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1编号：B2（中文全文）本文未经过保密审查，但，已交给刘宏娟编辑。故：对排版校对稿修改确认时，同步进行保密审查。进入论文集的文稿，以确认稿为准。2006年3月29日。均匀化工艺对FeNiCrMoTiAlV双相高温轴承钢热塑性的影响陈国胜王庆增孟宪玲张玩良郁蕾芸王婕（宝钢集团上海五钢公司，上海200940）摘要研究了Fe-28Ni-23Cr-5Mo-3Ti-1Al-0.5V双相高温轴承钢铸态α相的高温转变行为及其与热加工裂纹的关系。铸锭经1180℃×6h均匀化扩散处理后，α相趋向于均匀弥散分布，枝晶间大块状α相尺寸明显变小，互相间联接的趋势减小，热塑性大幅度提高。均匀化温度过高或过低均不利于α相尺寸的细化，尤其是温度过低时大量针状σ相的析出将大幅度降低热塑性。钢锭经1180℃×6h均匀化处理后，采用适当的保温措施，在两相强度接近的高温区快速成形，终加工温度控制在1050℃以上，可将加工裂纹的出现率控制为零。关键词高温轴承钢，双相组织，均匀化，热塑性EFFECTOFHOMOGENIZINGPROCESSONHOT-WORKINGDUCTILITYOFAHIGHTEMPERATUREDUPLEXBEARINGALLOYCHENGuosheng,WANGQingzeng,MENGXianling,ZHANGWanliang,YULeiyun,WANGJie(ShanghaiNo.5SteelCompany,BaoSteelGroup,Shanghai200940)ABSTRACTThecastα-phaseshightemperaturetransformation,whichisrelatedwithhot-workingcracks,hasbeeninvestigatedaboutthehightemperatureduplexbearingalloyofFeNiCrMoTiAlV.Afteringotistreatedbyhomogenizingdiffusionat1180℃for6h,α-phasestendhomogenizingdispersaldistribution,thedimensionsofcoarseα-phasesatdendriteboundarieschangeapparentlysmallandthetendencyofconnectionbetweencoarseα-phasesisdecreased.Theresultisthathot-workingductilityisapparentlyincreased.Thehigherorlowerhomogenizingtemperatureisnotgoodtofinethesizeofα-phases.Hot-workingductilityisapparentlydecreasedbecauseoftheprecipitationofneedlelikeσ-phases,whentemperatureislowerespecially.Afteringotistreatedbyhomogenizingdiffusionat1180℃for6handsuitableheatpreservationisused,fastforgingformingistakenathightemperaturezone,whichtwophaseshavethealmostsamestrength,andfinishingtemperatureiscontrolledatmorethan1050℃,presencerateofhot-workingcrackscanbecontrolledtozero.KEYWORDSHightemperaturebearingalloy,Duplexmicrostructures,Homogenization,hot-workingductility1前言Fe-28Ni-23Cr-5Mo-3Ti-1Al-0.5V双相高温轴承钢由于含较高的固溶强化元素和γ/形成元素Mo、Ti、Al，同时Ni、Cr当量比(Nieq/Creq)较低，因而热加工难度较大。多年来，国内相关厂家生产该合金棒材和轴承套圈过程中，因热加工裂纹造成大量报废。尤其是终锻温度低于1000℃时，热塑性极差，且裂纹一旦产生，就迅速扩展。据统计，棒材成材率（包括短尺料）只有40%左右，有些小规格轧棒的成材率甚至在10%以下。文献[1]介绍了双相不锈钢延长加热保温时间对消除热加工裂纹的重要性。关于该合金组织的高温转变行为及合理的热加工工艺尚未见报道。本文对该合金热加工裂纹的扩展规律、铸态组织与均匀化温度、热塑性之间的关系进行了分析与研究，并制定出相应的热加工工艺。使热加工裂纹出现率为零。取得良好效果。22试验用料和方法试验用料为真空感应+电渣工艺生产的φ190mm电渣锭，化学成分列于表1。热顶锻试验在0.75t自由锻锤上进行，为了减少加热过程中组织的改变，采用热装炉，保温时间25分钟，出炉快速锻至预定的高度。试样尺寸：φ40×80mm。用图像分析仪测定α相面密度。用萃取复型的方法萃取α相和σ相，并对其进行电子衍射鉴定。和3试验结果3.1钢锭铸态组织及锻造裂纹钢锭铸态组织的枝晶偏析十分明显，枝晶干和枝晶间组织差别很大（图1a），枝晶间主要析出α相（1b）。锻造裂纹主要沿枝晶间扩展（图1aA→B→C→D→E→F1、F2）。表1试验钢的化学成分,质量分数/%Table1Chemicalcompositionofalloytested,massfraction/%类别CNiCrMoTiAlVMnSiSPN试验钢0.1328.122.54.72.941.030.500.380.210.0050.0060.006标准范围0.10~0.1727.0~29.022.0~24.04.5~5.52.70~3.300.80~1.200.40~0.60≤0.80≤0.50≤0.02≤0.02(a)ABBEF1CDF2(b)γα图1电渣锭的铸态组织(a,b)和锻造裂纹的扩展特征(a)Fig.1CastmicrostructuresofESRingot(a,b)andextensioncharacteristicsofforgedcracks(a)（a）×30（b）×3003.2均匀化处理后钢锭的组织不同温度6小时均匀化处理后水冷，钢锭的组织特征示于图2。经1130℃×6h均匀化处理，枝晶偏析特征仍然很明显，枝晶间的大块状α相的尺寸仍然很大，α相内部二次γ的点状特征比铸态明显，且枝晶间附近有大量针状σ相析出（图2a）。经1180℃×6h均匀化后，枝晶间的块状α相尺寸细化，互相间的联接由于球化效果而由连续条状变为断续链状；基体中有一定数量小颗粒状α相析出；同时，块状α相内部的二次γ长大成颗粒状（图2b）。图像分析仪测定α相的面密度约为15%。1220℃×6h均匀化后，枝晶间α相的尺寸与1130℃×6h状态相近，在枝晶间大块状α相周围可见灰度偏深的易腐蚀区特征，说明此靠3近高温δ相区的温度下Cr和溶质元素尚有一定的聚集效应，且枝晶间的连续网状特征也较明显（图2c）。可见，采用1180℃×6h均匀化处理具有最好的改善成分均匀性和细化α相效果。为了观察α相充分析出的特征，将铸态试样经1180℃×1h保温后以50℃/h的较慢速率炉冷，组织示于图3。可见除枝晶间大块状α相外，小颗粒状α相在基体弥散析出，图像分析仪测定其面密度约为31%。与图2（b）相比，其枝晶间的连续网状特征也趋明显（图3a）。枝晶间大块状α相中的小颗粒状γ尺寸粗化，互相联接，且由于缓冷过程中合金元素得以较充分扩散，与γ基体的成份较接近，因而这枝晶间大块状α相中的γ相腐蚀后的颜色与γ基体也趋于一致（图3b）。比较图2（b）和图3（a）可以看出，随着1180℃保温时间的延长，枝晶间块状α相尺寸细化。3.3均匀化处理对热塑性的影响钢锭铸态组织均匀化前后的热顶锻试验结果示于图4。可见，无论是否经过均匀化处理，合金的最佳热塑性温度均为1180℃左右。经1180℃×6h均匀化处理后，钢锭的热塑性大幅度提高。(a)(b)(c)图2铸态组织经不同温度保温6h出炉水淬后的特征×200（a）1130℃，（b）1180℃，（c）1220℃Fig.2Microstructuresofingotatdifferenttemperaturesfor6hthenW.Q.×200（a）at1130℃，（b）at1180℃，（c）at1220℃(a)(b)αγMC图3铸态组织经1180℃1h加热以50℃/h的速率炉冷后的组织特征4Fig.3Microstructuresofingotat1180℃for1hthencoolingattherateof50℃/h.（a）×200（b）×500020406080100900950100010501100115012001250变形温度，℃临界变形量ε，%1180℃/6h均匀化未均匀化处理图41180℃×6h均匀化处理对铸锭的热塑性的影响Fig.4Effectofhomogenizingdiffusionat1180℃for6honhot-workingductilityofingot.3.4热加工工艺及应用效果根据上述试验结果，钢锭开坯过程中，先经1180℃×6h均匀化处理，使α相尺寸减小、球化和均匀弥散分布，同时减小枝晶间的连续网状趋势；出炉采用合适的保温措施，快速小变形见方，然后大变形抢温锻造；终加工温度控制在1050℃以上，以防止冷却过程中α相和σ相在晶界析出。从而有效防止了锻造裂纹的产生。轧制加热温度1190℃左右，充分烧透后抢温轧制，终轧温度控制在1020℃以上，也未出现任何热加工缺陷。采用上述工艺生产的热轧棒材，α相由原来未经均匀化直接轧制的大颗粒长条带状分布变为小颗粒状均匀弥散分布，晶粒度的均匀性也获得显著改善；成材率由40%左右（含短尺料）提高到75%左右。4讨论用包含本双相高温轴承钢所有主元素的比杜利亚（Бидуля）公式Creq=Cr%+Mo%+1.5×（Si+V）%+0.8×W%+0.5×Nb%+4×Ti%+3.5×Al%[2]和德朗（DeLong）公式Nieq=Ni%+30×（C+N）%+0.5×Mn%[3]，对照谢弗莱尔（Schaeffler）组织图[4]，本合金的平衡α相含量为25%左右。本试验中1180℃×1h保温后以50℃/h炉冷的缓冷状态下α相面密度为31%左右。由于α相与γ基体的变形抗力、塑性、再结晶温度相差较大，变形过程中两相界面将产生复杂的多重应力，从而萌生裂纹，并沿这些界面迅速扩展。随α第二相数量增多、尺寸增大、形貌的复杂化以及相互联接趋势的加大，产生热加工裂纹的几率增大。一般认为，强化程度不高的双相钢中，第二相体积分数超过20%时，热塑性显著下降[5]。本双相高温轴承钢还含较高的Mo、Ti、Al等固溶强化元素和沉淀强化元素，因而未经均匀化处理的铸态组织热塑性很差。而偏聚于枝晶间互相联接的大块状α相是恶化热加工性能的主要原因。用预测铁基高温合金σ相析出的相分计算公式△Nν′=Ni－3Ti－3.5Al－1.7Si－0.9Cr－4.7（当△Nν′0时，无σ相析出；△Nν′0时，有σ相析出）[6]进行计算，本双相高温轴承钢Nν′低至－9.632，有极强烈的σ相析出倾向。考虑枝间Cr、Ti、Al等元素的偏析，其σ相析出倾向更大。一般以铁素体为基的Fe-Cr-Ni系双相钢σ相的最高稳定温度为1000℃以下[7,8]，而奥氏体基的铁基高温合金σ相最高稳定温度更低，一般只有在中温长时效过程中才可能析出。文献[9,10]在Fe-Cr-Ni-Mo-N5系合金中，根据热力学数据计算出σ相最高稳定温度在1100℃以上。本双相高温轴承钢中，其最高稳定温度高达1130℃以上。1180℃×6h均匀化处理后，枝晶间α相尺寸的减小以及基体中一定量α相小颗粒的析出（图2b）显示了该温度具有较好的均匀化效