劉玉慶 姚東峰 董文林 黨強 苑峻銘

(山東省特種設備檢驗研究院集團有限公司，山東 濟南 250000)

25SiMn鋼作為一種低合金鋼具有優(yōu)異綜合性能，經(jīng)過熱處理正火+回火后，其金相組織一般為珠光體和鐵素體，綜合力學性能優(yōu)異，在大型鍛件領域應用廣泛[1-2]。在實際生產(chǎn)中，25SiMn鋼常常通過適當?shù)臒崽幚砉に嚮蛉蹮挄r加入能細化晶粒的V、Ti等元素來獲得均勻的珠光體組織和奧氏體晶粒[3]。不恰當?shù)臒崽幚砉に嚂е?5SiMn鋼鍛件晶粒粗大、混晶，或碳化物異常長大，不利于材料的綜合性能。

1 試驗材料

某廠生產(chǎn)的鍛件法蘭端拉伸性能不合格，針對該問題在鍛件法蘭位置取試分析。沿法蘭端徑向取3個試樣，分別編號6-1(法蘭中心)、6-2(法蘭中部)和6-3(法蘭外部)，利用金相設備和HV10硬度計檢測了試樣的金相組織、晶粒度和硬度在徑向的差異性。另外在“6-2”和“6-3”位置處分別取2根?10 mm拉伸試樣和2個V型缺口沖擊試樣，進行常溫拉伸試驗和0℃低溫沖擊試驗，檢測力學性能在徑向的差異。6-2和6-3試樣取屑15 g和碳硫分析試樣進行成分分析。熱處理試樣取自法蘭端徑向中間部位。取樣位置示意圖見圖1。

圖1 取樣位置示意圖

6-2和6-3試樣化學成分檢測結果如表1所示，雜質元素P、S及其他元素含量都在規(guī)范要求的范圍內。

根據(jù)公式(1)計算兩個試樣的碳當量，也在要求范圍內。

(1)

表2描述的鍛件法蘭端6-2和6-3位置試樣的抗拉強度Rm和屈服強度Rp0.2不滿足用戶技術要求，斷后伸長率A和斷面收縮率Z合格。圖2為6-1、6-2、6-3試樣的金相組織，從圖2可以看出，試樣的金相組織為珠光體+鐵素體，6-3試樣還存在魏氏組織以及粗大珠光體團簇，這對力學性能具有非常不利的影響，因為6-3試樣處在法蘭表面，熱處理時升溫快，且保溫時間長，晶粒容易粗化。在冷卻過程中，表面冷卻速度較快，鐵素體不僅沿奧氏體晶界析出生長，而且還會在粗大的奧氏體晶粒內部形成許多大片狀鐵素體，粗大鐵素體片之間的奧氏體最后轉變?yōu)橹楣怏w。運用像素法評定3個試樣的珠光體含量分別為50%、50%和60%。對6-3試樣進行電鏡掃描分析，試驗結果如圖3所示。從圖3中可發(fā)現(xiàn)，珠光體含量與硬度正相關[4]。

表1 化學成分(質量分數(shù)，%)

圖2 法蘭端試樣的顯微組織

表2 力學性能檢測結果

鐵素體+珠光組織無法評定晶粒度，所以將試樣加熱到920℃保溫10 min后淬火，再進行晶粒度評級。理論上來說，經(jīng)過重新奧氏體化后，奧氏體晶粒的界面已經(jīng)發(fā)生推移，不能反映原奧氏體晶粒的晶界，但是鍛件在生產(chǎn)過程中經(jīng)過920℃長時間正火保溫后，晶界趨于穩(wěn)定，晶界能較低，重新奧氏體化后短時間保溫淬火測定的晶粒度有一定的參考價值。圖4為6-1、6-2和6-3試樣的晶粒度，檢測結果分別為ASTM6.3、ASTM6.4和ASTM5.7。對于6-3試樣，粗大奧氏體晶?？梢赃_到0級以下，這些粗大奧氏體晶粒往往具有遺傳效果[5]，很難通過熱處理進行消除。

圖3 硬度檢測以及珠光體含量

2 試驗研究

2.1 正火溫度和保溫時間對晶粒尺寸的影響

為了更好地評價正火時的正火溫度和保溫時間對奧氏體晶粒尺寸的影響[2,6-7]，設計了正火熱處理試驗。正火溫度分別為880℃、900℃、920℃和940℃，保溫時間分別為5 h、10 h、15 h和20 h，高溫保溫后水淬，熱處理工藝方案如圖5所示。

圖4 淬火試樣的晶粒檢測結果

圖5 正火熱處理試驗方案

表3 25SiMn合金不同正火熱處理后的晶粒度 及平均尺寸

表3所示為正火后試樣的晶粒度及平均尺寸，晶粒度等級采用截線法進行測評，括號中所示為混晶晶粒度及平均晶粒尺寸，混晶晶粒度及尺寸測量采用的是像素面積法，在計算晶粒尺寸時，假設晶粒為六面體。從表3中可以看出，隨著正火溫度的升高和正火時間的增加，晶粒尺寸不斷增加，且溫度越高，保溫時間越長，晶粒尺寸越大。

圖6所示為不同熱處理后試樣的晶粒，從圖中可以明顯看出，試樣中存在的混晶很難通過熱處理的方式進行消除。940℃正火時，晶粒長大非常明顯，而在900℃以下正火時，晶粒尺寸穩(wěn)定，長大速度較慢。

根據(jù)晶粒長大動力學[8]，晶粒尺寸和正火時間的關系可以表達為：

(2)

2.2 正火溫度和保溫時間對珠光體含量的影響

根據(jù)正火溫度和正火時間對晶粒尺寸的影響試驗結果，保溫溫度越高，保溫時間越長，晶粒尺寸越大，晶界越少，在冷卻過程中珠光體形核位置也越少，珠光體含量也越低。對于25SiMn合金正回火工件來說，珠光體的含量會對材料的強度起決定性作用，而珠光體團簇的尺寸和材料的塑性和韌性息息相關。所以，研究正火過程中奧氏體化溫度和保溫時間對珠光體含量和團簇尺寸的影響對實際生產(chǎn)具有非常重要的指導意義。

設計正火工藝對珠光體含量影響的試驗熱處理工藝如圖8所示。相同保溫時間(10 h)條件下，分別在880℃、900℃、920℃和940℃保溫后以60℃/h冷卻至480℃后出爐空冷，通過該系列試驗驗證奧氏體化溫度對珠光體含量的影響；相同保溫溫度(920℃)條件下，分別在保溫1 h、5 h、10 h和20 h后以60℃/h冷卻至480℃后出爐空冷，通過該系列試驗驗證保溫時間對珠光體含量的影響。

圖6 不同正火工藝后的晶粒

圖7 不同溫度下正火時間與晶粒直徑平方的關系

圖8 正火工藝對珠光體含量影響的試驗熱處理工藝

圖9 不同正火溫度條件下的金相組織

圖9所示為相同保溫時間、不同保溫溫度條件下得到的金相組織。從圖9(a)可以看出，基體中仍存在一定數(shù)量的粗大珠光體組織的混晶現(xiàn)象，同時基體中存在大量細小珠光體團簇，隨著奧氏體化溫度的增加，珠光體發(fā)生粗化。從圖9(b)和圖9(c)保溫試樣可以看出，珠光體團簇具有較好的均勻度；但從見圖9(d)可以看出，保溫溫度升高到940℃后，晶粒明顯長大，珠光體團簇尺寸也隨之增大，數(shù)量減少，這是晶粒粗化后珠光體形核位置減少所致。

圖10所示為上述四個試樣運用像素法得到的珠光體含量統(tǒng)計結果與奧氏體化保溫溫度的關系。從圖中可以看出，在保溫時間相同條件下，隨著奧氏體化溫度的升高，珠光體含量基本穩(wěn)定且保持輕微增幅，當奧氏體化溫度超過920℃后，珠光體含量會迅速降低。

圖10 珠光體含量與奧氏體化溫度的關系

圖11所示為920℃分別在保溫1 h、5 h、10 h和20 h后得到的金相組織。從圖中可以看出，隨著保溫時間的延長，珠光體團簇尺寸也是逐漸增加，數(shù)量減少。結合奧氏體長大動力學試驗結果，隨著保溫時間增加，晶粒度等級不斷降低，晶粒尺寸逐漸增大，晶界數(shù)量減少，珠光體形核位置減少。

圖11 不同保溫時間條件下的金相組織

圖12為上述四個試樣運用像素法統(tǒng)計得到的珠光體含量與保溫時間的關系圖。從圖中可以看出，保溫10 h以內時，珠光體含量保持穩(wěn)定，且穩(wěn)中有升，隨著保溫時間繼續(xù)增加，珠光體含量急劇降低。

圖12 珠光體含量與保溫時間的關系

通過上述分析，可以看出，正火溫度過高或者保溫時間過長都會導致珠光體團簇尺寸的急劇增加，珠光體含量的急劇降低。珠光體團簇尺寸的增加會導致材料的塑性和韌性的下降，而珠光體含量的降低會導致材料強度的降低。

2.3 熱處理工藝改進探討

從相關試驗結果可以看出，保溫溫度控制在880～920℃，保溫時間控制在10 h以內，在不考慮混晶影響時，可以獲得較為細小的晶粒尺寸，以及均勻的珠光體團簇尺寸和較高的珠光體含量。另外，從奧氏體長大動力學試驗來看，920℃以下進行保溫時，保溫時間15 h以內，奧氏體晶粒尺寸依舊保持穩(wěn)定，所以在實際生產(chǎn)時，如果鍛件尺寸較大，保溫時間要求較高時，保溫時間可以適度延長至15 h，如果時間超過15 h，可以適當降低正火溫度。

3 結論

(1)鍛件法蘭端表面取試的性能不合格，是因為法蘭表面晶粒粗大、混晶，還存在魏氏體組織。

(2)珠光體含量與硬度正相關較強，通過控制珠光體含量和晶粒尺寸可以提高25SiMn的綜合力學性能。

(3)25SiMn在900℃以下正火時，晶粒尺寸較為穩(wěn)定，正火溫度高于920℃會導致晶粒粗大以及混晶現(xiàn)象加重，熱處理時控制正火溫度在880～920℃有利于獲得較為均勻的晶粒尺寸。

(4)25SiMn正火時溫度過高或者保溫時間過長都會導致金相組織中珠光體團簇尺寸的急劇增加，珠光體含量的急劇降低。保溫溫度控制在880～920℃，保溫時間控制在10 h以內可以獲得較為均勻的珠光體團簇尺寸以及較高的珠光體含量。