馬正強(qiáng)，肖章玉，楊曉兵，劉顯有，林紹斌，李川，曾國(guó)成

二重（德陽(yáng)）重型裝備有限公司 四川德陽(yáng) 618013

1 序言

燃?xì)廨啓C(jī)是21世紀(jì)動(dòng)力設(shè)備的核心，被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”。隨著國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)的發(fā)展，我公司先后為不同燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組制造商配套生產(chǎn)了日本三菱技術(shù)的透平缸、壓氣機(jī)缸鑄鋼件，其材料牌號(hào)分別為SCPH21（相當(dāng)于ZG15Cr1Mo）、SCPH2（相當(dāng)于ZG250-485[1]）；采用西門(mén)子技術(shù)的錐形體鑄鋼件，材料牌號(hào)為G17CrMoV5-10（相當(dāng)于ZG15Cr1Mo1V）和G17CrMo5-5（相當(dāng)于ZG15Cr1Mo）；采用GE技術(shù)的透平缸和壓氣機(jī)排汽缸等鑄鋼件，材料牌號(hào)為B50A178H（相當(dāng)于ZG15Cr2Mo1）。

我公司首次生產(chǎn)的某新型燃?xì)廨啓C(jī)核心鑄件軸套和導(dǎo)流環(huán)，其采用在Cr12不銹鋼的基礎(chǔ)上研制而成的GX23CrMoV12-1耐熱鋼[2]制造，執(zhí)行EN 10213—2007《承壓鑄鋼件技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，與GB/T 16253—2019《承壓鋼鑄件》中的ZG23Cr12MoV鋼相當(dāng)。由于該鋼種相關(guān)熱處理工藝與組織性能的研究報(bào)道較少，因此本文通過(guò)研究熱處理工藝對(duì)GX23CrMoV12-1耐熱鋼組織與力學(xué)性能的影響，同時(shí)結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定合理的熱處理制度，順利完成鑄件的熱處理，確保其力學(xué)性能一次合格、熱處理變形可控、尺寸滿足加工要求。

2 試驗(yàn)材料與方法

在制定產(chǎn)品的熱處理制度之前，首先進(jìn)行材料的熱處理工藝參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)。為了與鑄件的實(shí)際生產(chǎn)情況保持一致，試驗(yàn)試樣沒(méi)有選用小試樣，而是采用隨件澆注的原始尺寸的鑄件附鑄試塊直接進(jìn)行熱處理，熱處理完成后再將試塊分別加工成20mm×20mm×15mm的金相試樣、55mm×10mm×10mm的夏比V型缺口沖擊試樣、標(biāo)距為50mm的拉伸試樣，進(jìn)行組織和力學(xué)性能檢驗(yàn)。產(chǎn)品的化學(xué)成分要求見(jiàn)表1，力學(xué)性能要求見(jiàn)表2。

表1 GX23CrMoV12-1鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 產(chǎn)品的力學(xué)性能要求

參考ZG23Cr12MoV鋼的熱處理工藝試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的溫度規(guī)定等，確定試樣的淬火溫度為1040～1060℃。熱處理工藝試驗(yàn)驗(yàn)證主要以確定適合鑄件的淬火冷卻方式和回火溫度為目的，具體熱處理試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 熱處理工藝參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 熱處理工藝試驗(yàn)結(jié)果

試塊按表3進(jìn)行熱處理后，先進(jìn)行室溫力學(xué)性能檢測(cè)，再進(jìn)行550℃的高溫拉伸試驗(yàn)。不同淬火冷卻方式下，室溫強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、室溫沖擊與回火溫度的變化關(guān)系如圖1a～d所示，試塊風(fēng)冷淬火后高溫強(qiáng)度、塑性與回火溫度的變化關(guān)系如圖1e～f所示。

圖1 淬火冷卻方式和回火溫度對(duì)GX23CrMoV12-1鋼力學(xué)性能的影響

從圖1a～d可以看出，試塊采用風(fēng)冷淬火和油冷淬火后其強(qiáng)度基本相當(dāng)，淬火冷卻速度對(duì)GX23CrMoV12-1鋼的強(qiáng)度影響較小；在720～750℃內(nèi)回火，其室溫強(qiáng)度和沖擊吸收能量均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，采用720℃回火后其強(qiáng)度較高，斷后伸長(zhǎng)率勉強(qiáng)合格。隨著回火溫度的升高，其強(qiáng)度降低明顯，塑性和沖擊吸收能量明顯提升，試塊油冷淬火的沖擊吸收能量整體高于風(fēng)冷淬火；從圖1e～f可以看出，試塊采用風(fēng)冷淬火，在720～750℃內(nèi)回火，其550℃下的屈服強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的290MPa，采用720℃回火后其屈服強(qiáng)度較高。隨著回火溫度的升高，其強(qiáng)度降低明顯，塑性有所提升。圖2a～b為試塊分別在風(fēng)冷淬火和油冷淬火后，經(jīng)過(guò)740℃回火后的顯微組織形貌可以看出，兩種淬火冷卻方式下，其組織均為回火馬氏體。

圖2 不同淬火冷卻方式下GX23CrMoV12-1鋼的顯微組織

3.2 產(chǎn)品熱處理制度確定

從材料熱處理工藝試驗(yàn)結(jié)果看，GX23CrMoV12-1鋼風(fēng)冷淬火和油冷淬火后在720～750℃內(nèi)回火均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的室溫力學(xué)性能，在730～750℃內(nèi)回火均能滿足550℃高溫拉伸性能要求。同時(shí)結(jié)合產(chǎn)品自身特點(diǎn)：①軸套和導(dǎo)流環(huán)屬薄壁環(huán)形鑄件，在熱處理過(guò)程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，極易產(chǎn)生變形。②焊后去應(yīng)力工藝評(píng)定，確定了GX23CrMoV12-1鋼的焊后去應(yīng)力溫度為730℃（該溫度是一個(gè)較高的焊后去應(yīng)力溫度[3]）。③風(fēng)冷淬火比油冷淬火環(huán)保且周期短、成本低。因此，確定軸套和導(dǎo)流環(huán)的產(chǎn)品熱處理制度（見(jiàn)圖3）為1040～1060℃風(fēng)冷淬火+730～750℃回火+730℃焊后去應(yīng)力退火。

3.3 產(chǎn)品熱處理結(jié)果

軸套和導(dǎo)流環(huán)鑄件按圖3所示的工藝熱處理后，其力學(xué)性能一次合格、本體硬度（檢測(cè)位置見(jiàn)圖4）均勻，具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4、表5。另外，產(chǎn)品熱處理變形小，加工余量完全滿足要求，隨后我公司采用該熱處理制度成功完成了多套軸套和導(dǎo)流環(huán)產(chǎn)品的熱處理，均達(dá)到了同樣的質(zhì)量效果。

表4 產(chǎn)品最終熱處理后的力學(xué)性能

圖4 產(chǎn)品本體硬度測(cè)試位置

表5 產(chǎn)品本體硬度值 （HBW）

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究熱處理工藝對(duì)GX23CrMoV12-1鋼組織和力學(xué)性能的影響，并結(jié)合軸套和導(dǎo)流環(huán)鑄件薄壁易變形的特點(diǎn)和焊接工藝評(píng)定結(jié)果，制定了產(chǎn)品的熱處理制度：1040～1060℃風(fēng)冷淬火+730～750℃回火+730℃去應(yīng)力退火，不僅保證了產(chǎn)品的室溫力學(xué)性能和550℃下的高溫拉伸性能，同時(shí)也滿足了730℃下的焊后去應(yīng)力要求。產(chǎn)品熱處理質(zhì)量好，力學(xué)性能一次合格，本體硬度均勻且變形可控，熱處理方式環(huán)保、周期短、成本低。