WC9 材質(zhì)鑄件熱處理工藝的改進(jìn)

方鵬洲，雷志剛，姚 鑫，馬軍寧

（浙江英洛華裝備制造有限公司，浙江 金華 322118）

WC9是一種高性能合金鑄鋼，對應(yīng)國內(nèi)牌號ZG15Cr2Mo1，因其中含有1%左右的Mo，使得該鋼種具有很好的熱強(qiáng)性，最高工作溫度可達(dá)600℃以上，廣泛用于火力發(fā)電閥門和汽輪機(jī)鑄件制造。本文通過對比不同熱處理條件下鑄件機(jī)械性能和金相組織的影響，對我公司W(wǎng)C9材質(zhì)熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)。

WC9材質(zhì)出自美國材料與試驗協(xié)會ASTM A217 WC9，等同于我國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10087中的ZG15Cr2Mo1和JB/T 7024中的ZG15Cr2Mo1。由于引用標(biāo)準(zhǔn)不一樣，其機(jī)械性能要求也不一樣，導(dǎo)致在生產(chǎn)過程中熱處理難度加大。下表是三個標(biāo)準(zhǔn)對該材料的性能指標(biāo)要求。

從表1可以看出，這三個標(biāo)準(zhǔn)中化學(xué)成分要求基本一致，但國家標(biāo)準(zhǔn)對該材質(zhì)抗拉強(qiáng)度上限沒有ASTM中要求的嚴(yán)格。這也正是我公司生產(chǎn)WC9材質(zhì)的問題所在。我公司同時生產(chǎn)過1爐ZG15Cr2Mo1材質(zhì)，采用的940℃正火風(fēng)冷，其抗拉強(qiáng)度已經(jīng)到達(dá)要求上限。另外我公司還長期生產(chǎn)過與之相近的ZG15Cr1Mo1V材質(zhì)，其抗拉強(qiáng)度基本都在700Mpa以上。因此我公司生產(chǎn)的WC9材質(zhì)因熱處理工藝與之溫度相近，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度偏高，或者屈服強(qiáng)度偏低。之前為解決該問題，我公司采用的熱處理工藝為940℃正火，爐冷至650℃以下空冷，導(dǎo)致其性能穩(wěn)定性較差。且爐冷工藝生產(chǎn)過程中不易控制其爐內(nèi)溫度均勻性，生產(chǎn)周期較長。

1 試樣尺寸及技術(shù)要求

研究對象為中頻爐熔煉的ASTM A217 WC9材質(zhì)試樣，試樣尺寸100*150*200mm，技術(shù)要求為Re≥275Mpa，485≤Rm≤655Mpa，A≥20%，Z≥35%。

2 試樣進(jìn)行正火+回火工藝試驗

WC9材質(zhì)鑄件鑄態(tài)組織存在嚴(yán)重的枝晶偏析，且晶粒越大偏析越嚴(yán)重，在熱處理過程中，由于工件厚度較大，加熱時熱應(yīng)力和鑄造應(yīng)力疊加，加大鑄件的裂紋傾向。因此熱處理升溫速率應(yīng)不大于150℃/h。通過熱處理來消除偏析組織和鑄造應(yīng)力。得到晶粒細(xì)小均勻的組織，以滿足力學(xué)性能要求。本次試驗共熔煉了4爐WC9材質(zhì)試樣，其化學(xué)成分見表2。經(jīng)過理論計算后，WC9臨界溫度Ac1約為765℃，Ac3約為861℃。

根據(jù)該材料的固態(tài)相變點Ac1和Ac3以及標(biāo)準(zhǔn)要求，我公司最開始選用的熱處理工藝為940℃正火空冷+730℃回火空冷。保溫時間根據(jù)試樣厚度進(jìn)行確定。熱處理工藝見圖1所示。熱處理后機(jī)械性能見表3所示。

綜合4爐試樣正回火后機(jī)械性能結(jié)果顯示，940℃正火空冷+730℃回火空冷其抗拉強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)要求的485-655Mpa，且屈服強(qiáng)度也較高，屈強(qiáng)比約為0.75，高于理想狀態(tài)0.65-0.75。硬度值可參考JB/T 7024中ZG15Cr2Mo1的要求，可以看出硬度值也偏上限。從上標(biāo)數(shù)據(jù)顯示，該熱處理工藝不適用于WC9材質(zhì)鑄件的生產(chǎn)。因此我公司在此基礎(chǔ)上重新進(jìn)行工藝改進(jìn)。為降低抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比。我公司在以上熱處理工藝正火后增加爐冷階段，即940℃正火后冷卻方式為爐冷至650℃以下空冷。繼續(xù)用以上試塊進(jìn)行熱處理工藝驗證。機(jī)械性能見表4所示。

表3 試塊940℃正火空冷+730℃回火空冷性能

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)對WC9化學(xué)及性能要求

圖1 WC9材質(zhì)正火空冷+回火空冷處理曲線

表4 試塊940℃正火爐冷至650℃空冷+730℃回火空冷性能

通過表4和可以看出，增加爐冷階段，WC9材質(zhì)強(qiáng)度急劇下降，屈服強(qiáng)度基本在275Mpa左右，很容易出現(xiàn)不合格，屈強(qiáng)比約為0.50-0.55。但塑韌性指標(biāo)A、Z卻并沒有明顯增加，硬度指標(biāo)參考JB/T 7024中ZG15Cr2Mo1的要求，HV16131和HV16145勉強(qiáng)合格，其他兩爐則不合格，圖3金相顯示其組織為珠光體+鐵素體+未溶碳化物。因此該工藝任然不是最理想的工藝。

3 調(diào)整正火溫度后工藝試驗

經(jīng)過前面試驗顯示940℃正火，對于WC9材質(zhì)不是理想溫度，理論計算Ac3溫度為861℃。而合金材料的正火溫度一般高于Ac3以上30-50℃。回火溫度不高于Ac1（765℃），且標(biāo)準(zhǔn)要求回火溫度必須大于675℃。因此本次工藝試驗采用910℃正火空冷+740℃回火空冷。熱處理后的機(jī)械性能見表5所示。正火金相見圖2所示，回火金相見圖3所示。

表5 試塊910℃正火空冷+740℃回火空冷性能

從表5性能數(shù)據(jù)可以看出，試塊經(jīng)910℃正火空冷+740℃回火空冷后，屈服輕度和抗拉強(qiáng)度都有所提升，且沒有出現(xiàn)前面抗拉偏高或者屈服偏低的情況。數(shù)據(jù)滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度數(shù)據(jù)也滿足JB/T 7024中對ZG15Cr2Mo1的要求。且塑性指標(biāo)A、Z沒有明顯下降。金相顯示，910正火空冷后，得到較為細(xì)密的珠光體+鐵素體，經(jīng)過740℃回火后其組織為鐵素體+少量粒狀珠光體。粒狀珠光體可使得材料具有較好的塑韌性。

圖2 WC9材質(zhì)910℃正火空冷后金相組織

圖3 WC9材質(zhì)740℃回火空冷后金相組織

4 結(jié)論

（1）ASTM A217 WC9材質(zhì)試樣的化學(xué)成分在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，其臨界點Ac1=765℃。

Ac3=861℃。對應(yīng)其正火溫度為910℃，回火溫度為740℃。且經(jīng)過該溫度熱處理后機(jī)械性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）ASTM A217 WC9材質(zhì)對溫度較為敏感，通過正火空冷后得到的組織較為細(xì)密，強(qiáng)度較高。