慧荣技术观 | 正火对20CrMnMo钢锻造过热组织的影响
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作者:HONRULE
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发布时间 :2026-04-21
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本文研究了正火工艺对改善20CrMnMo钢锻造过热组织的作用。针对因加热不当产生的粗大过热组织，通过三次正火处理（1020℃、920℃、900℃）有效消除了晶界上稳定的第二相质点，将组织从稳定状态转化为非稳定状态，并最终细化晶粒。该工艺显著提升了锻件的力学性能、疲劳寿命和使用安全性。
20CrMnMo钢自由锻件的成型通常采用传统的锻造工艺。在天然气加热过程中，炉内局部温度过高或加热时间过长易使坯料内部形成粗大的过热组织，若后续的锻造过程未严格执行“三镦、三拔”或设备的锻压力较小，粗大的过热组织未得到充分地破碎就会保留在锻件毛坯中。过热组织会导致锻件的屈服强度、抗拉强度、延伸率、截面收缩率、冲击韧性等力学性能大幅度降低，从而严重影响其疲劳寿命和使用安全。因此，改善它至关重要。
采用具有过热组织的Φ200、材料为 20CrMnMo钢锻件，截取尺寸为40ｍｍ×40ｍｍ×40ｍｍ的试样进行工艺试验。采用天然气台车炉作为正火加热炉，并对炉内温度均匀性进行有效检测以保证试样加热区内的温差为±10℃。 第一次正火将试样放置在有效加热区内随炉升温到850℃、保温1ｈ，再升温到1020℃、保温3ｈ，试样随台车出炉并用强风冷却至室温。第二次正火，试样与台车一起进炉，随炉升温加热，当温度升到920℃时保温3.5ｈ，试样随台车出炉用强风进行冷却至室温。第三次正火与第二次正火相似，只是加热温度为900℃，保温时间为4ｈ。每次正火的升温速度都控制在100℃/ｓ以内。上述三次正火的工艺曲线如图1。 钢的锻造是在奥氏体区域内加热，随着温度的升高，奥氏体开始长大，由于第二相质点对奥氏体的晶界具有“钉扎”作用，会阻碍晶界的迁移，晶粒长大比较缓慢，但随着温度的升高第二相质点集聚长大，总钉扎力减小，晶粒也随之长大。当温度很高时，这些第二相质点开始溶于晶粒内，晶界便失去相应的钉扎力，晶粒也很快长大到该温度所对应的大小，形成粗大的晶粒。当锻造压力较小时，这些粗大的晶粒得不到破碎和细化，在锻后的冷却过程中，由于冷却速度的不同而会形成三种不同状态的过热组织：(1)若冷却速度过快，第二相来不及沿晶界析出；(2)若冷却速度过慢，析出的相则聚集成较大的质点；(3)中等冷却速度下，析出相来不及聚集而分散于晶界上。 对于冷却速度过快或过慢两种情况，晶界上无第二相质点析出或有且析出聚集成较大质点的过热组织属于非稳定过热组织，通过正常的正火可以使晶粒得到细化。 在中等冷却速度下，晶界上存在着分散析出的第二相质点，这些质点使过热组织趋于稳定化，一般的热处理很难消除它，但通过适当的正火工艺能减少晶界上第二相质点的密度及数量，降低过热组织稳定性，使之得到不同程度的改善。 由于第二相质点的固溶温度比较高且不同质点的固溶温度不同，要使晶界上的质点再溶于晶粒内部去，正火温度的选择特别重要：温度过高可以使大量的质点溶于奥氏体中，但同时又会使晶粒更加粗大；如果温度过低可以避免晶粒进一步粗化，但难以使第二相质点溶于奥氏体，达不到理想的效果。 第一次正火温度选择1020℃，保温3ｈ，固溶温度低于或等于该温度的第二相质点从晶界溶于奥氏体中而该温度也不会使原过热组织继续粗化此时形成与该温度相对应的均匀奥氏体中组织。由于正火加热后的冷却速度对第二相质点析出影响较大，采用强风冷却抑制其从晶界析出，使晶界上分散的质点得到消除或大大减少，稳定的过热组织变成非稳定过热组织。原有的非稳定过热组织在该工艺条件下则保持不变此时得到的非稳定过热组织比较粗大，力学性能较差。 第二次正火温度选择920℃，保温3.5ｈ，粗大的晶粒进行重结晶、充分奥氏体化，再采用强风冷却，非稳定过热组织粗大晶粒则转变成尺寸相对较小的晶粒。 第三次正火温度选择900℃，保温4ｈ，采用强风冷却，金属的内部组织得到进一步细化，组织应力也得到消除。 20CrMnMo钢锻造过热试样在上述三次正火前、后的金相组织分别如图2(ａ)、2(ｂ)所示。 第一次正火使20CrMnMo钢锻件中稳定的过热组织转变成非稳定的过热组织再通过后续的两次正火将其晶粒细化，明显提高了锻件的力学性能、疲劳寿命和使用安全性。
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