摘 要:ZG１５Cr２Mo１钢在力学性能检测时结果差异较大,通过室温和高温力学性能试验、化学 成分分析、金相检验等方法对两组力学性能差异较大的试样进行了分析,并确定了合理的热处理工 艺.结果表明:热处理工艺不稳定导致的显微组织差异是该钢力学性能差异较大的主要原因;在 ９２０~９７０ ℃保温８~１２h正火和７２０~７６０ ℃保温８~１２h回火,可使该钢组织均匀,获得较好的 综合力学性能.
关键词:ZG１５Cr１２Mo１钢;力学性能;冲击吸收能量;回火贝氏体;热处理
中图分类号:TG１４２．１ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０６８６Ｇ０４
ZG１５Cr２Mo１钢常用于制造燃汽铸钢件,服役 时需承受高温、振动等,因此要求其具有较好的室温 及高温综合力学性能.实际生产中,该钢的正火热 处理温度不高于９８０ ℃,回火温度不低于６７５ ℃. 生产初期,产品时常出现室温、高温力学性能不稳定 的情况.为此,笔者通过对力学性能差异较大的产 品进行理化检验与分析,研究了 ZG１５Cr２Mo１钢力 学性能出现差异的主要原因,并制定相应措施,以期 实现产品性能的稳定控制.
１ 理化检验
１．１ 室温力学性能试验
将室温条件下抗拉强度合格的试样分为一组 (编号为１),不合格的分为一组(编号为２),其力学 性能测试结果见表１.可知１组试样的平均抗拉强 度比２组试样的高,而冲击吸收能量要远低于２组 试样的.经查证,２组试样的回火温度相对比１组 试样的要高.
１．２ 高温力学性能试验
在１,２组试样对应的产品上截取相同状态的试样 进行高温力学性能试验,结果见表２.可以看出１组试样的室温、高温抗拉强度均较高,高温持久强度持续时 间长,但断口形貌转化温度(剪切断面率达到５０％)也 较高,不利于抵抗高温冲击.２组试样的室温、高温抗 拉强度均较低,但抵抗高温冲击的能力较好.
１．３ 化学成分分析
对两组试样的化学成分进行分析,结果见表３. 可见化学成分差异并不大,也说明 ZG１５Cr２Mo１钢 的力学性能结果差异与化学成分关系不大.
１．４ 金相检验
从１组和２组试样中分别选取一个(编号为１ 号试样和２号试样)在６０ ℃时进行冲击试验,并观 察断口附近的显微组织形貌.１号试样的冲击吸收 能量为６５J,远低于抗拉强度不合格的２号试样的 冲击吸收能量(１２５J).１号试样断口附近显微组织 为灰黑色板条状贝氏体和灰白色岛屿状贝氏体,铁 素体基体上分布着细小的颗粒状碳化物,组织均匀 性差,见图１.２号试样组织中的铁素体发生了合并 长大,呈准多边形,铁素体基体上分布着颗粒状碳化 物,仍可见少量断续分布的板条状贝氏体,见图２. 这也说明了２号试样回火温度较高,回火充分,冲击韧度较好[１Ｇ２].
１．５ 扫描电镜分析
使用扫描电镜(SEM)对两试样显微组织进行观察.由图３可以看出,１号试样中存在板条状贝 氏体以及铁素体上分布着颗粒状、针棒状碳化物的 岛状贝氏体.说明其回火不充分,碳化物对位错有 一定钉扎作用,所以强度高,冲击韧度低.
由图４可以看出,部分视场下２号试样的板条 状贝氏体基本消失,条状铁素体合并成多边形铁素 体,颗粒状碳化物减少.说明其回火较充分,碳化物 对位错的钉扎作用减弱,应力集中减小,强度降低, 冲击韧度提高.
２ 分析与讨论
从上述检验结果可以看出,两组试样的化学成 分差异不大,说明化学成分不是造成该钢力学性能 差异的主要原因.
１号试样冲击断口附近的显微组织不均匀,存在板条状贝氏体,说明其回火温度低或保温时间短, 回火不充分.析出的碳化物钉扎位错导致位错密度 较高,所以其抗拉强度较高,断口形貌转化温度也较 高,室温及高温韧性差[３Ｇ４].同时,１号试样的晶粒 较粗大,这与正火温度有关,正火温度高,碳及合金 元素充分溶入奥氏体,回火时析出的碳化物多而弥 散,强化效果好;但正火温度高,保温时间长,材料晶 粒较大时,晶界对位错运动的阻碍作用减弱,裂纹易 扩展,材料韧性降低[５].
２号试样显微组织较均匀,主要为准多边形铁 素体,板条状贝氏体基本消失.说明其热处理回火 温度较高,贝氏体回火充分.第二相粒子对位错的 钉扎作用减弱,位错可动性增强,基体软化,使得材 料强度下降,而塑性、韧性提高[３,６].
３ 热处理工艺的改进
根据上 述 分 析 结 果,结 合 ZG１５Cr２Mo１ 钢 的 CCT 曲线,采用不同热处理工艺进行试验得出,该 钢在９２０~９７０ ℃保温８~１２h后空冷进行正火,可 获得 １００％ 贝 氏 体 和 合 适 的 晶 粒 度. 在 ７２０~ ７６０ ℃保温８~１２h,以３０~６０ ℃??h－１的冷速进行 回火,可获得较理想的室温及高温综合力学性能.
按上述工艺对ZG１５Cr２Mo１钢进行热处理,其 显微组织发生了明显的再结晶,组织均匀,为类似回 火索氏体组织,板条状贝氏体基本消失,晶粒较细 小,见 图 ５. 其 室 温 力 学 性 能 为:抗 拉 强 度 ６２５MPa,规定塑性延伸强度４６８ MPa,断后伸长率 ２１％,断面收缩率６８％,布氏硬度１８７ HBW,高温 抗拉强度５４５MPa,６０ ℃下冲击吸收能量为１３５J, 剪切断面率达到５０％时的温度为２０℃,见图６.且 ３次高温持久试验结果均达１４５h以上,符合技术 要求.可见对于ZG１５Cr２Mo１钢,在成分差异不大 的情况下,科学合理的热处理工艺是稳定其室温及高温综合力学性能的保证[７].
４ 结论
(１)当回火温度较低时,ZG１５Cr２Mo１钢的组 织中存在板条状贝氏体,位错密度较高,其室温、高 温抗拉强度高,但抵抗冲击的能力较差;回火温度较 高时,该钢发生明显的回复再结晶,板条状贝氏体消 失,出现准多边形铁素体,碳化物聚集长大,位错密 度减小,其冲击韧度提高,但室温、高温强度偏低.
(２)采用９２０~９７０ ℃保温８~１２h后空冷正 火 ,７２０~７６０ ℃保温８~１２h后以３０~６０ ℃??h－１的冷速回火对ZG１５Cr２Mo１钢进行热处理,可以获 得较理想的室温及高温综合力学性能.
参考文献:
[１] 王克鲁,鲁世强,陈庆军,等．回火温度对热轧低碳贝 氏体钢显微组织和力学性能的影响[J]．机械工程材 料,２００９,３３(５):９Ｇ１１．
[２] 徐杏杏,何军刚,胡 锴,等．１Cr１１Ni２W２MoV 不 锈 钢 冲击性能不合格原因探讨[J]．理化检验(物理分册), ２０１４,５０(８):５９６Ｇ５９８．
[３] 蒋善玉．热处理工艺对１２Cr２Mo１R 钢的组织和性能 的影响[J]．山东冶金,２０１３,３５(４):３４Ｇ３６．
[４] 王立军,武会宾,余伟,等．直接淬火低碳贝氏体钢的 回火组织与力学性能[J]．材料工程,２０１１,３９(３):３６Ｇ ３９．
[５] 王春奕．热处理工艺对 Y１Cr１７Mo钢组 织 和 性 能 的 影响[J]．理化检验(物理分册),２０１３,４９(３):１４８Ｇ１５１．
[６] 余伟,钱亚军．热处理工艺对１０００ MPa级低碳微合 金钢组 织 和 性 能 的 影 响 [J]．北 京 工 业 大 学 学 报, ２０１１,３７(１２):１８８０Ｇ１８８５．
[７] 孙齐,张 立 新, 韦 延 立, 等． 回 火 温 度 对 １Cr１１Ni２W２MoV 钢冲击性能的影响[J]．理化检验 (物理分册),２０１７,５３(３):１６５Ｇ１６８．