大型鑄鋼件正火保溫時間的研究

李文輝，馬 進，馮周榮，納學洋，魏 歡

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

熱處理是鑄鋼件生產過程中非常重要的特殊工序之一，同時也是耗能大戶，在相當長的一段時間里，熱處理過程中節約能源一直都是一道難題。直到20 世紀70 年代，日本學者大和重雄提出了結構鋼淬火的保溫時間可以為零的設想，引起了國內外熱處理學者對鋼的零保溫淬火開展了較多的研究。遼寧工程技術大學孟繁盛等，研究得出60SiMn 鋼“零保溫”淬火工藝與傳統淬火工藝相比較，其奧氏體晶粒細小，淬火后組織細小，兩者機械性能指標極為接近[1]。渤海船舶職業學院朱鳳艷等的研究表明結構鋼淬火及正火加熱采用“零保溫”或短時間是完全可行的。特別是45/45Mn2這樣的碳素結構鋼或單元素合金結構鋼，采用“零保溫”工藝可以保證其力學性能要求[2]。焦作工學院李安銘，對礦用液壓支柱缸體用鋼27SiMn 的研究表明其“零保溫”淬火得到極細的板條狀的馬氏體組織，究其原因發現與奧氏體晶粒細化和奧氏體中的碳濃度分布不均勻有關[3]。

以上研究主要是針對結構件的某些材質件進行了相應的零保溫淬火試驗研究，相比結構件而言，鑄鋼件組織粗大，成分和組織偏析嚴重，結構復雜等特點，所以相應的熱處理工藝也略有不同，尤其是對于大型鑄鋼件來說，更是如此。大型鑄鋼件零保溫正火淬火方面的研究不多見。本文主要對大型碳鋼類鑄鋼件正火縮短保溫時間甚至零保溫時間進行試驗探討。

1 試驗條件

主要針對碳鋼類材質件進行試驗驗證，鑄件材質化學成分元素及含量要求見表1。

表1 鑄件化學成分要求 ωB/%

另外，P≤0.035%，S≤0.025%,其他為Fe 和雜質元素。

鑄件常溫力學性能要求見表2。

表2 鑄件常溫力學性能要求

本次試驗采用隨同鑄件同爐澆鑄的4 個附鑄試塊進行相關的試驗，附鑄試塊輪廓最大尺寸為300mm×100mm×120mm。

2 試驗方案

本文所述大型鑄鋼件，鑄件重量10～40t，最大壁厚300mm，最小壁厚125mm。鑄件尺寸大，結構復雜，澆鑄凝固過程中形成較明顯的樹枝晶，微觀成分偏析較顯著，從鑄態鑄件上取樣檢測，發現鑄態晶粒粗大，魏氏組織明顯，力學性能上則表現為強度較高但塑韌性較差，因此必須通過熱處理消除鑄態組織,獲得比較高的綜合力學性能。一般鑄鋼件尤其是這種大型鑄鋼件傳統熱處理方式優先采用正火的工藝方式。考慮減少鑄件的變形和熱處理過程中產生裂紋，對于這種超大型鑄鋼件，正火溫度的選擇必須也要合適。正火熱處理的主要目的是充分溶解鑄鋼件凝固過程中的析出相，經奧氏體化后形成較小晶粒的奧氏體，冷卻后形成細小的F+P 或B 組織。

正火溫度均按照鑄件正常熱處理正火溫度900℃，保溫時間根據日常鑄件最大壁厚，按照傳統1h/inch（2.36min/mm）保溫系數計算，則為12h。按照經濟型保溫系數1.75min/mm 計算，則為9h，余下兩組為改進型保溫時間3h 和0h。具體試驗方案見表3。

表3 正火試驗方案

代表四個方案的四個鑄態試塊同爐加熱正火，加熱爐采用電阻小試驗爐，爐溫均勻性≤±5℃。當正火保溫溫度達到工藝要求后，將方案4試塊迅速從試驗爐中拿出，模擬鑄件上的附鑄試塊冷速進行冷卻。余下試塊繼續保溫，保溫時間分別達到3h，9h，12h 后，分別將方案3 試塊、方案2試塊、方案1 試塊迅速從試驗爐中拿出，用相同的冷卻方式冷卻。

3 試驗檢測結果及分析

各試驗試塊正火冷卻到室溫后，標識好對應的試塊編號，并進行相應的力學性能和金相檢測。具體檢測結果見表4。

表4 各方案試驗試塊力學性能檢測結果

從試驗結果來看，隨著正火保溫時間的縮短，抗拉強度Rm略有降低趨勢，屈服強度Rp0.2有明顯的上升趨勢，塑性指標中延伸率A 和斷面收縮率Z 也有明顯的上升趨勢，沖擊韌性略有降低但無明顯趨勢。總體來說，將正火保溫時間縮短，甚至保溫時間為0，試塊的各項力學性能指標均能滿足材料標準的要求。

圖1 正火不同保溫時間金相組織

以上試驗試塊對應的金相組織檢測見圖1。

從金相組織可以看出，在正火溫度相同情況下，隨著正火保溫時間的縮短，最明顯的差異是晶粒越來越細，晶粒度等級由6～7 級提升到10 級。組織基本均為P+F，差別不大。

從以上檢測結果來看，正火保溫時間縮短甚至零保溫處理時，正火后得到更細小的鐵素體和珠光體，相應的晶界數量就變多，位錯滑移遇到晶界，滑移就會減緩，這在一定程度上增加了屈服強度。根據Hall-petch（霍爾-佩奇）公式：σs=σi+K×d-1/2，式中σi、K 均為材料常數,而d則為晶粒直徑。由此也可以看出，晶粒直徑越小，屈服強度σs就越高。

一般來說，細晶粒的多晶體不僅強度高，而且塑性和韌性也較好。因為晶粒越細，不同位向的晶粒也越多，在同樣受力變形條件下，變形量可分散在更多的晶粒內進行，使各晶粒的變形比較均勻，而不至于過于集中在少數晶粒上，使其變形嚴重。另外在一定體積的晶體內，晶粒的數目越多，晶界就越多，晶粒就越細，越曲折，有利于阻止裂紋的傳播，從而在其斷裂前能承受較大的塑性變形，吸收較多的功，表現出較好的塑性和韌性。

正火加熱溫度決定了奧氏體的形成溫度，該溫度升高，奧氏體的形核率和長大速度急劇增加，如果鑄鋼件在高溫停留時間短，奧氏體來不及長大或長大不明顯，就會得到更細小的奧氏體晶粒。相反，如果鑄件在高溫停留時間較長，尤其是正火溫度較高的情況下，比如950℃以上，奧氏體就會明顯長大，奧氏體晶粒就會粗大。

因此，正火加熱溫度越高，轉變孕育期和完成轉變的時間越短。這就為零保溫的實際提供了可能，特別是中小工件，其尺寸較小，再加上鋼的導熱系數很大，可以認為奧氏體的轉變在瞬間即可完成，無需進行長時間的保溫。如：在780℃時奧氏體完成一半轉變所需要的時間為3 秒鐘，而在800℃時奧氏體完成一半的轉變所需要的時間為1 秒鐘。對大型鑄鋼件，正火奧氏體化溫度一般都在Ac3以上50～80℃，溫度相對較高。因此，奧氏體化轉變時間就較短。

在正火溫度一定的情況下，影響正火保溫時間的主要因素為鋼的含碳量和合金含量。碳和合金元素增多會使鋼的導熱性下降，另外會顯著延緩鋼中的組織轉變，所以實際生產中，碳素鋼和低合金鋼的保溫時間要比高碳鋼、高合金鋼的保溫時間短一些。影響保溫時間長短的其他因素如加熱介質、工件的幾何形狀和尺寸、件在爐內的堆放方式等則相對影響較小。據蘇州絲綢工學院吳國梁、宋哲等的研究表明，45 鋼工件直徑或厚度不大于100mm 時，在空氣爐中加熱，其表面和心部的溫度幾乎是同時到達的，因而其透熱時間可以不予考慮[4]。對于大型鑄鋼件熱處理，一般不會堆放熱處理，加熱介質也相對固定。在實際鑄件熱處理生產運用中，只要監控到鑄件表面達到工藝要求的溫度，再考慮鑄件最大壁厚或重要工作面壁厚心部溫度到達的時間，即透熱時間，余下的保溫時間即可大大縮短。

4 結論

對于碳鋼鑄件，正火縮短保溫時間甚至零保溫，相對原來的較長保溫時間，鑄件的強度和塑韌性性有明顯的提高，且全部力學性能指標都符合材料標準要求。