不同冷却方式对核电GX6CrNiMo12-1钢显微组织和力学性能的影响

王 庆

(东方汽轮机有限公司铸造事业部，四川618201)

GX6CrNiMo12-1钢是一种低碳、高合金12%CrNi铸钢，一般用于制造核电产品，我公司首次生产该材料的铸件。为了使铸件得到优良的力学性能并降低生产能耗，我们对该钢进行了不同冷却方式的试验。研究了经过空冷、水冷及油冷后该材料的显微组织和力学性能，最终确定了GX6CrNiMo12-1钢合适的冷却方式和热处理工艺参数，为生产提供了技术保障。

1 试验方法

试验用钢经铸钢车间5 t电弧炉熔炼后，浇注成220 mm×100 mm×100 mm的附铸件本体试块。在铸造试验室的RX3-45-12 箱式电阻炉中加热到980～1 000℃后，分别采用空冷、水冷及油冷方式冷却至室温，观察淬火态金相组织的变化。再经700～720℃回火后，观察显微组织并测试其力学性能。材料的化学成分见表1。

2 试验结果及分析

2.1 显微组织分析

(1)原始铸态组织

图1为GX6CrNiMo12-1钢铸态显微组织，马氏体+12%δ铁素体。铁素体呈带状分布，宏观粗晶。检测结果表明试块的屈服强度、抗拉强度及布氏硬度值高，塑性和韧性极差，其性能特点为硬而脆。

表1 GX6CrNiMo12-1钢化学成分(质量分数，%)Table 1 GX6CrNiMo12-1 steel chemical composition (mass fraction, %)

图1 GX6CrNiMo12-1钢铸态显微组织(×100)Figure 1 The microstructure of GX6CrNiMo12-1 steel casting state

(2)不同冷却方式淬火态的组织分析

表2为GX6CrNiMo12-1钢经过三种冷却方式处理后的淬火态金相组织。从材料化学成分和表2可以看出，由于该钢合金化程度高，淬透性强，所以三种方式冷却后的组织基本相似，均为马氏体和少量铁素体。油冷后的晶粒度好于其他两种冷却方式。

表2 GX6CrNiMo12-1钢淬火态显微组织Table 2 The microstructure of GX6CrNiMo12-1 steel quenching state

从图2金相照片上看，随着冷速逐级增大，马氏体数量也增多。水冷后显微组织中板条状马氏体位向明显，马氏体数量也最多。

(3)不同冷却方式调质后的组织分析

图3为GX6CrNiMo12-1钢经过不同冷却方式调质后的显微组织照片。由图3可以观察到试样显微组织为铁素体基体内分布着碳化物(包括渗碳体)球粒的复合组织。此外，还分布着少量的δ铁素体相。此时的铁素体已基本无碳的过饱和度，碳化物也为稳定型碳化物。所以三种冷却方式得到的组织都是具有马氏体位向的回火索氏体 +(10%～15%)δ铁素体。

回火索氏体是马氏体的一种高温回火组织，常温下是一种平衡组织。δ铁素体一旦形成后很难消除。而且大量的δ铁素体会使材料的冲击韧度大大下降，增加产生裂纹的倾向。δ铁素体形成的主要原因是材料化学成分和热处理加热温度。以上试验的加热温度为980～1 000℃，不会生成大量的铁素体，而且试块在铸态下就已经存在了12%的δ铁素体。

(a)空冷

(b)油冷

(c)水冷图2 GX6CrNiMo12-1钢淬火态显微组织(×100)Figure 2 The microstructure of GX6CrNiMo12-1 steel quenching state(×100)

2.2 力学性能测试结果及分析

表3为GX6CrNiMo12-1钢铸态下和调质后的力学性能检验结果。由表3可见，同一种钢，加热条件相同，回火工艺相同，但由于采用了不同的冷却方式，所表现出的力学性能明显不同。对空冷、油冷及水冷三种不同冷却方式而言，其冷却速度为水冷最快，油冷次之，空冷最慢。GX6CrNiMo12-1钢油淬后屈服强度最高，空淬后抗拉强度最高，水淬后冲击吸收功最高，冷却速度对延伸率、断面收缩率影响不大。综合各项力学性能指标进行比较，以油冷方式为最佳。

(a)空淬调质

(b)油淬调质

(c)水淬调质图3 GX6CrNiMo12-1钢调质态显微组织(×500)Figure 3 The microstructure of GX6CrNiMo12-1 steel quenching and tempering state(×500)

3 结论

(1)GX6CrNiMo12-1铸钢原始铸态组织为马氏体+12%δ铁素体，且晶粒比较粗大，力学性能中的屈服强度和抗拉强度高，塑性和韧性极差。

表3 GX6CrNiMo12-1钢力学性能检验结果Table 3 The mechanical properties results of GX6CrNiMo12-1 steel

(2)GX6CrNiMo12-1铸钢在经过980～1 000℃加热后，分别经过空冷、水冷、油冷至室温，再经700～720℃高温回火，所得到的组织为具有马氏体位向的回火索氏体+(10%～15%)δ铁素体。

(3)试验证明，GX6CrNiMo12-1铸钢δ铁素体相一旦形成后，即使通过热处理也很难消除。

(4)三种不同冷却方式都能使GX6CrNiMo12-1铸钢力学性能满足标准要求。油淬后综合力学性能最佳，但从生产成本、能源消耗、设备情况和生产操作等方面综合考虑，空冷是实际生产中最合适的冷却方式。

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