摘 要:ZG１５Cr２Mo１鋼在力學性能檢測時結果差異較大,通過室溫和高溫力學性能試驗、化學 成分分析、金相檢驗等方法對兩組力學性能差異較大的試樣進行了分析,并確定了合理的熱處理工 藝.結果表明:熱處理工藝不穩定導致的顯微組織差異是該鋼力學性能差異較大的主要原因;在 ９２０~９７０ ℃保溫８~１２h正火和７２０~７６０ ℃保溫８~１２h回火,可使該鋼組織均勻,獲得較好的 綜合力學性能.
關鍵詞:ZG１５Cr１２Mo１鋼;力學性能;沖擊吸收能量;回火貝氏體;熱處理
中圖分類號:TG１４２．１ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０６８６Ｇ０４
ZG１５Cr２Mo１鋼常用于制造燃汽鑄鋼件,服役 時需承受高溫、振動等,因此要求其具有較好的室溫 及高溫綜合力學性能.實際生產中,該鋼的正火熱 處理溫度不高于９８０ ℃,回火溫度不低于６７５ ℃. 生產初期,產品時常出現室溫、高溫力學性能不穩定 的情況.為此,筆者通過對力學性能差異較大的產 品進行理化檢驗與分析,研究了 ZG１５Cr２Mo１鋼力 學性能出現差異的主要原因,并制定相應措施,以期 實現產品性能的穩定控制.
１ 理化檢驗
１．１ 室溫力學性能試驗
將室溫條件下抗拉強度合格的試樣分為一組 (編號為１),不合格的分為一組(編號為２),其力學 性能測試結果見表１.可知１組試樣的平均抗拉強 度比２組試樣的高,而沖擊吸收能量要遠低于２組 試樣的.經查證,２組試樣的回火溫度相對比１組 試樣的要高.
１．２ 高溫力學性能試驗
在１,２組試樣對應的產品上截取相同狀態的試樣 進行高溫力學性能試驗,結果見表２.可以看出１組試樣的室溫、高溫抗拉強度均較高,高溫持久強度持續時 間長,但斷口形貌轉化溫度(剪切斷面率達到５０％)也 較高,不利于抵抗高溫沖擊.２組試樣的室溫、高溫抗 拉強度均較低,但抵抗高溫沖擊的能力較好.
１．３ 化學成分分析
對兩組試樣的化學成分進行分析,結果見表３. 可見化學成分差異并不大,也說明 ZG１５Cr２Mo１鋼 的力學性能結果差異與化學成分關系不大.
１．４ 金相檢驗
從１組和２組試樣中分別選取一個(編號為１ 號試樣和２號試樣)在６０ ℃時進行沖擊試驗,并觀 察斷口附近的顯微組織形貌.１號試樣的沖擊吸收 能量為６５J,遠低于抗拉強度不合格的２號試樣的 沖擊吸收能量(１２５J).１號試樣斷口附近顯微組織 為灰黑色板條狀貝氏體和灰白色島嶼狀貝氏體,鐵 素體基體上分布著細小的顆粒狀碳化物,組織均勻 性差,見圖１.２號試樣組織中的鐵素體發生了合并 長大,呈準多邊形,鐵素體基體上分布著顆粒狀碳化 物,仍可見少量斷續分布的板條狀貝氏體,見圖２. 這也說明了２號試樣回火溫度較高,回火充分,沖擊韌度較好[１Ｇ２].
１．５ 掃描電鏡分析
使用掃描電鏡(SEM)對兩試樣顯微組織進行觀察.由圖３可以看出,１號試樣中存在板條狀貝 氏體以及鐵素體上分布著顆粒狀、針棒狀碳化物的 島狀貝氏體.說明其回火不充分,碳化物對位錯有 一定釘扎作用,所以強度高,沖擊韌度低.
由圖４可以看出,部分視場下２號試樣的板條 狀貝氏體基本消失,條狀鐵素體合并成多邊形鐵素 體,顆粒狀碳化物減少.說明其回火較充分,碳化物 對位錯的釘扎作用減弱,應力集中減小,強度降低, 沖擊韌度提高.
２ 分析與討論
從上述檢驗結果可以看出,兩組試樣的化學成 分差異不大,說明化學成分不是造成該鋼力學性能 差異的主要原因.
１號試樣沖擊斷口附近的顯微組織不均勻,存在板條狀貝氏體,說明其回火溫度低或保溫時間短, 回火不充分.析出的碳化物釘扎位錯導致位錯密度 較高,所以其抗拉強度較高,斷口形貌轉化溫度也較 高,室溫及高溫韌性差[３Ｇ４].同時,１號試樣的晶粒 較粗大,這與正火溫度有關,正火溫度高,碳及合金 元素充分溶入奧氏體,回火時析出的碳化物多而彌 散,強化效果好;但正火溫度高,保溫時間長,材料晶 粒較大時,晶界對位錯運動的阻礙作用減弱,裂紋易 擴展,材料韌性降低[５].
２號試樣顯微組織較均勻,主要為準多邊形鐵 素體,板條狀貝氏體基本消失.說明其熱處理回火 溫度較高,貝氏體回火充分.第二相粒子對位錯的 釘扎作用減弱,位錯可動性增強,基體軟化,使得材 料強度下降,而塑性、韌性提高[３,６].
３ 熱處理工藝的改進
根據上 述 分 析 結 果,結 合 ZG１５Cr２Mo１ 鋼 的 CCT 曲線,采用不同熱處理工藝進行試驗得出,該 鋼在９２０~９７０ ℃保溫８~１２h后空冷進行正火,可 獲得 １００％ 貝 氏 體 和 合 適 的 晶 粒 度. 在 ７２０~ ７６０ ℃保溫８~１２h,以３０~６０ ℃??h－１的冷速進行 回火,可獲得較理想的室溫及高溫綜合力學性能.
按上述工藝對ZG１５Cr２Mo１鋼進行熱處理,其 顯微組織發生了明顯的再結晶,組織均勻,為類似回 火索氏體組織,板條狀貝氏體基本消失,晶粒較細 小,見 圖 ５. 其 室 溫 力 學 性 能 為:抗 拉 強 度 ６２５MPa,規定塑性延伸強度４６８ MPa,斷后伸長率 ２１％,斷面收縮率６８％,布氏硬度１８７ HBW,高溫 抗拉強度５４５MPa,６０ ℃下沖擊吸收能量為１３５J, 剪切斷面率達到５０％時的溫度為２０℃,見圖６.且 ３次高溫持久試驗結果均達１４５h以上,符合技術 要求.可見對于ZG１５Cr２Mo１鋼,在成分差異不大 的情況下,科學合理的熱處理工藝是穩定其室溫及高溫綜合力學性能的保證[７].
４ 結論
(１)當回火溫度較低時,ZG１５Cr２Mo１鋼的組 織中存在板條狀貝氏體,位錯密度較高,其室溫、高 溫抗拉強度高,但抵抗沖擊的能力較差;回火溫度較 高時,該鋼發生明顯的回復再結晶,板條狀貝氏體消 失,出現準多邊形鐵素體,碳化物聚集長大,位錯密 度減小,其沖擊韌度提高,但室溫、高溫強度偏低.
(２)采用９２０~９７０ ℃保溫８~１２h后空冷正 火 ,７２０~７６０ ℃保溫８~１２h后以３０~６０ ℃??h－１的冷速回火對ZG１５Cr２Mo１鋼進行熱處理,可以獲 得較理想的室溫及高溫綜合力學性能.
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