影响锻件晶粒的因素及分析

　　1.1 大锻件粗晶形成的原因

　　(1)大锻件原始钢锭尺寸较大，结晶缓慢，导致铸态组织粗大。笔者单位曾经锻压过重460t、最大尺寸3873mm、锭身长度4671mm的钢锭，其脱模时间达3d 以上。

　　(2)锻造过程时间长，进出炉加热次数多，且变形不均匀。大锻件锻压周期一般比较长，受到锻压工作量、锻造温度及操作熟练程度等影响，大锻件不同部位的完工时间不一致，先完工部位往往要再经历多次高温加热。同时，锻件表面与心部的温差也很大，虽然锻件表面已在终锻温度，但心部仍处在高达1000℃以上的高温，导致锻件的晶粒粗大且不均匀。

　　(3)某些大锻件用钢的奥氏体晶粒遗传严重，一般情况下，随着晶粒细化，锻件屈服强度、疲劳强度提高，同时具有很高的塑性和冲击韧性。锻件晶粒大小随着加热温度、锻压变形量及热处理方式选择等时刻发生着变化，细化晶粒要从整个生产过程综合考虑，选择合理的工艺参数，做好过程管控。

　　1.2 加热过程中影响锻件晶粒的因素

　　金属加热后随着原子扩散能力的增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。由于加热温度升高，原子扩散能力和晶界迁移能力增强，有利于晶粒长大，再结晶加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越大。

　　锻件加热速度较慢，而加热温度过高(通常t≥1240℃)，保温时间长，中间加热次数多，中间锻造过程终锻温度高，锻坯无过冷，长时间处于奥氏体高温区，容易造成产品粗晶，在加热炉内靠近烧嘴处甚至可能出现过热情况。

　　在实际编制加热工艺及操作过程中，必须从温度控制、加热速度、保温温度等方面综合制定锻造加热升温和保温曲线，每火次的加热温度及保温时间应从该火次锻件当量直径、剩余锻比等方面考虑，如随锻件当量尺寸的增减，升温速度作相应调整等。

　　1.3 锻压过程中影响锻件晶粒的因素

　　通过锻压可使原始钢锭中的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，组织变得更加紧密，提高金属的塑性和力学性能。在锻压过程中，通过合理选择始锻温度、锻造比、终锻温度，结合特定的锻造工艺、冶金辅具，达到细化晶粒的目的。

　　根据工序的锻比情况，选择合适的始锻温度，在较大变形量的情况下，表面锻造温度一般控制在1200~1270℃，而对小变形量工序锻件，表面锻造温度控制在850~1200℃。目前对截面大、可锻性较好的锻件，提倡以A3 线温度稍低的两相区变形来细化晶粒，尽管此时外部材料已进入奥氏体和铁素体两相区，但由于奥氏体塑性本来就好，铁素体的塑性也不差，所以可锻性仍较好，加上此时坯料虽然表面温度达700~780℃，但心部温度仍然保持在1000℃左右，呈典型的外冷内热和外硬内软的状态，小压缩量变形效果集中在内区，中心区的材料在外壳包裹下变形，对内部压实非常有好处，对锻件中心区域的晶粒细化作用也很大。完工火次的始锻与终锻温度对锻件晶粒度影响非常大，特别是对于奥氏体不锈钢锻件来说，如果完工火次温度与变形控制不当，极易产生粗晶，且无法通过热处理方式消除，最终造成产品报废。一般根据锻造比选择锻造温度，除最后一火外，其余火次锻造温度控制在850～1270℃，当锻造比≤1.5 时，锻造温度应下降20～50℃，最后一火的锻前加热温度可按其工序剩余锻比K确定，当K≥1.5 时，可按允许的最高温度加热;当K<1.5时，应降低加热温度(如1050℃)或装入高温炉保温，但保温时间比正常保温时间减少。

　　在锻压过程中随着工艺的不同，也容易造成产品粗晶现象的发生。锻件坯料开坯前如果没有镦粗工序，钢锭的原始柱状晶未被打碎，若后道工序无压实操作，极易产生粗晶现象(如直接开坯后镦粗剥边成形的管板，剥边后只是在近表面得到细晶粒，中心夹层均为粗大晶粒，且原柱状晶变扁圆状粗晶粒、层状叠布);锻件镦粗时如果高径比大于2.5，变形区只发生在近砧面区，中心部分未发生变形(如管板滚圆)，晶粒度得不到改善，也易产生粗晶;锻件高温下在某一个方向上进行大变形时，中心区产生严重热效应(温度远高于1200℃)，使其晶粒在主变形方向迅速拉长;锻比不够或锻比不均匀，也易造成产品局部粗晶(如某方向探伤可以，换方向即不行);最后一火未达到均匀的临界变形度(如16Mn必须：1200℃下，ε≥40%;1100℃下，ε≥30%;1000℃下，ε≥25%)，也易产生粗晶现象。

　　终锻温度高也容易造成粗晶，若终锻温度过高(大直径锻件外表850℃左右时，中心温度超过1000℃)，停锻之后，锻件内部晶粒会继续长大，形成粗晶组织。

　　1.4 锻后热处理过程中影响锻件晶粒的因素

　　锻件完工后一般在600~650℃炉内待料，待同批次锻件一起完工后同炉处理，但完工锻件长期保温在待料温度600~650℃时，常有不良组织析出和混晶，锻后热处理正火时适当提高炉子加热速度，能够起到细化晶粒的作用(若升温Δt≥200 ℃/h 时，可使晶粒度提高1级)。