ZG22CrNiMo大型铸件调质处理工艺研究

卢俊玲，马涛，孙永鹏，佟玉龙

宁夏天地奔牛实业集团有限公司 宁夏石嘴山 753001

1 序言

某大型铸件材料为Z G22C r N i M o，重量为1315kg，要求调质硬度280～320HBW，无裂纹，力学性能满足技术要求。ZG22CrNiMo材料淬透性较高，无回火脆性，具有优良的焊接性，选择此材料能够很好地满足零件使用性能，但该材质不是国标材料且首次试制，无相关热处理参数，因此需通过工艺试验、检测力学性能，来确定零件热处理工艺参数。

2 试验方案

2.1 淬火冷却介质

众所周知，低碳合金工程结构用钢调质一般选用水淬，然而大型铸件的缩松、气孔等缺陷不可避免，水淬会造成因缺陷扩展而形成裂纹，因此必须选用低温冷却速度较慢的淬火冷却介质进行淬火。调研周边生产厂家，淬火冷却介质只有普通机械油，冷却能力差，达不到预期的力学性能要求，最终选择浓度为10%～15%的水基淬火液作为淬火冷却介质。

2.2 淬火参数

资料显示，ZG20CrNiMo选用880℃水淬[1]，ZG30CrNiMo选用880℃油淬[2]，参考以上两种材料确定试验淬火温度为880℃，回火温度为480～520℃。

3 试验过程

3.1 试块试验

按照制定的工艺参数，用大型铸件的2个随炉试块（编号为1#、2#）进行试验，880℃保温1.5h，淬火液浓度为13.5%，检测淬火硬度为310～322HBW，回火后力学性能见表1。

从表1可看出，虽然试样的拉伸性能满足技术要求，但冲击性能很低，除了试样断口处有气孔缺陷外，淬火硬度不足也是一个重要原因。为了查找根本原因，从5个铸态试块上取样，对金相组织和材料成分作进一步分析，见表2。

表1 880℃淬火试块回火后力学性能

从表2可看出，除了V元素外，其余元素含量均符合要求，添加0.2%的V是为了细化晶粒，提高强度和淬透性，但V元素会缩小γ区，提高Acm点，对淬火硬度有影响；金相组织为“回火索氏体+不明显的块状、条状铁素体”，有未溶铁素体（见图1），说明淬火温度略低，导致淬火后硬度低。

图1 880℃调质金相组织

表2 ZG22CrNiMo化学成分（质量分数） （%）

综合分析化学成分和金相组织结果，将淬火温度由880℃提高至900℃进行二次试验。参数为900℃保温1.5h，淬火液浓度15%，用2个铸造随炉试块（编号为3#、4#）进行试验，检测3#试块淬火硬度为330～363HBW，回火硬度及力学性能见表3。

对比表1和表3数据可知，强度指标变化小，冲击吸收能量和冲击韧度提高约2倍，达到技术要求，金相组织为“回火索氏体+极少量的不明显的铁素体”（见图2），说明加热、冷却充分，因此按照此参数对零件实物进行淬火试验。

图2 900℃调质金相组织

表3 900℃淬火试块回火硬度及力学性能

3.2 实物零件试验

实物零件淬火试验如图3所示。将零件侧立装于料架上，以减小变形，900℃保温3h，淬火液浓度15%，每炉装1件，共淬火2件，硬度及加工后外观见表4。

图3 实物零件淬火试验

表4 实物零件热处理工艺及硬度

4 结束语

1）Z G22C r N i M o大型铸件材料中加入V元素，通过试验确定的调质工艺参数为：900℃保温3h，用10%～15%的淬火液淬火，分3次冷却，时间分别为5min、2min、2.5min，控制终冷返热温度60～120℃；600℃保温3h回火，硬度可达280～320HBW，抗拉强度为1020MPa，下屈服强度为 921MPa，冲击韧度≥50J/cm2，达到技术要求。

2）经900℃淬火、600℃回火后，金相组织为回火索氏体+极少量的不明显的铁素体，比880℃淬火、490℃回火组织更为均匀。

3）零件精车加工时未发现热处理裂纹，达到预期效果。