18%Ni马氏体时效钢热挤压管晶粒细化的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)沈阳科金特种材料有限公司 作者:刘智勇

1、概述

  18%Ni马氏体时效钢大口径热挤压管, 由于受到生产条件的限制, 锻造过程中铸态钢锭上过多的粗大晶粒没能被破碎, 使得粗大的晶粒遗留在挤压坯料中。此状态的坯料在随后的挤压变形过程中, 一方面由于挤压比小, 另一方面由于加热温度高达1220℃以上, 同时变形结束时温度过高, 水冷也不能阻止聚合再结晶晶粒的长大, 导致了热挤压管件低倍粗晶组织的产生。此种粗晶组织对冷旋薄壁管的性能会带来不利的影响。本文对18%Ni马氏体时效钢大口径热挤压管再结晶细化过程做了探讨, 确定了晶粒细化最佳温度规范。

2、试验方法

  试验用料是工业生产的18%Ni马氏体时效钢(含1.37% Ti) 热挤压管(表1 ) , 规格尺寸为Ф220 ×14mm, 将热挤压管切割成试样, 在空气炉中进行1200℃×1h的高温处理后水冷, 经此热处理的原奥氏体晶粒的平均直径为0.359mm, 晶粒度为0级(图1) 。再将试样以300℃/h的加热速度加热到780 ~900℃之间的不同温度, 水冷。在光学显微镜下观察各温度处理试样的组织形貌, 试验用腐蚀剂为铬酸水溶液。

表1 试验用热挤压管的化学成分

试验用热挤压管的化学成分 

3、试验分析

3.1、再结晶与温度的关系

  由试样固溶处理后的金相照片可见, 其组织形貌为典型的板条状马氏体(图1b ) , 晶粒度为0级。当固溶处理后的试样分别加热到780℃、810℃、850℃和900℃后立即水冷, 则试样的组织形貌发生了变化(图2) 。

 

  加热温度为780℃ (图2a) 和810℃ (图2b)时, 奥氏体的晶粒尺寸和加热前的奥氏体晶粒相同。当温度在850℃时, 可观察到新的细小的奥氏体晶粒开始在原晶界出现(图2c) , 出现此现象的原因是逆向奥氏体开始再结晶, 并优先在原奥氏体晶界发生。900℃加热时再结晶已完成(图2d ) ,已变成均匀细小的晶粒。

  从试验看出, 18%N i ( 1.37% Ti) 马氏体时效钢大口径热挤压管, 在试验条件下的再结晶开始温度约850℃。

3.2、再结晶与时间的关系

  在850℃处理后再结晶晶粒在晶界开始生成,保温0.5h (图3a) 再结晶完成, 虽然新生的晶粒细小且均匀分布, 但原奥氏体晶界并没有完全消失, 保温1h后(图3b) , 原奥氏体晶界完全消失,均是新生的再结晶晶粒, 平均直径为0.045mm,评级标准为6级。保温3h后(图3c) 其新生的再结晶晶粒有开始聚合长大的倾向。因此从试验可看出, 再结晶是一种形核和核长大的相变过程, 它可分4个阶段。即开始阶段在原奥氏体晶界形核生成新的晶粒, 第二阶段形核由晶界移向晶内, 第三阶段原奥氏体晶界消失, 第四个阶段新生晶粒聚合开始长大。从试验也可确定大口径热挤压管采取850℃ × ( 1~2h) 的再结晶细化处理, 可以取得良好的效果。

850℃保温不同时间的晶粒

( a) 保温0.5h ( b) 保温1h ( c) 保温2h ( d) 保温3h


图3 850℃保温不同时间的晶粒度( ×100)

3.3、再结晶与原奥氏体状态的关系

  逆向奥氏体再结晶与原奥氏体状态有着密切的关系。由于试样均是预先经过1200℃ ×1h固溶处理后作为新的原始状态, 其晶粒度为0级, 且晶界较细的状态下, 采取850℃ ×1h再结晶取得良好的效果。而不采取固溶处理, 其原始状态晶粒大小不均, 晶界较粗, 需要更高的温度或更长的时间吸收更多的能量使晶界细化然后再结晶细化。

3.4、再结晶与加热速度的关系

  加热缓慢实际上相当于延缓再结晶的保温时间, 另外从马氏体时效钢富铁- 镍相图可以看出,由于没有中间相的产生, 奥氏体再结晶过程与加热冷却速度无关, 因而工业性生产更能在确定的温度下达到再结晶晶粒细化。

3.5、不同奥氏体温度下晶粒尺寸对性能的影响

  把试样经不同奥氏体化温度处理后, 其晶粒随着固溶温度的升高而聚合长大(图4) , 晶粒长大后, 其塑性明显地降低(图5) , 因此大口径热挤压管须经过再结晶细化处理。经过再结晶细化处理后, 延伸率δ可由1.0%提高到8.0%。断面收缩率可由11.5%提高到32%以上, 且断口呈韧性断裂。

4、结语

  (1) 采取逆向奥氏体完全再结晶的方法, 可以细化大口径热挤压管粗大晶粒, 其最佳规范是850℃ ×1h。

  (2) 逆向奥氏体再结晶是在原奥氏体晶界形核生成新的晶粒、形核由晶界移向晶内完全再结晶、原奥氏体晶界完全消失和新生晶粒聚合长大4个过程。

  (3) 采取再结晶后的材料延性大大提高, 且断口由沿晶断裂变为韧性断裂。

  (4) 加热与冷却速度对再结晶效果影响不大,因此本方法在工业性生产中是行之有效的。

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