带状组织控制工艺研究
叶玉娟，孟祥顺，高全德，王学玺，李守杰，王登科，史建马
（中原特钢股份有限公司，河南 济源459008）
摘 要：带状组织产生的原因是材料在塑性变形过程中出现两相组织，发生组织转变后形成由珠光体和碳化物交替分布的条带组织；或钢锭中存在严重的成分偏析，最后形成由珠光体和铁素体交替分布的条带组织。带状组织使材料的塑性、韧性及切削加工性能恶化。本文分析了曲轴坯带状组织的形成机理，对带状组织严重的曲轴坯进行扩散退火+正火+完全退火返工处理，最终使产品检测合格；同时对新投料曲轴坯，采取减少钢锭成分偏析、进行钢锭高温扩散、增加锻造镦粗、控温锻造及锻后采取正回火等工艺措施，解决了曲轴坯带状组织不合的生产难题，从而也提高了其力学性能指标。
关键词：带状组织；成分偏析；高温扩散；镦粗；控温锻造；正回火
带状组织是复相合金中的各个相，在热加工时形成沿变形方向交替地呈带状分布的组织，使材料的力学性能产生方向性，尤其是横向塑性和韧性明显降低，同时恶化材料的切削加工性能，加剧刀具磨损，降低工件表面质量；对于渗碳件，导致渗层深度及硬度不均，进而影响整个工件的安全性和疲劳寿命，因此曲轴、机车轴、吊钩、齿轮等用钢锻件均有严格的带状组织要求【1】。但是不同材料中产生带状组织的原因也不完全相同，本文分析研究了曲轴用钢带状组织产生的原因，试验得出带状组织的预防及改善措施，解决了实际生产中的难题。
曲轴为内燃机的关键零件，不仅外观形状复杂，使用时受力状态更为复杂：其作为高速旋转工件，不仅要承受交变的冲击、弯曲、扭转等载荷，而且要承受气体压力、惯性力矩的作用，尤其随着曲轴使用速度的提高及运输强度的增加，要求曲轴材料必须具备更高的强度和冲击韧性，因此研究消除和避免带状组织的产生势在必行。
1、生产工艺流程及产品要求
制作曲轴坯生产工艺路线如下：电炉冶炼+真空精炼→浇注钢锭→钢锭加热→油压机、精锻机联合锻造成型→锻后热处理→超声波检测、非金属夹杂物、显微组织、力学性能检测→机加工→表面质量检验、超声波检测、磁粉检测→包装→交货。
曲轴坯化学成分要求见表1。
表1 化学成分（%，质量分数）
Table1 Chemical composition(%,mass fraction)
|
化学成分 |
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Ni |
Mo |
Cu |
|
要求范围 |
0.42～0.49 |
0.15～0.40 |
0.70～0.90 |
≤0.020 |
≤0.02 |
0.15～0.25 |
≤ 0.40 |
0.07～0.15 |
≤ 0.20 |
锻后高倍要求见表2。
表2 高倍要求
Table2 the index of non metallic inclusions and microstructure
|
非金属夹杂物 |
实际 晶粒度 |
带状 组织 |
魏氏 组织 |
|||
|
A/Ae |
B/Be |
C/Ce |
D/De |
|||
|
≤2.0/≤2.0 |
≤2.0/≤2.0 |
≤1.0/≤1.0 |
≤1.0/≤1.0 |
≥6级 |
≤2级 |
不允许 |
在锻件冒口端截取300mm长试料，经整体调质热处理后取样检测力学性能，各力学性能指标要求如见3。
表3 力学性能要求
Table3 the index of mechanical properties
|
力学性能 |
Rp（0.2）/MPa |
Rm/MPa |
A/% |
Z/% |
AKu5（J） |
|
技术要求 |
≥370 |
≥720 |
≥16 |
≥45 |
≥26 |
2 试制过程及结果分析
2.1 试制工艺过程
试制生产工艺路线为：钢锭加热→油压机开坯至尺寸Φ500mm→精锻机锻造成型→退火→超声波检测、高倍理化检测。
2.2 存在的质量问题与分析
跟踪炉锭号为3150217炉理化检测结果发现，其晶粒度为5~6.5级，带状组织为3级，无魏氏组织，如图1。
图1 晶粒度及组织
a)Grain size:5~6.5 b)The microstructure:3
Fig.1 The grain size and the microstructure
试棒的力学性能检测结果见表4。
表4 力学性能检测结果
Table4 the result of mechanical properties
|
力学性能指标 |
Rp（0.2）/MPa |
Rm/MPa |
A/% |
Z/% |
AKu5（J） |
|
检测结果 |
565 |
812 |
17.5 |
52 |
26/26/24 |
由图1及表4可看出：该批曲轴晶粒度及带状组织均超标，断面收缩率及冲击功值相对偏低，尤其冲击功不能满足使用要求。针对以上问题进行分析与研究。
据相关资料介绍，产生带状组织的主要原因有以下两种：一是材料在塑性变形过程中出现两相组织，如1Cr13与Cr12钢，在塑性变形时组织为奥氏体和碳化物，塑性变形后奥氏体与碳化物延长为带状，经组织转变后形成由珠光体与碳化物构成的带状组织。二是由于钢锭中存在成分偏析和夹杂物，塑性变形时偏析区和夹杂物沿塑性变形方向伸长为条带状分布，在冷却过程中组织转变时，首先析出的先共析铁素体形成铁素体带，而铁素体带两侧则随后发生珠光体转变，最终形成由珠光体和铁素体构成的带状组织【2】。
该曲轴用钢材料原始组织为等轴状均匀分布的珠光体和铁素体，其带状组织形成原因属于第二种情况。钢锭中严重的成分偏析和夹杂物在锻造过程中延伸为条带状分布，在奥氏体冷却到析出先共析铁素体温度时，先共析铁素体依附于成分偏析带或夹杂物带而析出，而铁素体两侧的地带则随后转变为珠光体，最终形成了图1中的带状组织，该严重的带状组织导致冲击功偏低。
通过以上分析，为尽量减低回或避免该曲轴用钢带状组织的产生，必须采取措施减少钢锭中的成分偏析。采用电渣重熔再结晶的方式可达到目的，但经核算，生产成本及时间成本均增加较高，无法满足企业精益生产的要求。经反复研究讨论，从锻造工序及锻后热处理工序采取措施，控制该曲轴毛坯的带状组织。
3 组织修复的工艺研究
为尽量减少公司损失，对于试制生产的曲轴坯进行返工热处理，以改善带状组织、提高力学性能。由2中分析可知，该带状组织是由于成分偏析引起的，并且高温时该材料为单相奥氏体组织，因此考虑将该批曲轴坯进行高温扩散退火+正火+完全退火处理。
采取高温扩散退火是将其加热至1150℃，并在该温度下长时间保温，以改善或消除偏析，使成分及组织均匀化。但长时间的高温保温，使锻件的奥氏体晶粒特别粗大，因此必须再进行一次正火，根据该材料的临界点：Ac1≈725℃，Ac3≈780℃，将其在830℃下正火，并采取雾冷的方式快速冷却，以细化晶粒、消除魏氏组织、过热缺陷和带状组织等，得到细小的珠光体组织。该正火过程实质是完全奥氏体化加伪共析转变，因此组织中还含有伪共析体和少量铁素体【3】。为进一步消除带状组织，及使先共析铁素体和过冷奥氏体在较高温度范围内转变为珠光体，因此增加一次完全退火工序。具体工艺曲线如图2。
图2 组织修复热处理工艺
Fig.2 heat treatment for tissue repairing
返工热处理后，重新切片进行理化检测，晶粒度为7～6.5级，带状组织为2级，无魏氏组织。如图3。
图3 晶粒度及组织
a)Grain size:7~6.5 b)The microstructure:2
Fig.3 The grain size and the microstructure
力学性能检测结果见表5。
表5 力学性能检测结果
Table5 the result of mechanical properties
|
力学性能指标 |
Rp（0.2）/MPa |
Rm/MPa |
A/% |
Z/% |
AKu5（J） |
|
检测结果 |
570 |
810 |
18.0 |
56 |
28/26/27 |
由此可见，通过扩散退火+正火+完全退火的热处理方式，对带状有所改善，从而使塑性指标提高。但是该工艺生产周期长，消耗能量大，工件氧化、脱碳严重，成本高，因此实际生产中并不提倡该生产路线，而应综合考虑各方面因素，减轻及避免带状组织，而不应该寄希望于返工处理。
4 工艺优化及结果分析
通过2和3中的分析可知，为降低及避免该曲轴坯的带状组织，根本措施是尽量减轻钢锭中的成分偏析，因此炼钢过程必须严格控制各工艺参数，获得成分均匀的钢锭，为后续生产提供良好的材料准备。同时后续工序为改善成分偏析及锻件流线分布，应合理设计锻前加热、锻造及锻后热处理工艺。
4.1 锻前加热工艺优化
为消除钢锭中化学成分不均匀及枝晶偏析等现象，锻前加热时将钢锭在1250℃下高温扩散15小时后再出炉锻造。具体加热曲线见图4。
图4 加热曲线
Fig.4 the heating curve before forging
4.2 锻造工艺优化
为改善锻件中夹杂物的分布状态，避免先共析铁素体随夹杂物沿锻件变形方向形核并长大，锻造时增加镦粗工序；同时为得到细小晶粒以进一步减轻带状组织，精锻机采用控温锻造，即在预留约1.5的锻比时，控制锻件温度降至780℃再锻造成型【4】。
4.3 锻后热处理工艺优化
锻后采用正回火工艺，以细化晶粒、消除魏氏组织及带状组织，具体工艺曲线见图5。
图5 正回火曲线
Fig.5 the annealing process curve
4.4 工艺优化后效果
跟踪生产过程，严控各工艺参数执行到位，超声波检测无超标信号存在。检测晶粒度为8级，带状组织为0.5级，无魏氏组织。如图6所示。
图6 晶粒度及组织
a)Grain size:8 b)The microstructure:0.5
Fig.6 The grain size and the microstructure
力学性能检测结果见表6。
表6 力学性能检测结果
Table6 the result of mechanical properties
|
力学性能指标 |
Rp（0.2）/MPa |
Rm/MPa |
A/% |
Z/% |
AKu5（J） |
|
检测结果 |
563 |
792 |
20.0 |
60 |
39/46/36 |
由图6及表6中检测结果可知，各项指标均满足客户要求，达到了预期目的，从而也验证了各工艺参数的可靠性。
5 结论
通过工艺研究与理论分析，跟踪生产过程及结果，得出以下结论：
（1）解决带状组织的根本措施是减轻钢锭的成分偏析，通过电渣重熔可达到该目的，但生产成本高、周期长。
（2）当钢锭质量一定时，通过锻前加热时的高温扩散，可改善或消除钢锭在凝固过程中产生的成分偏析，使成分和组织均匀化。
（3）增加油压机镦粗，改善钢锭的枝晶偏析和区域偏析，改变组织的流线分布，同时精锻机进行780℃控温锻造，可细化晶粒、减轻带状组织。
（4）锻后热处理采用正回火，可进一步细化晶粒、消除魏氏组织和带状组织。
参考文献：
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[3] 张迎晖,赖泓州,赵鸿金.钢中带状组织的研究现状[J].轧钢,2014,（6):45-47.
ZHANG Yinghui,LAI Hongzhou,ZHAO Hongjin.Situation of steel banded structure[J].Rolling,2014,（6):45-47.
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YAO Zekun.Forging technology and die design[M].Xian:Northwestern polytechnical university press,1996.
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