热处理工艺对15CrMo 合金结构钢组织性能的影响

冯丹竹，田斌，李侠

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁 营口 115007）

合金结构钢由于其使用量大，广泛应用于石油工业、交通业、机械工业等，可满足国民经济各部门技术工艺升级和产品更新换代的要求［1］，是具有较高工艺难度的钢铁材料。15CrMo 钢是一种低合金结构钢，由于Cr、Mo 元素的共同作用产生的固溶强化和细晶强化效果使其具有较好的组织结构稳定性和较高的力学性能。目前很多科研院所和钢铁企业都在针对15CrMo 钢热强性、抗氧化性、加工性等进行积极研究和深入讨论，而热轧钢板的热处理工艺对其组织性能影响等方面没有详细探讨。本文通过研究15CrMo 钢的热处理工艺对其组织性能的影响，制定出合理的热处理工艺，为工程应用提供可靠数据，为工业生产制定热处理工艺提供依据。

1 试验材料与方法

试验钢为工业生产的热轧态15CrMo 合金结构钢板，厚度为30 mm，表1 为试验钢的化学成分。从钢板上切取30 mm×120 mm×120 mm 尺寸试样块，将试样块于箱式电阻炉内在不同温度及保温时间下进行正火及回火热处理，热处理工艺见表2。从试样块心部制取试样进行横向拉伸、横向V 型夏比冲击试验及金相组织观察，对金相试样进行磨制、抛光、4%硝酸酒精溶液侵蚀后在ZEISS Axiovert 200 MAT 光学显微镜下观察金相组织，采用EPMA-805G 电子探针显微分析仪对试样心部偏析部位进行面扫描，以分析各元素的分布情况。

表1 试验钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in Tested Steels （Mass Fraction）%

表2 试验钢热处理工艺Table 2 Heat Treatment Process for Tested Steels

2 结果与分析

2.1 正火工艺对组织及性能影响

图1 为试验钢在870、900、930 ℃温度下，保温120 min 的钢板心部光学显微组织。由图1（a）、可知，870 ℃下正火组织为铁素体、珠光体和贝氏体，总体晶粒尺寸较小，晶粒度为8 级，中心存在明显偏析带，偏析条带上的组织为粒状贝氏体。由图1（b）可知，900 ℃正火组织为铁素体、珠光体和贝氏体，铁素体晶粒逐渐粗化，晶粒度为7.5 级，由于正火温度升高，中心偏析程度减轻，碳和合金元素更易从偏析带处迁移至两侧，偏析带出现连续的细小间隔，但粒状贝氏体逐渐粗大。由图1（c）可知，930 ℃下正火组织为铁素体、珠光体和贝氏体，晶粒度为7.5 级，粒状贝氏体组织逐渐增多且更加粗大，中心偏析程度进一步减轻。

图1 试验钢不同正火温度下的光学显微组织（×100）Fig.1 Microstructures in Tested Steels at Different Normalizing Temperatures by Optical Detection

选取900 ℃正火后试样的心部位置，通过电子探针对偏析条带处各元素分布情况进行表征，图2 为各元素分布结果。由图2 可知，C、Mn、Cr、Mo 元素均在粒状贝氏体区域出现偏析现象，形成偏析条带的根本原因在于铸坯中合金元素的成分偏析，形成枝晶偏析，枝晶偏析经后续轧制转变为偏析条带，正火热处理不能完全消除，由于上述合金元素可提高过冷奥氏体稳定性，延缓奥氏体分解并强烈抑制珠光体转变［2］，使偏析条带区CCT曲线右移，先共析铁素体和珠光体转变曲线与贝氏体转变曲线分离，推迟先共析铁素体和珠光体的转变［3］，使元素偏析条带区形成粒状贝氏体。

图2 900 ℃正火后试样心部偏析条带处各元素分布Fig.2 Distribution of Elements at Centrally Segregated Stripes of Samples after Normalizing at 900 ℃

随着正火温度的升高，合金元素扩散驱动力增大，因此奥氏体内合金元素的均匀性逐渐提高，贝氏体团逐渐增大，这是因为贝氏体组织在正火过程中于奥氏体晶粒内部形核，奥氏体的晶粒随正火温度的升高逐渐粗大，所形成的贝氏体团也就越粗大［4］。

图3 为试验钢不同正火温度下的力学性能，由图3 可知，试验钢的抗拉强度和屈服强度均随着正火温度的升高而增大，伸长率和冲击韧性均随着正火温度的升高而降低。综合组织性能对比分析，15CrMo 合金结构钢在900 ℃下正火较合理，其抗拉强度为493 MPa、屈服强度为275 MPa、伸长率29.1%、室温冲击功232 J，得到较好的综合性能。

图3 试验钢不同正火温度下的力学性能Fig.3 Mechanical Properties of Tested Steels at Different Normalizing Temperatures

试验钢的屈服强度和抗拉强度均随正火温度的升高而增大，延伸率和冲击韧性随正火温度升高而降低。这是因为随正火温度升高，试验钢中粒状贝氏体含量逐渐增加，研究表明，正火过程中形成的粒状贝氏体组织有利于提高钢的强度，且具有良好的组织稳定性［5］。此外，由图2 可知，粒状贝氏体中合金元素富集，固溶于基体中，起到固溶强化作用。但粒状贝氏体含量的增加可为试验钢断裂时裂纹萌生及扩散提供通道［6］，对试验钢的塑韧性产生不利影响。

2.2 回火工艺对组织及性能影响

为确保试验钢最终力学性能得到良好的强韧性匹配，需在正火后进行合理的回火热处理，使碳化物在回火过程中析出且均匀弥散分布于基体中。GB/T 3077-2015 对合金结构钢15CrMo 的回火温度推荐值为650 ℃，因此本文确定回火温度为650 ℃，保温时间120 min。

图4 为试验钢在不同温度正火后均于650 ℃下保温120 min 回火的光学显微组织，试验钢不同温度正火+回火后组织均为铁素体、珠光体及粒状贝氏体。试验钢经正火+回火热处理后较仅正火处理中心偏析明显改善，组织均匀性显著提高，说明合金元素得到合理迁移，由图4（c）可知，试验钢经930 ℃正火+650 ℃回火后，中心偏析呈断续间隔，基本消失，合金元素的弥散程度逐渐临近极限值，贝氏体含量增多且贝氏体团逐渐粗大。

图4 试验钢经正火+回火后的光学显微组织（×100）Fig.4 Microstructures in Tested Steels after Normalizing and Tempering by Optical Detection（×100）

图5 为试验钢在不同温度正火后均于650 ℃下保温120 min 回火的力学性能变化规律。随着正火温度升高，回火后试样的屈服强度、抗拉强度逐渐升高，伸长率和冲击韧性降低。综上，试验钢于900 ℃、保温120 min 正火后进行650 ℃、保温120 min 回火，可获得抗拉强度516 MPa、屈服强度367 MPa、延伸率25.18%、室温冲击韧性270 J，试验钢得到良好的强韧性匹配，其工艺较适宜。

图5 试验钢回火后的力学性能Fig.5 Mechanical Properties of Tested Steels after Tempering

正火试样在回火过程中不断析出的碳化物在基体中形成应力场，与位错交互作用使位错缠结，可提高试验钢的强度。细小弥散的碳化物通过钉扎晶界，阻止晶粒长大，从而细化晶粒［7］，在试样受外力发生塑性变形时，更多晶粒承担变形不易引起应力集中［8］，因此试样强韧性较好，此外晶粒越多，晶界越多，可有效阻碍塑性变形的传播［9］，起到细晶强化效果。因此，900 ℃正火+650 ℃回火后强度及冲击韧性优于900 ℃正火后的性能。

3 结论

（1） 试验钢正火组织为铁素体、珠光体和贝氏体，随正火温度升高，中心偏析条带逐渐减轻，粒状贝氏体组织逐渐增多且更加粗大，晶粒逐渐粗化。中心偏析条带处组织为粒状贝氏体，C、Mn、Cr、Mo 元素均在该区域出现偏析现象，使元素偏析条带区形成粒状贝氏体。

（2） 抗拉强度和屈服强度均随着正火温度的升高而增大，伸长率和冲击韧性均随着正火温度的升高而降低，900 ℃下正火较合理。

（3） 试验钢正火+回火后组织均为铁素体、珠光体及粒状贝氏体。经正火+回火热处理后较仅正火处理中心偏析明显改善，组织均匀性显著提高。试验钢于900 ℃、保温120 min 正火后进行650 ℃、保温120 min 回火，可获得良好的强韧性匹配。