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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。

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

0.420.49

0.150.40

0.700.90

0.020

0.02

0.150.25

0.40

0.070.15

0.20

 

锻后高倍要求见表2。

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

2

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。

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。

  

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。

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。

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。

  

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。

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。

 

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。

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。

  

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。

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:

[1] 崔忠圻.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社,2000.

    CUI Zhongqi.Metallography and heat treatment[M].Beijing:Mechanical industry press,2000.

[2] 俞汉清,陈金德.金属塑性成形原理[M].北京:机械工业出版社,1998.

    YU Hanqing,CHEN Jinde.Principle of metal plastic forming[M].Beijing: Mechanical industry press,1998.

[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.

[4] 姚泽坤.锻造工艺学与模具设计[M].西安:西北工业大学出版社,1996.

    YAO Zekun.Forging technology and die design[M].Xian:Northwestern polytechnical university press,1996.