃、900℃、930℃、950℃、980℃、1000℃六个温度进行。第二次正火温度采用870℃。采用箱式电阻炉RJX-40-12设备进行试验，每组试验用三块试验，其热处理工艺和试验结果如表2和表3所示。

表2 热处理工艺试验结果

表3 热处理工艺试验分析

2 试验结果分析

综合以上试验结果，把试验数据综合处理对比，两次正火的温度和晶粒度的关系用图1表示。

由图1可以看出，细化35#钢粗晶的最佳温度为：第一次正火温度在930℃～950℃之间，第二次正火温度为870℃。

第一次正火通过相变重结晶消除热加工形成的过热组织，并使第二相充分溶入奥氏体中；第二次正火使奥氏体晶粒细化得到细小的铁素体加珠光体组织。第一次正火温度在870℃～930℃之间晶粒细化不理想是由于原始组织粗大，特别是有大块状先共析铁素体，奥氏体化时碳的扩散距离较远，而此时温度又较低，碳原子的扩散速度较慢，因此奥氏体形成的速度就慢，奥氏体化不充分，如图2金相照片所示，白色块状即为没有奥氏体化的先共析块状铁素体，成分不均匀，所以二次正火后晶粒细化不明显，晶粒也不太均匀。

图2 35#粗晶钢第一次870℃正火后组织 100×

第一次正火温度超过950℃以上时，奥氏体化及成分较均匀，但是碳钢的晶粒长大对温度特别敏感[3]，超过950℃时，局部晶粒开始粗大，（如图3所示，大的黑色块状为局部晶粒长大了）局部长大的的晶粒，第二次正火也不易细化。所以二次正火后晶粒大小不均匀。

图3 980℃正火后组织 100×

第一次正火温度选在930℃～950℃之间时，正好保证组织全部奥氏体化，此时成分也比较均匀，所形成的奥氏体化晶粒也比较均匀，通过相变重结晶[4]得到均匀的稍粗的铁素体和珠光体组织，然后通过二次正火相变重结晶后，得到均匀的比较细小的先共析铁素体和珠光体组织。（如图4所示，为二次正火后的组织）。

图4 930℃和870℃二次正火后组织 100×

3 试验结论

（1）对35#粗晶钢锻件，为细化晶粒，最佳热处理工艺为二次正火。第一次为高温正火，温度在930℃～950℃之间。第二次正火温度为870℃。

（2）通过二次正火可以把35#粗晶钢锻件晶粒度由1级～2级提高到6级～7级。