热处理工艺对ZG15Cr1Mo1钢组织和性能的影响

曹小刚，张锦（宁夏共享装备股份有限公司，宁夏先进铸造技术重点实验室，宁夏银川750021）

热处理工艺对ZG15Cr1Mo1钢组织和性能的影响

曹小刚，张锦
（宁夏共享装备股份有限公司，宁夏先进铸造技术重点实验室，宁夏银川750021）

通过力学性能测试和显微组织观察，研究了热处理工艺对ZG15Cr1Mo1钢显微组织和力学性能的影响。结果表明:ZG15Cr1Mo1钢经过多次热处理后其金相组织和力学性能达到既定热处理目标；热处理中冷速过慢会先共析F，造成F超标，且力学性能偏低；正火工艺相同则所得组织皆为贝氏体；且回火温度不同，贝氏体组织中碳化物分解的程度不一样。

ZG15Cr1Mo1钢；热处理；显微组织；力学性能

ZG15C r1M o1是一种高性能合金铸钢，因其具有较高强度和一定韧性，在各种阀门、汽轮机泵体等复杂的大型铸钢件制造中广泛用到。ZG15C r1M o1在生产初期出现了铁素体含量超标且力学性能偏低的情况，该材质要求铁素体含量不超过20%，但是实际检测中高达50%.本文通过对比ZG15C r1M o1铸钢热处理前后性能的变化分析了铁素体含量不合格的原因，并通过设置不同热处理工艺探讨了热处理工艺对ZG15C r1M o1材料组织形态的影响。

1 问题陈述

研究对象为电弧炉与精炼炉共同熔炼的ZG15C r1M o1铸钢。使用美国热电瑞士公司A R L4460-0880型金属直读光谱仪测得试块化学成分符合ZG15C r1M o1材质要求，试样化学成分见表1，由标准值和实测值对照可得，每种元素含量均合格。

表1 试样化学成分（质量分数，%）

对待测铸钢试样进行热处理，热处理工艺为：950℃正火和风冷，回火温度670℃并保温2 h.取部分试块进行力学性能测试和金相组织分析。依据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验》室温试验方法进行样品制取和性能检测。所用仪器包括DD L200材料试验机、布氏硬度计和J Q-466型金相测试系统。

金相组织分析结果如图1，基体组织为回火贝氏体，符合标准要求；但铁素体达到50%，超过20%的规定上限。力学性能结果见表2，力学性能偏低（在合格范围内）。

表2 试样力学性能

图1 金相组织

2 原因分析及方案设定

ZG15C r1M o1铸钢主要用于制造汽轮机气缸，汽轮机气缸是复杂的大型铸钢件，使用温度在600℃，其热处理工艺一般为正火+回火。正火温度应该在A c1+（50～100）℃，回火温度应该控制在A c1以下且高于使用温度100℃[1].因ZG15C r1M o1与ZG15C r1M o1A材质化学成分及机械性能极为相近，因此参照ZG15C r1M o1A的C曲线对ZG15C r1M o1材质不合格原因进行分析[1]。

1）C曲线中A r3为815℃，A r3是铁素体开始析出的临界温度[1]。研究对象铁素体含量高达30%，分析为因自然冷却速度过慢导致正火后铸件长时间处于A c3温度附近，造成铁素体大量析出。热处理常用冷却方式为自然冷却、风冷、水冷，自然冷却速度最慢、风冷速度较快而水冷速度最快。为了验证正火后冷却速度造成铁素体含量超标，并确定最佳冷却方式，取三组试块1、2、3分别进行950℃正火+自然冷却+670℃回火+2 h保温、950℃正火+风冷+670℃回火+2 h保温、950℃正火+水冷+670℃回火+2 h保温。然后进行力学性能和金相组织测试。

2）C曲线中A c3为872℃，则理论上ZG15C r1M o1正火温度为A c3+（50～100）℃，即922℃～972℃.C曲线中A c1为760℃，回火温度应该控制在A c1以下且高于使用温度100℃.理论上回火温度600℃（使用温度）+100℃=700℃，满足低于A c1（760℃）的要求。但是实际的回火温度仅为670℃，低于700℃的理论值，因此分析回火温度较低是造成铁素体含量偏高的原因。为了研究回火温度的影响，并确定最佳回火温度，取6组试块1、2、3、4、5、6（每组各取三个样品）。在相同正火工艺后，1号样品直接进行金相分析，2～6组分别在660℃、680℃、700℃、720℃、740℃进行回火，保温2 h，然后取样做力学及金相测试。

3 热处理对力学金相的影响

3.1 正火冷却速度对力学性能的影响

本次取1、2、3组试样按方法（1）进行热处理，每组取三个试块做力学性能测试并求得均值，对每组试块随机抽取一组做金相分析。测试结果如表3，第1组试块力学性能偏低，组织为回火贝氏体+47%铁素体；第2组试样力学性能较高，组织为回火贝氏体，无铁素体；第3组试样力学性能更高，组织为回火贝氏体，无铁素体，但是布氏硬度超过标准上限11H R B（见表3），金相组织见图2.

表3 热处理后力学性能

分别用自然冷却、风冷、水冷对同一正火温度的三组试块降温，试验表明风冷和水冷能有效降低铁素体含量，提高力学强度；但是过快的冷却速度会使力学性能过高而不适用于ZG15C r1M o1正火后冷却。因此ZG15C r1M o1材质铸钢件的最佳正火冷却方式为风冷。

3.2 回火温度对力学金相组织的影响

对同炉试块2～6组按照方法（2）进行回火温度试验，每组3个试块进行力学性能测试并取平均值，结果如表4.同炉试块1组正火后做金相检测，结果如图2.

图2是对第1组试块进行950℃正火和风冷后取样做的金相检测结果，由图可知基体组织为贝氏体，有少量铁素体。金相组织检测正常，说明正火工艺有效，可进行下一步的回火试验。

表4是2～6号试块的力学性能对比，表明回火温度越高，抗拉强度越低，屈服强度越低，断后伸长率与断面收缩率越高，试块硬度越大。ZG15C r1M o1材质汽轮机气缸材料标准为抗拉强度≥550N/mm2、屈服强度≥345 N/mm2、延伸率≥18%、断面收缩率≥50%、硬度170 H B～220 H B.根据表4可得，试块2断后伸长率不合格，而试块6的抗拉强度不合格，因此试块3～5所选回火温度较为合理，即ZG15C r1M o1在950℃正火+风冷后适宜采用680℃～720℃的回火温度。

图2 试块1正火（950℃）+风冷组织

4 结论

1）ZG15C r1M o1铸钢试样的化学成分在标准范围内，其临界点为：A c3=872℃，A c1=760℃，对应的正火温度为950℃，回火温度为700℃；

2）ZG15C r1M o1铸钢在950℃正火温度下，使用风冷降温工艺能有效降低铁素体含量，提高力学强度；

表4 试样的力学性能

3）ZG15C r1M o1铸钢正火温度在950℃+风冷时，回火温度控制在680℃～720℃范围能够满足各项力学性能指标，因此950℃+风冷+680℃～720℃+2 h保温工艺适合ZG15C r1M o1铸钢。

［1］胡正飞，张建权.热处理对新型13C r4N i低温耐腐蚀不锈钢性能的影响［J］.金属热处理，2008（7）：57-61.

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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

曹小刚（1992-），男，从事铸铁及铸钢力学、金相检测工作。