[发明专利]一种细化大型低合金铸件晶粒的方法

说明书

技术领域

本发明涉及大型低合金铸件晶粒度控制的方法，特别是一种基于计算机模拟、材料连续冷却转变曲线测量和材料相变模式控制的细化大型低合金铸件晶粒的方法，属于钢铁冶金领域。

背景技术

大型铸件是电站装备、大型冶金、矿山装备中的重要结构部件。随着重大工程装备的大型化和服役环境的极端化，相关铸件的尺寸逐渐增大且性能要求越来越严格。因此，为了提高大型铸件的性能，优化铸件的铸造工艺减少内部缺陷、优化铸件材料和微观组织成为改进大型铸件制造工艺的重要方向。在大型铸件材料和微观组织优化方面，通过添加合金元素，提升材料性能的方式固然有效，但也直接导致相关铸件的生产成本上升；而通过细化大型铸件的晶粒不仅能够提高材料强度，同时能改善材料的塑性和韧性。因此，在不增加或少量增加铸件制造成本的前提下，细化大型铸件的晶粒度，成为改善大型铸件质量的一个重要途径。

为了细化材料的晶粒，提升材料的强度和韧塑性，众多研究者发明了多种方式，目前工业应用比较成熟的方式主要有：多次奥氏体化循环热处理、引入第二相形核质点、塑性变形后再结晶等方法。然而由于大型铸件直接由铸造成型，无法像大型锻件或轧制产品一样通过塑性变形后的再结晶方式细化晶粒；同时，对于大型低合金铸件来讲，也很难在奥氏体化处理时，找到并控制合适的形核质点来细化晶粒。因此，针对于低合金铸件的实际生产条件，多次循环热处理几乎成为细化晶粒的唯一方法。

但是，即便是多次循环热处理，在大型低合金铸件实际生产操作中仍存在诸多问题，一方面由于大型铸件尺寸过大，多次循环奥氏体化处理消耗大量的能量，同时导致铸件烧损变形严重，导致实际操作十分困难；另一方面，多次循环奥氏体化处理往往要求对铸件进行快速加热，使奥氏体化时大量形核，同时要求短时保温，减少奥氏体晶粒的长大，然而这些要求在大型铸件的生产过程中几乎难以实现。因此，如何细化大型低合金铸件的晶粒，提高其强度和塑韧性成为业界技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种细化大型低合金铸件晶粒的方法，在尽量不增加或者少量增加生产成本的前提下，不改变铸件成分，仅通过调整热处理工艺，来细化大型铸件的晶粒，使大型铸件的强度和塑韧性均得到有效提高。

本发明的技术方案是：

一种细化大型低合金铸件晶粒的方法，包括如下步骤：

(1)首先，通过热膨胀法测量大型铸件的低合金钢的连续冷却曲线(CCT曲线)，确定材料发生马氏体、贝氏体和珠光体相变的临界冷速；

低合金钢中的合金元素含量一般不超过5wt.％，由于合金元素的添加导致材料淬透性改变量不大，因此材料在连续冷却过程中的相变模式主要受冷却速率的影响。为合理控制铸件材料的相变模式，首先通过热膨胀法测定出铸件用低合金钢发生马氏体、贝氏体和珠光体的临界冷速。

(2)其次，通过计算机模拟的方式确定不同冷却介质条件下，铸件各部分冷却速率，为控制铸件相变模式提供依据；

使用ProE或UG等三维造型软件对相关铸件进行造型，在准确测量相关材料热物性以及不同冷却介质条件下铸件表面换热系数的基础上，使用Procast、Deform、Abaqus或Sysweld等软件，计算使用不同冷却介质条件下，铸件奥氏体化处理的冷却过程的温度场。基于温度场的模拟计算结果，提取铸件上关键点处的冷却曲线，和测定的材料CCT曲线做对比，确定不同冷却条件下关键点处发生的相变模式。

Procast、Deform、Abaqus或Sysweld等为本领域常用软件，其中：Procast软件是指Procast铸造仿真软件，Deform是指DEFORM-3D仿真软件，Abaqus是指Abaqus有限元软件，Sysweld是指Sysweld焊接专业仿真软件。

(3)对铸件进行两次奥氏体化处理，第一次奥氏体化温度在A₃以上30-80℃，缓慢冷却至室温，使其发生珠光体或贝氏体相变(即：使其发生扩散或半扩散型相变)，而后进行回火处理；第二次奥氏体化温度在A₃以上30-50℃，通过控制铸件各部分发生贝氏体相变，将铸件晶粒细化至ASTM标准晶粒度7.5级以下。

所述步骤(3)中，缓慢冷却是指空冷或随炉冷却。

所述步骤(3)中，第一次奥氏体化后，进行回火处理的温度在A₁点以下20～50℃，保温时间按有效壁厚增加25mm增加1.5-2个小时计算。

所述步骤(3)中，第二次奥氏体化后，采用吹风冷、喷雾冷、油冷或水冷，选择合理的冷却方式使铸件各部分冷却速率处在发生贝氏体相变的冷却范围内。