應用金相熱處理法研究了42CrMo鋼鍛軋棒材的帶狀組織。檢驗表明，棒材縱向上分布著明顯的鐵素體+珠光體帶狀組織。造成帶狀組織的原因是枝晶偏析。采用1250℃以上鍛軋加熱+擴散可完全消除帶狀組織。試驗發現，在兩相區(F+A)等溫也可以避免帶狀組織出現。關鍵詞:42CrMo;鍛軋材;帶狀組織;偏析
合金結構鋼鍛軋材中經常產生纖維組織或稱帶狀組織，即鐵素體珠光體相間分布的帶狀組織。帶狀組織使鋼的力學性能具有方向性，使鋼的橫向范性和韌性降低，也使鋼的切削性能變壞，表面加工的光潔度降低。最好是完全消除帶狀組織，但往往有一定困難，因此，生產上要求帶狀組織≤2級。本文以42CrMo為例，研究了帶狀組織的形貌，指出了其形成原因，提出了防止措施。
1 試驗用鋼
試驗采用42CrMo鋼軋材鋼棒，爐號有758，024，647，797，767，776。雖然爐號不同，但成分基本相同。爐號776的成分如表1所示。
2 帶狀組織的試驗觀察
將42CrMo鋼棒橫向切片，制取金相試樣，沿著軋向磨光，拋光，硝酸酒精浸蝕，觀察帶狀組織，評定級別。圖1為776爐號的鍛材的帶狀組織，可見，鐵素體、珠光體呈現帶狀分布。評定級別為4級。圖2為758爐號軋材的組織，沒有觀察到明顯的帶狀組織。組織中的珠光體數量較多，顯然是偽珠光體。這是由于軋后冷卻速度較快的緣故。
將試樣進行完全退火即可顯示其帶狀組織。圖3是758，797兩個爐號試樣進行完全退火后的組織，可見，顯示出明顯的帶狀組織。
圖1 776(爐號)鋼的帶狀組織 圖2 鍛材(758)組織
圖3 42CrMO完全退火后的二次帶狀組織
(a)758的帶狀組織;(b)797的帶狀組織
圖4 鍛材(776)880℃加熱1h的帶狀組織
(a)硝酸酒精浸蝕;(b)CuCl2的試劑浸蝕
3 帶狀組織的成因
一般認為，帶狀組織是由于鋼錠的枝晶偏析所致。鋼水在凝固時，由于選擇性結晶，在枝干上的成分較為純凈，而在枝晶間富集了較多的碳、合金元素和磷、硫等雜質。鋼錠鍛軋變形時枝干和枝晶間被壓延而伸長為纖維組織。形成所謂一次帶狀組織。用含有CuCl2的試劑浸蝕后在顯微鏡下觀察，則會發現肉眼觀察時的那些纖維組織經過放大變成了黑白交替的條帶稱為一次帶狀組織[1]。黑色條帶相當于原樹枝狀晶的較純的枝干，白色條帶為原來富含合金元素和雜質的樹枝間區域。
熱軋低碳鋼、中碳鋼在緩冷過程中會出現先共析鐵素體和珠光體交替相間的顯微組織帶狀，這些不同的組織是固態相變的產物。這種帶狀組織稱為二次帶狀。二次帶狀的形成意味著碳在固態相變中發生了不均勻的重新分布，稱為二次碳偏析。一般所謂鋼中的帶狀組織，也即上述觀察到的帶狀組織即為二次帶狀組織。
將具有二次帶狀組織的熱變形鋼試樣改用含有CuCl2的試劑浸蝕后在顯微鏡下觀察，則顯示出一次帶狀組織。
只有在一次帶狀的基礎上才能形成二次帶狀組織。一次帶狀難以消除，雖然在高溫下或緩冷過程中，碳能夠優先達到相對均勻，然而代位原子均勻化十分困難，這些合金元素難以達到均勻狀態，尤其碳化物形成元素阻礙碳原子的擴散，實際上碳也難以十分均勻。這就是樹枝狀偏析能夠穩定存在的原因。但是在具有一次帶狀的熱變形鋼中可以出現二次帶狀，也可以不出現二次帶狀，如圖2就沒有出現帶狀組織。控制相變條件就可以控制二次帶狀組織。
將鍛材(776)帶狀組織試樣正火，880℃加熱1h，空冷，觀察帶狀組織變化，發現帶狀組織有所減輕，如圖4所示。圖4(a)為硝酸酒精浸蝕，為二次帶狀組織，圖4(b)為用CuCl2的試劑浸蝕后的一次帶狀組織。
4 消除鍛軋材帶狀組織的工藝措施
4.1 兩相區處理
為了避免出現帶狀組織，采用了兩相區處理，具體工藝曲線如圖5。首先高溫奧氏體化，然后，空冷到Ac1稍下(700℃)保溫，使過冷奧氏體分解為珠光體組織。然后再緩慢升溫到兩相區760℃保溫，得到奧氏體+鐵素體兩相。
圖5 兩相區處理工藝
在兩相區，合金元素發生了兩相間的再分配[2，3]。由于鐵素體中固溶碳很少(<0.02%)，故碳原子將向奧氏體中擴散。原珠光體條帶區，現已轉變為奧氏體，它是原枝晶間，含有較多的合金元素，如Cr，Mo，這些鐵素體形成元素將向鐵素體中擴散。這樣，碳濃度和合金元素發生了重新分配。合金元素分布趨向均勻。由于碳原子與Cr，Mo元素有較強的親和力，因而碳原子也趨向均勻。從760℃空冷，合金元素來不及擴散，結果不顯示明顯的帶狀組織，如圖6(a)所示。
但按圖5曲線1處理后，797試樣獲得的組織如圖6(b)所示，可見仍然有明顯得帶狀組織，僅僅是鐵素體和珠光體晶粒更細小而已。
4.2 高溫擴散退火消除帶狀組織
將試樣進行擴散退火，即可消除帶狀組織。取各爐號試樣，加熱到1250℃，保溫，然后爐冷到600℃，出爐空冷。
經過金相檢驗，評定帶狀組織級別，均為0～1級。鐵素體已經聚集，雖然沿著變形方向取向分布，但是，帶狀不明顯，或者沒有帶狀。如圖7所示。
圖6 試樣797在兩相區處理后的金相組織
(a)不顯示帶狀;(b)出現明顯帶狀
圖7 鍛材擴散退火組織F+P
(a)758鍛材組織1250℃退火1h;(b)17CrNiMo6鋼1300℃加熱2h
5 結論
(1) 各爐號鍛軋材的帶狀組織級別不同，可達3～5級。鍛軋后較快的冷卻將使帶狀組織不明顯。
(2) 消除帶狀組織最根本的方法是采用1250～1300℃擴散退火。實際上，在鍛軋加熱時，鋼錠或連鑄坯在加熱爐中，于1250～1300℃，多加熱3～5h即可達到消除枝晶偏析的目的。
(3) 試驗發現，在兩相區(F+A)等溫，通過改變相變條件也可以使帶狀組織不出現。
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