热处理对25SiMn钢晶粒尺寸和珠光体含量影响分析

2023-02-10刘玉庆姚东峰董文林党强苑峻铭

大型铸锻件 2023年1期

刘玉庆姚东峰董文林党强苑峻铭

(山东省特种设备检验研究院集团有限公司，山东济南 250000)

25SiMn钢作为一种低合金钢具有优异综合性能，经过热处理正火+回火后，其金相组织一般为珠光体和铁素体，综合力学性能优异，在大型锻件领域应用广泛[1-2]。在实际生产中，25SiMn钢常常通过适当的热处理工艺或熔炼时加入能细化晶粒的V、Ti等元素来获得均匀的珠光体组织和奥氏体晶粒[3]。不恰当的热处理工艺会导致25SiMn钢锻件晶粒粗大、混晶，或碳化物异常长大，不利于材料的综合性能。

1 试验材料

某厂生产的锻件法兰端拉伸性能不合格，针对该问题在锻件法兰位置取试分析。沿法兰端径向取3个试样，分别编号6-1(法兰中心)、6-2(法兰中部)和6-3(法兰外部)，利用金相设备和HV10硬度计检测了试样的金相组织、晶粒度和硬度在径向的差异性。另外在“6-2”和“6-3”位置处分别取2根∅10 mm拉伸试样和2个V型缺口冲击试样，进行常温拉伸试验和0℃低温冲击试验，检测力学性能在径向的差异。6-2和6-3试样取屑15 g和碳硫分析试样进行成分分析。热处理试样取自法兰端径向中间部位。取样位置示意图见图1。

图1 取样位置示意图

6-2和6-3试样化学成分检测结果如表1所示，杂质元素P、S及其他元素含量都在规范要求的范围内。

根据公式(1)计算两个试样的碳当量，也在要求范围内。

(1)

表2描述的锻件法兰端6-2和6-3位置试样的抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2不满足用户技术要求，断后伸长率A和断面收缩率Z合格。图2为6-1、6-2、6-3试样的金相组织，从图2可以看出，试样的金相组织为珠光体+铁素体，6-3试样还存在魏氏组织以及粗大珠光体团簇，这对力学性能具有非常不利的影响，因为6-3试样处在法兰表面，热处理时升温快，且保温时间长，晶粒容易粗化。在冷却过程中，表面冷却速度较快，铁素体不仅沿奥氏体晶界析出生长，而且还会在粗大的奥氏体晶粒内部形成许多大片状铁素体，粗大铁素体片之间的奥氏体最后转变为珠光体。运用像素法评定3个试样的珠光体含量分别为50%、50%和60%。对6-3试样进行电镜扫描分析，试验结果如图3所示。从图3中可发现，珠光体含量与硬度正相关[4]。

表1 化学成分(质量分数，%)

图2 法兰端试样的显微组织

表2 力学性能检测结果

铁素体+珠光组织无法评定晶粒度，所以将试样加热到920℃保温10 min后淬火，再进行晶粒度评级。理论上来说，经过重新奥氏体化后，奥氏体晶粒的界面已经发生推移，不能反映原奥氏体晶粒的晶界，但是锻件在生产过程中经过920℃长时间正火保温后，晶界趋于稳定，晶界能较低，重新奥氏体化后短时间保温淬火测定的晶粒度有一定的参考价值。图4为6-1、6-2和6-3试样的晶粒度，检测结果分别为ASTM6.3、ASTM6.4和ASTM5.7。对于6-3试样，粗大奥氏体晶粒可以达到0级以下，这些粗大奥氏体晶粒往往具有遗传效果[5]，很难通过热处理进行消除。

图3 硬度检测以及珠光体含量

2 试验研究

2.1 正火温度和保温时间对晶粒尺寸的影响

为了更好地评价正火时的正火温度和保温时间对奥氏体晶粒尺寸的影响[2,6-7]，设计了正火热处理试验。正火温度分别为880℃、900℃、920℃和940℃，保温时间分别为5 h、10 h、15 h和20 h，高温保温后水淬，热处理工艺方案如图5所示。

图4 淬火试样的晶粒检测结果

图5 正火热处理试验方案

表3 25SiMn合金不同正火热处理后的晶粒度及平均尺寸

表3所示为正火后试样的晶粒度及平均尺寸，晶粒度等级采用截线法进行测评，括号中所示为混晶晶粒度及平均晶粒尺寸，混晶晶粒度及尺寸测量采用的是像素面积法，在计算晶粒尺寸时，假设晶粒为六面体。从表3中可以看出，随着正火温度的升高和正火时间的增加，晶粒尺寸不断增加，且温度越高，保温时间越长，晶粒尺寸越大。

图6所示为不同热处理后试样的晶粒，从图中可以明显看出，试样中存在的混晶很难通过热处理的方式进行消除。940℃正火时，晶粒长大非常明显，而在900℃以下正火时，晶粒尺寸稳定，长大速度较慢。

根据晶粒长大动力学[8]，晶粒尺寸和正火时间的关系可以表达为：

(2)

2.2 正火温度和保温时间对珠光体含量的影响

根据正火温度和正火时间对晶粒尺寸的影响试验结果，保温温度越高，保温时间越长，晶粒尺寸越大，晶界越少，在冷却过程中珠光体形核位置也越少，珠光体含量也越低。对于25SiMn合金正回火工件来说，珠光体的含量会对材料的强度起决定性作用，而珠光体团簇的尺寸和材料的塑性和韧性息息相关。所以，研究正火过程中奥氏体化温度和保温时间对珠光体含量和团簇尺寸的影响对实际生产具有非常重要的指导意义。

设计正火工艺对珠光体含量影响的试验热处理工艺如图8所示。相同保温时间(10 h)条件下，分别在880℃、900℃、920℃和940℃保温后以60℃/h冷却至480℃后出炉空冷，通过该系列试验验证奥氏体化温度对珠光体含量的影响；相同保温温度(920℃)条件下，分别在保温1 h、5 h、10 h和20 h后以60℃/h冷却至480℃后出炉空冷，通过该系列试验验证保温时间对珠光体含量的影响。

图6 不同正火工艺后的晶粒

图7 不同温度下正火时间与晶粒直径平方的关系

图8 正火工艺对珠光体含量影响的试验热处理工艺

图9 不同正火温度条件下的金相组织

图9所示为相同保温时间、不同保温温度条件下得到的金相组织。从图9(a)可以看出，基体中仍存在一定数量的粗大珠光体组织的混晶现象，同时基体中存在大量细小珠光体团簇，随着奥氏体化温度的增加，珠光体发生粗化。从图9(b)和图9(c)保温试样可以看出，珠光体团簇具有较好的均匀度；但从见图9(d)可以看出，保温温度升高到940℃后，晶粒明显长大，珠光体团簇尺寸也随之增大，数量减少，这是晶粒粗化后珠光体形核位置减少所致。

图10所示为上述四个试样运用像素法得到的珠光体含量统计结果与奥氏体化保温温度的关系。从图中可以看出，在保温时间相同条件下，随着奥氏体化温度的升高，珠光体含量基本稳定且保持轻微增幅，当奥氏体化温度超过920℃后，珠光体含量会迅速降低。

图10 珠光体含量与奥氏体化温度的关系

图11所示为920℃分别在保温1 h、5 h、10 h和20 h后得到的金相组织。从图中可以看出，随着保温时间的延长，珠光体团簇尺寸也是逐渐增加，数量减少。结合奥氏体长大动力学试验结果，随着保温时间增加，晶粒度等级不断降低，晶粒尺寸逐渐增大，晶界数量减少，珠光体形核位置减少。

图11 不同保温时间条件下的金相组织

图12为上述四个试样运用像素法统计得到的珠光体含量与保温时间的关系图。从图中可以看出，保温10 h以内时，珠光体含量保持稳定，且稳中有升，随着保温时间继续增加，珠光体含量急剧降低。

图12 珠光体含量与保温时间的关系

通过上述分析，可以看出，正火温度过高或者保温时间过长都会导致珠光体团簇尺寸的急剧增加，珠光体含量的急剧降低。珠光体团簇尺寸的增加会导致材料的塑性和韧性的下降，而珠光体含量的降低会导致材料强度的降低。

2.3 热处理工艺改进探讨

从相关试验结果可以看出，保温温度控制在880～920℃，保温时间控制在10 h以内，在不考虑混晶影响时，可以获得较为细小的晶粒尺寸，以及均匀的珠光体团簇尺寸和较高的珠光体含量。另外，从奥氏体长大动力学试验来看，920℃以下进行保温时，保温时间15 h以内，奥氏体晶粒尺寸依旧保持稳定，所以在实际生产时，如果锻件尺寸较大，保温时间要求较高时，保温时间可以适度延长至15 h，如果时间超过15 h，可以适当降低正火温度。