凌钢大棒金属材料奥氏体晶粒度的研究

摘要：晶粒度的好坏是钢材质量的重量指标，同时直接关系到钢材性能的优劣，凌钢自生产品种钢以来晶粒度控制水平一直不好，严重制约了钢材向高端方向发展，为了解决这一问题，进行了多种尝试及试验，最终通过增加酸溶铝的含量使此问题得到了根本性的解决，也印证了第二元素的铝含量和对晶粒度有着极大地影响。

关键词：加热速率 晶粒度 混晶 酸溶铝 金属材料性能

凌钢大棒材主要生产优质棒材，产品断面涵盖φ80～φ260圆钢规格，产品质量相对稳定并稳步提升，逐步应用于各个领域，但是混晶问题一直未得到根本性的解决，对后续产品的加工也带来了较大影响，为了解决这个问题，使产品质量进一步提升，企业技术人员也进行了一系列的探索试验，目前得到了根本性的控制。

一、奥氏体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，常用单位体积（或单位面积）内的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。在钢铁材料中，常见的就这8个级别，其中1～3号被认为是粗晶粒，4～6号为中等晶粒，7～8号为细晶粒。同时钢材出厂之前都要按照相应的技术标准和技术 文件的规定进行各项检验或试验。钢的奥氏体晶粒度的检验是其中之一。钢的奥氏体晶粒度之不合格（六级以下占比超过一定比例），主要表现为在细晶粒的基体上存在部分特别粗大的晶粒，即形成所谓的“ 混晶”。

1.2混晶的危害

晶粒长大是一个自发的过程，因为晶粒越大，单位体积晶粒数就越少，即晶界面积越小，因而晶界能或整个系统的自由能就越低，奥氏体晶粒的大小对钢的许多性能影响很大，晶粒度的影响，实质是晶界面积大小的影响。晶粒越细小则晶界面积越大，对性能的影响也越大。对于金属的常温力学性能来说，一般是晶粒越细小，则强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越好。这是因为，晶粒越细，塑性变形也越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小;而且晶粒越细，晶界面越多，晶界越曲折;晶粒与晶粒中间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好。所以混晶由于部分晶粒粗大，所以会造成钢材的强度、塑性和韧性的降低，对下游工序的使用造成较大影响。

二、晶粒长大影响因素

首先，奥氏体起始晶粒度取决于形核率N和长大速度G的比值N/G，此值愈大，奥氏体起始晶粒就愈小。其次，在起始晶粒形成之后，钢的实际晶粒则取决于奥氏体在继续保温或升温过程中的长大倾向，而奥氏体晶粒长大倾向又与起始晶粒的大小、均匀性以及晶界能有关。晶粒大小愈不均匀、曲率半径愈小、表面弯曲度愈大，则界面能愈大，晶粒长大的倾向性就愈大。

此外，奥氏体的实际晶粒度还受加热温度、保温时间以及第二相颗粒的大小、多少、性质、原始组织和加热速度等的影响。

1、加热速度和保温时间的影响。晶粒长大和原子的扩散密切相关，温度愈高，相应的保温时间愈长，原子的活动能力愈大，扩散愈容易进行，奥氏体晶粒亦将愈粗大。

2、加热速度的影响。加热速度实质上是过热度问题，过热度愈大，即成核率与成长速度之比越大，将获得细小的起始晶粒。虽然如此，但高温下奥氏体晶粒极易长大，因此，在高温下不能有长的保温时间。

3、脱氧剂及合金化元素的影响。用铝脱氧的钢，晶粒长大的倾向小，属本质细晶粒钢。这是因为钢中含有大量难溶的六方点阵结构的A1N、机械地阻碍奥氏体长大。用硅和锰脱氧的钢，晶粒长大的倾向大，一般属于本质粗晶粒钢。

4、原始组织的影响。钢的原始组织愈细、碳化物分散度愈大，所得到的奥氏体起始晶粒愈细小。

三、凌钢主要所做的研究试验

为了彻底解决混晶问题，提高产品质量，扩宽产品的应用领域，针对晶粒度影响的主要因素，主要进行了如下的探索试验：

1、适当降低加热温度

原来40Cr钢种出炉温度控制在1200℃～1220℃之间，相对偏高，首先对这个加热温度进行优化调整，由原来的1200℃～1220℃调整为1160℃～1170℃，试验一个月，晶粒度没有实质性的明显改善，混晶现象仍然严重。

2、缩短在炉时间

通过加快生产节奏，减少40Cr生产时的装炉量，使钢坯在加热卡的工艺范围内尽快出炉进行轧制，减少晶粒长大的时间，运行试验两个月，依旧没有明显改善。

3、提高加热速率

经过资料分析及试验，钢材晶粒度长大最快的温度区间为900℃～1100℃，这段温度区间内应使钢材保持最快的升温速率，保证晶粒度得不到充分的长大，减少粗大晶粒的产生，此方案未进行有效实施。

4、提高钢中酸溶铝含量

通过与其他企业进行对比，凌钢钢中酸溶铝含量处于较低的水平，与其他企业相差比较大，所以增加钢种酸溶铝的含量，使之接近其他企业的水平，经过一个月的试验，效果十分明显，40Cr未发生任何一起混晶问题，合格率达到100%。

四、结论

经过一系列的探索实验，得出钢种酸溶铝含量对晶粒度的影响巨大，找到了对钢材晶粒度影响比较大的因素，彻底解决了凌钢钢材混晶的问题，促进了凌钢产品迈向中高端。

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作者简介：贾维海 材料学工程师 2006年毕业于西安建筑科技大学 多年从事金属材料性能研究。