大型中间轴55钢锻件晶粒度控制研究.pdf

铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2024年 第1期 热加工92Research on grain size control of C55E+N forgings for large intermediate shaftsZHANG Bo1,2,YU Baoning1,2,YANG Duhang1,2,LIANG Shuai1,2,WANG Jiye1,2 1.Luoyang CITIC HIC Casting&Forging Co.Ltd.,Luoyang 471039,Henan,China 2.CITIC Heavy Industries Co.Ltd.,Luoyang 471039,Henan,ChinaAbstract:In view of the problem that coarseness is very easy to occur in C55E+N intermediate shaft forging,austenite coarsening tests at 820 980 and normalizing tests at 770920 were carried out to study the critical temperature leading to severe grain coarsening and the influence of different normalizing temperatures on the microstructure of C55E+N.The results show that the C55E+N grains are coarsened seriously when the temperature is heated to 950.When the normalizing temperature is 860,the mesh ferrite can be eliminated while the grain is refined,and the good microstructure can be obtained.Based on the research results,the forging and normalizing process of intermediate shaft are improved,and the problem of detecting coarse crystals is effectively solved.Keywords:C55E+N；grain size；austenite coarsening temperature；normalizing temperature大型中间轴55钢锻件晶粒度控制研究张博1，2，于保宁1，2，杨杜航1，2，梁帅1，2，王继业1，21.洛阳中重铸锻有限责任公司 河南洛阳 4710392.中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039摘要：针对55钢中间轴锻件极易发生粗晶的问题，对55钢进行了820980温度下的奥氏体粗化试验，以及770920温度下的正火试验，研究导致该材料晶粒严重粗化的临界温度以及不同正火温度对其微观组织的影响。结果表明：当温度加热到950时，55钢晶粒严重粗化；正火温度在860时，可以在细化晶粒的同时，消除网状铁素体，获得良好的组织形态。基于研究结果改进中间轴锻造及正火工艺，有效解决了无损检测粗晶的问题。关键词：55钢；晶粒度；奥氏体粗化温度；正火温度1 序言55钢中间轴作为传动部分的关键部件，在轧机工作时，需要承受的扭矩力较大1，这就需要严格要求中间轴锻件的超声波检测和力学性能验收标准2。然而，由于55钢中间轴锻件尺寸较大，生产过程极易发生组织性能的不均匀，产生局部粗晶现象3。因此，为了满足中间轴锻件的性能要求，必须通过工艺解决其粗晶问题4。55钢在高温下塑性变形时，受到动态再结晶的作用，组织内晶粒重新形核、长大，此时的晶粒度基金项目：河南省重大科技专项资助项目（221100230200）。第一作者：张博，工程师，硕士，主要研究方向为金属塑性成形，E-mail：。铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2024年 第1期 热加工93表155钢的化学成分（质量分数）（%）元素CSiMnSPCrNiCu标准值0.520.600.170.370.500.850.00350.00350.250.250.25检测值0.570.20.690.0010.0080.050.060.08a）820 b）860c）890 d）920e）950 f）980图1不同粗化温度下55钢的微观组织较小5。然而，当锻造结束后，锻件仍停留在高温区，原本细化的晶粒将继续长大6。因此，在锻造55钢大型中间轴锻件时，粗晶现象极易发生在最终锻造环节，这就需要控制好锻造的终锻温度7，避免晶粒过度长大。当由于偶然因素导致55钢中间轴锻造生产与工艺出现偏离时，极易发生锻件局部晶粒粗大，组织不均匀等质量稳定8。因此，在锻造完成后，锻件一般要进行正火处理，达到细化晶粒、均匀内部组织的作用9。在正火处理时，正火温度对最终效果起到决定性作用，正火温度过高，将使锻件内部晶粒进一步粗大，正火温度过低，会导致材料的力学性能下降10。本文研究了55钢材料的奥氏体粗化规律，分析导致其晶粒严重粗大的临界温度；设计了55钢材料的正火试验，研究该材料最佳正火温度；基于试验结果，改进55钢中间轴锻件的加工工艺，有效地解决了其局部粗晶问题。2 试验材料与方法试验材料采用锻态55钢坯料，Ac1为722，Ac3为745，化学成分见表1。制取12个尺寸为25mm 25mm25mm的55钢正方形试块。首先，进行55钢奥氏体粗化试验，将6个试块分别加热到820、860、890、920、950和980，保温2h，水冷保留高温组织；其次，进行正火试验，将其余6个试块分别加热到770、800、830、860、890和920，保温2h，空冷至室温；最后，试样进行打磨、抛光、腐蚀后，观察金相组织。3 试验结果与分析3.1 粗化温度对55钢晶粒大小的影响材料晶粒粗化的本质原因是高温能够对原子扩散和晶界移动起促进作用，从而降低晶界能，导致晶界总面积减小，晶粒尺寸增大11。不同温度下55钢的显微组织如图1所示，测得晶粒度大小见表2。从图1、表2可看出，在820920的温度内，55钢的晶粒粗化现象不明显，晶粒度由8.5级降低到7.5级。当55钢加热温度达到950时，其内部晶界能降低到临界，使晶界面积大量减少，因此其晶粒发生了严重粗化，晶粒度等级由7.5级降低到3.5级。因此，应严格控制55钢锻件的终锻温度950，避免锻造结束后，锻件内部晶粒过度长大12。3.2 正火温度对55钢晶粒大小的影响不同正火温度下55钢的显微组织如图2所示，测得晶粒度大小见表3。当正火温度为770时，细小且分散的铁素体均匀分布在晶粒内部，尚未聚集到晶界，此时晶粒度为8级。正火温度为800时，晶粒进一步细化，晶粒度为8.5级，而晶界处有大量连续的网状铁素体析出，网状铁素体的存在不仅会铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2024年 第1期 热加工94增加材料的组织应力，降低其力学性能13，而且在超声波检测环节，将显示出严重的草状波，呈现出“粗晶”波形，影响检测结果。采用830正火时，虽然晶粒大小无明显变化，但晶界处的网状铁素体含量明显减少14。进一步提高正火温度到860时，网状铁素体得到消除。然而，当正火温度890，晶粒将逐渐变大，晶粒度降低到7.5级。3.3 55钢中间轴锻件工艺改进措施根据55钢粗化温度试验及正火试验，在后续锻造55钢中间轴时，将锻出成品的终锻温度控制在820920；在锻后热处理阶段，调整正火温度为860，正火工艺如图3所示。表455钢中间轴锻件检测结果项目晶粒度/级屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率（%）断面收缩率（%）要求值43006201230实测值533664521434 结束语1）当材料不发生塑性变形，55钢材料组织仅受到温度的影响时，温度在820920，可以得到细小的晶粒，晶粒度为7.58.5级；温度在950以上时，晶粒将严重粗化，晶粒度迅速降低到3.5级。2）当正火温度在770830时，55钢晶粒度达到8.5级，组织内部存在大量均匀分散粒状铁素体或聚集在晶界处的网状铁素体；当正火温度为860时，网状铁素体消失；继续提高正火温度到890920时，材料组织内部的晶粒开始长大。3）改进55钢中间轴工艺措施，终锻温度控制在820920，正火温度选择860，成品锻件晶粒度及性能均满足标准要求，有效地解决了超声波检测出现粗晶的问题。参考文献：1 张丹，冯敬，曹华，等利用亚温淬火解决大型中间轴55#锻钢粗晶问题J大型铸锻件，2018（6）：34-35，40.2 周永强，常海丽，吕新运10钢锻件性能不合格的原因分析与改进J热加工工艺，2023（17）：136-138.a）770 b）800c）830 d）860e）890 f）920图2不同正火温度下55钢的微观组织表2不同粗化温度对55钢晶粒度的影响粗化温度/820860890920950980晶粒度/级8.5887.53.53.5图355钢中间轴锻件正火工艺表3不同正火温度对55钢晶粒度的影响正火温度/770800830860890920晶粒度/级88.58.58.57.57.5对成品中间轴锻件进行超声波检测与力学性能检测，结果见表4。由表4可看出，通过改进工艺生产的中间轴锻件未发生局部粗晶现象，且力学性能满足标准要求15。铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2024年 第1期 热加工953 陈雷，张启飞，贾伟，等TA15钛合金模锻件低倍组织中局部粗晶的形成机理J中国有色金属学报，2019，29（5）：954-962.4 汤浩，李永斌，张新强，等GH4169合金叶片叶身表面白条纹分析J金属加工（热加工），2021（11）：66-68.5 李超群，张立文，李飞，等10钢热变形过程动态再结晶行为J锻压技术，2022，47（2）：207-212.6 聂义宏，白亚冠，李红梅，等加热温度与保温时间对GH4169合金晶粒度的影响规律研究J大型铸锻件，2021，201（3）：37-39，42.7 杨晓萱，孙文伟，赵亚军，等终锻温度对核电用316L奥氏体不锈钢组织性能的影响J材料热处理学报，2021，42（3）：135-141.8 陈飞，刘建生，马越关于轴类锻件拔长过程中组织均匀性控制的研究J机械工程学报，2018，54（10）：110-116.9 冯路路，胡锋，乔文玮，等-70超低温环境用钢09MnNiDR的组织性能J钢铁，2020，55（10）：89-95.10 文新理，梅珍，张利冲，等正火温度对大截面锻材Q345E组织与低温韧性的影响J材料热处理学报，2016，37（3）：63-69.11 吕航鹰，潘巧玉，黄庆华，等Inconel X-750高温合金晶粒粗化行为研究J特种铸造及有色合金，2023，43（3）：363-369.12 张雲飞，樊明强，白丽娟，等H13钢锻材加热时的奥氏体晶粒长大规律J金属热处理，2019，44（6）：33-37.13 袁钰坤，王领，张鹏博低合金超高强度钢螺钉断裂原因分析J金属加工（热加工），2020（6）：49-53.14 陈玲，朴晟铭，任鹏禾，等42CrMoA钢风电螺母调质裂纹形成原因分析J金属热处理，2019，44（3）：219-224.15 房鑫，李其，侯少钦，等H13钢锻件粗晶环原因分析J大型铸锻件，2020，198（6）：44-46.20231003 （1）：63-72.2 钟群鹏，张峥，有移亮我国安全生产（含安全制造）的科学发展若干问题J机械工程学报，2007，43（1）：7-18.3 YAO J，TANG B，ZHAO JA fault feature extraction method for rolling bearing based on pulse adaptive time-frequency transformJShock and Vibration，2016（2）：1-12.4 邓华伟人工智能在机械设备故障检测中的应用J内燃机与配件，2020（11）：237-238.5 LEESE G EEngineering significance of recent multiaxial research JLow Cycle Fatigue，1988，31：861-873.6 向苹，胡宸，郑金华，等高载荷下的航空发动机滚动轴承损伤原因J理化检验（物理分册)，2023，59（4）：38-42.7 洛阳轴承厂，一机部机械院机电所，洛阳轴承研究所ZGCr15钢制高温轴承尺寸稳定性J轴承，1978（2）：28-43.8 刘新灵，刘德林，陶春虎，等航空发动机关键材料断口图谱M北京：国防工业出版社，2013.9 杨川，高国庆，崔国栋金属零部件失效分析基础M北京：国防工业出版社，2014.10 丁惠麟，金荣芳金属构件缺陷、失效分析与实例M北京：化学工业出版社，2020.11 肖利民，冯义成，郭海龙，等碳含量对高强高韧铸钢组织和性能的影响J铸造技术，2014，35（1）：17-19.20231031（上接第91页）