15CrMoG钢屈服强度偏低的原因及改进措施

陈 香

(江苏新长江无缝钢管制造有限公司，江苏 江阴 214400)

15CrMoG钢在国内被广泛应用于电力工业中，通常用于蒸汽参数为510 ℃的高中压管道、导汽管，以及管壁温度为550 ℃的热器管，同时用于高压或超高压锅炉的过热管道和再加热管道等[1-5]。国外同类型钢种中，有美国牌号T12、P12和德国牌13CrMo44等。

15CrMoG钢正常供货状态的显微组织为铁素体和珠光体，GB/T 5310—2017标准关于金相组织的规定中，允许存在粒状贝氏体或全贝氏体。15CrMoG钢在500～550 ℃温度范围内长期服役时，其珠光体组织会发生球化，同时合金元素在固溶体和碳化物间发生再分配，以及碳化物相结构的改变。15CrMoG钢的热强性能和力学性能也随着珠光体球化程度的加大而逐渐降低，从而影响钢材的使用寿命[6]。因此，15CrMoG钢以及同类型钢牌号的T12、P12、13CrMo44等的热处理工艺普遍采用正火+回火处理，而不采用退火处理，以此来抑制珠光体球化的加剧。规格为φ114 mm×8.8 mm的15CrMoG钢在辊底炉进行正火+回火热处理过程中，检测发现15CrMoG钢的屈服强度偏低，并对其屈服强度偏低的原因进行了分析，并提出了相应的改进措施。

1 原因分析

某无缝钢管厂生产的规格为φ114mm×8.8 mm的15CrMoG钢，按照标准GB/T 5310—2017要求进行930～960 ℃正火+680～700 ℃回火后，出现屈服强度低于标准值的问题。

造成15CrMoG钢屈服强度偏低的原因可能有以下几种因素：

(1)化学成分。钢管的化学成分直接决定了其最终的力学性能极限，化学成分整体偏低时，即使采用相同的热处理工艺，屈服强度值也可能存在不达标的情况。

(2)正火冷却方式。质量效应是材料的固有属性[7]，在制管行业中，在相同的冷却方式下，随着钢管壁厚的增加，钢管的拉伸性能会随之降低。因此15CrMoG钢屈服强度偏低，除了与壁厚增加有关，还与正火冷却方式有关。

(3)制样方式。钢管行业中，理化测试时通常壁厚低于10 mm的采用板材样，而壁厚大于10 mm的采用圆材样，这两种制样方式对拉伸性能结果可能存在影响。

(4)脱碳层。采用板材样作为最终制样方式时，因其正火保温时间过长，导致脱碳层的深度增加，对拉伸性能结果可能存在影响。

(5)黄块组织。有研究表明[8]，15CrMoG钢在正火过程中，冷却方式不当会形成黄块组织，从而造成屈服强度偏低。

2 验证分析原因

2.1 化学成分

15CrMoG钢是Cr-Mo系低合金钢，其主要合金元素有C、Cr和Mo等。C是提高强度的最有效元素之一，C含量增多，钢的强度随之增加。由于15CrMoG钢中的C含量较低，致使其屈服强度偏低。Cr可提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性能，Mo钢中加入Cr能改变Mo在碳化物和固溶体中的分配，进而提高钢的强度。Mo能优先溶于固溶体中，不仅可以细化合金钢的晶粒，而且提高钢的淬透性和热强性能，使15CrMoG钢在高温环境下仍能保持足够的强度和抗蠕变能力[9-11]。

通过某公司的ERP系统查询得知，本试验材料15CrMoG钢的化学成分见表1。

表1 15CrMoG钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 The chemical composition of 15CrMoG steel(mass fraction，%)

同时查询一年内15CrMoG钢中C、Cr和Mo元素的变化，C含量在0.13%～0.16%范围内，Cr含量在0.8%～1.0%范围内，Mo含量在0.40%～0.44%范围内。15CrMoG钢的整体化学元素在GB/T 5310—2017标准允许的下限值，势必对钢的力学性能造成一定的影响。

2.2 正火冷却方式

在生产现场随机截取规格为φ114 mm×8.8 mm×350 mm的15CrMoG圆环试样进行热处理试验，正火冷却方式分别为空冷、风冷和雾冷，具体试验方案见表2。试样的拉伸性能见表3。

表2 15CrMoG 钢热处理工艺Table 2 Heat treatment process of 15CrMoG steel

表3 15CrMoG钢的拉伸性能Table 3 Tensile properties of 15CrMoG steel

由表3可知，1#和2#试样的拉伸性能相差不大，3#和4#试样的拉伸性能相差也不大。由此可见，回火处理对15CrMoG钢的拉伸性能影响不大。分别对比1#和3#试样以及2#和4#试样，发现采用空冷或风冷对15CrMoG钢的拉伸性能影响也不大。5#和6#试样采用雾冷，15CrMoG钢的屈服强度和抗拉强度均提高，金相组织如图1所示，其组织为铁素体+珠光体，还存在少量的贝氏体。

2.3 制样方式

对15CrMoG钢试样进行950 ℃×15 min正火，空冷+680 ℃×30 min回火处理后，再分别加工成板材样和圆材样进行拉伸试验，其屈服强度和抗拉强度见表4。由表4可知，圆材试样的抗拉强度和屈服强度均高于板材试样。

2.4 脱碳层

在2#板材样的拉伸残样上截取金相试样观察脱碳层组织，如图2所示，其外表面和内表面脱碳层深度分别为0.03 mm和0.045 mm。按标准GB/T 5310—2017的相关要求，其合金结构钢成品钢管应检验全脱碳层，其外表面全脱碳层深度应不大于0.2 mm，内表面全脱碳层深度应不大于0.3 mm，两者之和不大于0.4 mm。因此，其脱碳层符合标准要求，正火保温时间没有导致很严重的脱碳，可以排除此项影响。

(a)5#试样；(b)6#试样图1 15CrMoG钢热处理后的金相组织 100x(a)5# sample；(b)6# sampleFig.1 Microstructure of 15CrMoG steel after heat treatment 100x

表4 不同制样方式下15CrMoG钢的强度Table 4 Strength of 15CrMoG steel under different sample preparation methods

(a)外表面脱碳层0.03 mm；(b)内表面脱碳0.045 mm图2 2#板材样的脱碳层(a)decarburization layer of outer surface, 0.03 mm; (b)decarburization layer of inner surface,0.045 mmFig.2 Decarburization layer of 2# plate sample

同时在试验过程中，通过观察金相组织，未发现黄块组织。可以排除此项影响。

3 改进与结论

1)15CrMoG钢中的C、Cr和Mo含量应保持至少其中两种元素在标准允许的中限，推荐化学元素含量范围为(质量分数，%)：0.14%～0.17% C、0.88%～1.05% Cr和0.45%～0.52% Mo。

2)15CrMoG 钢在正火冷却时应采用快速冷却方式，其在辊底炉热处理时，生产现场应进行雾冷。

3)制样方式对15CrMoG 钢拉伸性能的影响较大，虽然标准GB/T 5310—2017没有明确规定不能采用圆材制样，但因加工圆材试样成本较高，耗时耗力，不推荐采用。