曹小剛，張錦（寧夏共享裝備股份有限公司，寧夏先進鑄造技術重點實驗室，寧夏銀川750021）

熱處理工藝對ZG15Cr1Mo1鋼組織和性能的影響

曹小剛，張錦
（寧夏共享裝備股份有限公司，寧夏先進鑄造技術重點實驗室，寧夏銀川750021）

通過力學性能測試和顯微組織觀察，研究了熱處理工藝對ZG15Cr1Mo1鋼顯微組織和力學性能的影響。結果表明:ZG15Cr1Mo1鋼經(jīng)過多次熱處理后其金相組織和力學性能達到既定熱處理目標；熱處理中冷速過慢會先共析F，造成F超標，且力學性能偏低；正火工藝相同則所得組織皆為貝氏體；且回火溫度不同，貝氏體組織中碳化物分解的程度不一樣。

ZG15Cr1Mo1鋼；熱處理；顯微組織；力學性能

ZG15C r1M o1是一種高性能合金鑄鋼，因其具有較高強度和一定韌性，在各種閥門、汽輪機泵體等復雜的大型鑄鋼件制造中廣泛用到。ZG15C r1M o1在生產(chǎn)初期出現(xiàn)了鐵素體含量超標且力學性能偏低的情況，該材質要求鐵素體含量不超過20%，但是實際檢測中高達50%.本文通過對比ZG15C r1M o1鑄鋼熱處理前后性能的變化分析了鐵素體含量不合格的原因，并通過設置不同熱處理工藝探討了熱處理工藝對ZG15C r1M o1材料組織形態(tài)的影響。

1 問題陳述

研究對象為電弧爐與精煉爐共同熔煉的ZG15C r1M o1鑄鋼。使用美國熱電瑞士公司A R L4460-0880型金屬直讀光譜儀測得試塊化學成分符合ZG15C r1M o1材質要求，試樣化學成分見表1，由標準值和實測值對照可得，每種元素含量均合格。

表1 試樣化學成分（質量分數(shù)，%）

對待測鑄鋼試樣進行熱處理，熱處理工藝為：950℃正火和風冷，回火溫度670℃并保溫2 h.取部分試塊進行力學性能測試和金相組織分析。依據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗》室溫試驗方法進行樣品制取和性能檢測。所用儀器包括DD L200材料試驗機、布氏硬度計和J Q-466型金相測試系統(tǒng)。

金相組織分析結果如圖1，基體組織為回火貝氏體，符合標準要求；但鐵素體達到50%，超過20%的規(guī)定上限。力學性能結果見表2，力學性能偏低（在合格范圍內）。

表2 試樣力學性能

圖1 金相組織

2 原因分析及方案設定

ZG15C r1M o1鑄鋼主要用于制造汽輪機氣缸，汽輪機氣缸是復雜的大型鑄鋼件，使用溫度在600℃，其熱處理工藝一般為正火+回火。正火溫度應該在A c1+（50～100）℃，回火溫度應該控制在A c1以下且高于使用溫度100℃[1].因ZG15C r1M o1與ZG15C r1M o1A材質化學成分及機械性能極為相近，因此參照ZG15C r1M o1A的C曲線對ZG15C r1M o1材質不合格原因進行分析[1]。

1）C曲線中A r3為815℃，A r3是鐵素體開始析出的臨界溫度[1]。研究對象鐵素體含量高達30%，分析為因自然冷卻速度過慢導致正火后鑄件長時間處于A c3溫度附近，造成鐵素體大量析出。熱處理常用冷卻方式為自然冷卻、風冷、水冷，自然冷卻速度最慢、風冷速度較快而水冷速度最快。為了驗證正火后冷卻速度造成鐵素體含量超標，并確定最佳冷卻方式，取三組試塊1、2、3分別進行950℃正火+自然冷卻+670℃回火+2 h保溫、950℃正火+風冷+670℃回火+2 h保溫、950℃正火+水冷+670℃回火+2 h保溫。然后進行力學性能和金相組織測試。

2）C曲線中A c3為872℃，則理論上ZG15C r1M o1正火溫度為A c3+（50～100）℃，即922℃～972℃.C曲線中A c1為760℃，回火溫度應該控制在A c1以下且高于使用溫度100℃.理論上回火溫度600℃（使用溫度）+100℃=700℃，滿足低于A c1（760℃）的要求。但是實際的回火溫度僅為670℃，低于700℃的理論值，因此分析回火溫度較低是造成鐵素體含量偏高的原因。為了研究回火溫度的影響，并確定最佳回火溫度，取6組試塊1、2、3、4、5、6（每組各取三個樣品）。在相同正火工藝后，1號樣品直接進行金相分析，2～6組分別在660℃、680℃、700℃、720℃、740℃進行回火，保溫2 h，然后取樣做力學及金相測試。

3 熱處理對力學金相的影響

3.1 正火冷卻速度對力學性能的影響

本次取1、2、3組試樣按方法（1）進行熱處理，每組取三個試塊做力學性能測試并求得均值，對每組試塊隨機抽取一組做金相分析。測試結果如表3，第1組試塊力學性能偏低，組織為回火貝氏體+47%鐵素體；第2組試樣力學性能較高，組織為回火貝氏體，無鐵素體；第3組試樣力學性能更高，組織為回火貝氏體，無鐵素體，但是布氏硬度超過標準上限11H R B（見表3），金相組織見圖2.

表3 熱處理后力學性能

分別用自然冷卻、風冷、水冷對同一正火溫度的三組試塊降溫，試驗表明風冷和水冷能有效降低鐵素體含量，提高力學強度；但是過快的冷卻速度會使力學性能過高而不適用于ZG15C r1M o1正火后冷卻。因此ZG15C r1M o1材質鑄鋼件的最佳正火冷卻方式為風冷。

3.2 回火溫度對力學金相組織的影響

對同爐試塊2～6組按照方法（2）進行回火溫度試驗，每組3個試塊進行力學性能測試并取平均值，結果如表4.同爐試塊1組正火后做金相檢測，結果如圖2.

圖2是對第1組試塊進行950℃正火和風冷后取樣做的金相檢測結果，由圖可知基體組織為貝氏體，有少量鐵素體。金相組織檢測正常，說明正火工藝有效，可進行下一步的回火試驗。

表4是2～6號試塊的力學性能對比，表明回火溫度越高，抗拉強度越低，屈服強度越低，斷后伸長率與斷面收縮率越高，試塊硬度越大。ZG15C r1M o1材質汽輪機氣缸材料標準為抗拉強度≥550N/mm2、屈服強度≥345 N/mm2、延伸率≥18%、斷面收縮率≥50%、硬度170 H B～220 H B.根據(jù)表4可得，試塊2斷后伸長率不合格，而試塊6的抗拉強度不合格，因此試塊3～5所選回火溫度較為合理，即ZG15C r1M o1在950℃正火+風冷后適宜采用680℃～720℃的回火溫度。

圖2 試塊1正火（950℃）+風冷組織

4 結論

1）ZG15C r1M o1鑄鋼試樣的化學成分在標準范圍內，其臨界點為：A c3=872℃，A c1=760℃，對應的正火溫度為950℃，回火溫度為700℃；

2）ZG15C r1M o1鑄鋼在950℃正火溫度下，使用風冷降溫工藝能有效降低鐵素體含量，提高力學強度；

表4 試樣的力學性能

3）ZG15C r1M o1鑄鋼正火溫度在950℃+風冷時，回火溫度控制在680℃～720℃范圍能夠滿足各項力學性能指標，因此950℃+風冷+680℃～720℃+2 h保溫工藝適合ZG15C r1M o1鑄鋼。

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Effect of Heat Treatment Process on Microstructure and Properties of ZG15Cr1 Mo1 Steel

CAO Xiao-gang，ZANG Jin
（Ningxia Key Laboratory of Advanced Casting Technology，KOCELGroup Limited，Yinchuan Ningxia 750021，China）

The effects of heat treatment process onmicrostructure and properties of ZG15Cr1Mo1 steelwere studied bymechanical properties test and microstructure observation.The results showed that themetallurgical structure and mechanical properties of ZG15Cr1Mo1 steel couldmeet the heat treatment requirements aftermulti-heat treatment.The proeutectoid ferrite formed firstly when the cooling rate was too slow during heat treatment，which resulted in an excess of inferrite and low mechanical properties.The obtained microstructure was all bainite under the same normalizing heat treatment，but the decomposition degree of carbide in bainite was differentaccording to different tempering temperature.

ZG15Cr1Mo1 steel，heat treatment，microstructure，mechanical property

TG142.1

A

1674-6694（2017）03-0045-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.03.015

2017-03-23

曹小剛（1992-），男，從事鑄鐵及鑄鋼力學、金相檢測工作。