凌鋼大棒金屬材料奧氏體晶粒度的研究

摘要：晶粒度的好壞是鋼材質(zhì)量的重量指標，同時直接關(guān)系到鋼材性能的優(yōu)劣，凌鋼自生產(chǎn)品種鋼以來晶粒度控制水平一直不好，嚴重制約了鋼材向高端方向發(fā)展，為了解決這一問題，進行了多種嘗試及試驗，最終通過增加酸溶鋁的含量使此問題得到了根本性的解決，也印證了第二元素的鋁含量和對晶粒度有著極大地影響。

關(guān)鍵詞：加熱速率 晶粒度 混晶 酸溶鋁 金屬材料性能

凌鋼大棒材主要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)棒材，產(chǎn)品斷面涵蓋φ80～φ260圓鋼規(guī)格，產(chǎn)品質(zhì)量相對穩(wěn)定并穩(wěn)步提升，逐步應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但是混晶問題一直未得到根本性的解決，對后續(xù)產(chǎn)品的加工也帶來了較大影響，為了解決這個問題，使產(chǎn)品質(zhì)量進一步提升，企業(yè)技術(shù)人員也進行了一系列的探索試驗，目前得到了根本性的控制。

一、奧氏體晶粒度的概念及混晶的危害

1.1 晶粒度的概念

表示晶粒大小的尺度叫晶粒度，常用單位體積（或單位面積）內(nèi)的晶粒數(shù)目或晶粒的平均線長度（或直徑）表示。工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級來表示晶粒大小。在鋼鐵材料中，常見的就這8個級別，其中1～3號被認為是粗晶粒，4～6號為中等晶粒，7～8號為細晶粒。同時鋼材出廠之前都要按照相應(yīng)的技術(shù)標準和技術(shù) 文件的規(guī)定進行各項檢驗或試驗。鋼的奧氏體晶粒度的檢驗是其中之一。鋼的奧氏體晶粒度之不合格（六級以下占比超過一定比例），主要表現(xiàn)為在細晶粒的基體上存在部分特別粗大的晶粒，即形成所謂的“ 混晶”。

1.2混晶的危害

晶粒長大是一個自發(fā)的過程，因為晶粒越大，單位體積晶粒數(shù)就越少，即晶界面積越小，因而晶界能或整個系統(tǒng)的自由能就越低，奧氏體晶粒的大小對鋼的許多性能影響很大，晶粒度的影響，實質(zhì)是晶界面積大小的影響。晶粒越細小則晶界面積越大，對性能的影響也越大。對于金屬的常溫力學性能來說，一般是晶粒越細小，則強度和硬度越高，同時塑性和韌性也越好。這是因為，晶粒越細，塑性變形也越可分散在更多的晶粒內(nèi)進行，使塑性變形越均勻，內(nèi)應(yīng)力集中越小;而且晶粒越細，晶界面越多，晶界越曲折;晶粒與晶粒中間犬牙交錯的機會就越多，越不利于裂紋的傳播和發(fā)展，彼此就越緊固，強度和韌性就越好。所以混晶由于部分晶粒粗大，所以會造成鋼材的強度、塑性和韌性的降低，對下游工序的使用造成較大影響。

二、晶粒長大影響因素

首先，奧氏體起始晶粒度取決于形核率N和長大速度G的比值N/G，此值愈大，奧氏體起始晶粒就愈小。其次，在起始晶粒形成之后，鋼的實際晶粒則取決于奧氏體在繼續(xù)保溫或升溫過程中的長大傾向，而奧氏體晶粒長大傾向又與起始晶粒的大小、均勻性以及晶界能有關(guān)。晶粒大小愈不均勻、曲率半徑愈小、表面彎曲度愈大，則界面能愈大，晶粒長大的傾向性就愈大。

此外，奧氏體的實際晶粒度還受加熱溫度、保溫時間以及第二相顆粒的大小、多少、性質(zhì)、原始組織和加熱速度等的影響。

1、加熱速度和保溫時間的影響。晶粒長大和原子的擴散密切相關(guān)，溫度愈高，相應(yīng)的保溫時間愈長，原子的活動能力愈大，擴散愈容易進行，奧氏體晶粒亦將愈粗大。

2、加熱速度的影響。加熱速度實質(zhì)上是過熱度問題，過熱度愈大，即成核率與成長速度之比越大，將獲得細小的起始晶粒。雖然如此，但高溫下奧氏體晶粒極易長大，因此，在高溫下不能有長的保溫時間。

3、脫氧劑及合金化元素的影響。用鋁脫氧的鋼，晶粒長大的傾向小，屬本質(zhì)細晶粒鋼。這是因為鋼中含有大量難溶的六方點陣結(jié)構(gòu)的A1N、機械地阻礙奧氏體長大。用硅和錳脫氧的鋼，晶粒長大的傾向大，一般屬于本質(zhì)粗晶粒鋼。

4、原始組織的影響。鋼的原始組織愈細、碳化物分散度愈大，所得到的奧氏體起始晶粒愈細小。

三、凌鋼主要所做的研究試驗

為了徹底解決混晶問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量，擴寬產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，針對晶粒度影響的主要因素，主要進行了如下的探索試驗：

1、適當降低加熱溫度

原來40Cr鋼種出爐溫度控制在1200℃～1220℃之間，相對偏高，首先對這個加熱溫度進行優(yōu)化調(diào)整，由原來的1200℃～1220℃調(diào)整為1160℃～1170℃，試驗一個月，晶粒度沒有實質(zhì)性的明顯改善，混晶現(xiàn)象仍然嚴重。

2、縮短在爐時間

通過加快生產(chǎn)節(jié)奏，減少40Cr生產(chǎn)時的裝爐量，使鋼坯在加熱卡的工藝范圍內(nèi)盡快出爐進行軋制，減少晶粒長大的時間，運行試驗兩個月，依舊沒有明顯改善。

3、提高加熱速率

經(jīng)過資料分析及試驗，鋼材晶粒度長大最快的溫度區(qū)間為900℃～1100℃，這段溫度區(qū)間內(nèi)應(yīng)使鋼材保持最快的升溫速率，保證晶粒度得不到充分的長大，減少粗大晶粒的產(chǎn)生，此方案未進行有效實施。

4、提高鋼中酸溶鋁含量

通過與其他企業(yè)進行對比，凌鋼鋼中酸溶鋁含量處于較低的水平，與其他企業(yè)相差比較大，所以增加鋼種酸溶鋁的含量，使之接近其他企業(yè)的水平，經(jīng)過一個月的試驗，效果十分明顯，40Cr未發(fā)生任何一起混晶問題，合格率達到100%。

四、結(jié)論

經(jīng)過一系列的探索實驗，得出鋼種酸溶鋁含量對晶粒度的影響巨大，找到了對鋼材晶粒度影響比較大的因素，徹底解決了凌鋼鋼材混晶的問題，促進了凌鋼產(chǎn)品邁向中高端。

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作者簡介：賈維海 材料學工程師 2006年畢業(yè)于西安建筑科技大學 多年從事金屬材料性能研究。