冷卻速率對大型鑄鋼件用CrMoV 材料沖擊性能的影響

晁博嗣，納學(xué)洋，馬 進(jìn)，蘇志東

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

CrMoV 鋼屬于一種低合金耐熱鋼，在高溫強(qiáng)度方面較為突出，該材料主要用于汽輪機(jī)行業(yè)，如蒸汽室、隔板、汽缸等重要零部件。CrMoV 材料主要化學(xué)成分是在CrMo 鋼的基礎(chǔ)上，添加了少量的V 元素，用于細(xì)化晶粒及提高強(qiáng)度。由于鑄鋼件的大型化，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中該材料的性能不穩(wěn)定，尤其是沖擊功的波動最大。故本文用CrMoV 材料的鑄鋼件試塊進(jìn)行研究，試驗不同的冷卻速率對CrMoV 材料沖擊性能的影響，并應(yīng)用于大型鑄鋼件中，提高沖擊穩(wěn)定性。

1 試驗材料及方案

1.1 試塊制備

為保證試驗過程與實際生產(chǎn)制造過程盡可能一致，本次試驗采用的試塊為澆注鑄鋼件時附帶的試塊，化學(xué)成分采用國外G17CrMoV5-10 材料牌號標(biāo)準(zhǔn)，用EAF 爐熔煉鋼水，脫P(yáng)、脫C，去除雜質(zhì)，再經(jīng)過LF 爐進(jìn)行精煉，調(diào)整化學(xué)成分達(dá)到該材料標(biāo)準(zhǔn)范圍，將鋼水澆注到以地坑砂型鑄造方法設(shè)計的鑄型中，通過順序凝固的方法最終成型。鑄型冷卻到室溫時把鑄件從砂箱中提出，在將鑄件上的試塊切下，測得試塊的化學(xué)成分如表1 所示。該試塊再通過一定的熱處理工藝，最終達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)所要求的性能，G17CrMoV5-10 材料牌號標(biāo)準(zhǔn)性能如表2 所示。

表1 試塊的化學(xué)成分 w/%

表2 G17CrMoV5-10 鋼的機(jī)械性能要求

1.2 試驗方案

鑄鋼件在實際生產(chǎn)過程中主要有三種連續(xù)冷卻方式，分別是室溫冷卻、強(qiáng)風(fēng)冷卻和液體冷卻。在連續(xù)冷卻過程中主要發(fā)生幾種轉(zhuǎn)變，分別是珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變。本試驗通過JMatPro 軟件模擬出此材料的CCT 曲線圖，如圖1所示，可以從曲線圖中分析出該材料在連續(xù)冷卻條件下過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律，是制定熱處理工藝，確定正火冷卻速率的重要依據(jù)。

圖1 G17CrMoV5-10 的CCT 曲線

分析G17CrMoV5-10 的CCT 曲線圖，當(dāng)冷卻速率不同時，該材料室溫下可得到以下金相組織：貝氏體組織、珠光體組織和鐵素體組織，隨著冷卻速率的加快，該材料得到的貝氏體組織越多，珠光體和鐵素體越少。結(jié)合實際生產(chǎn)中的冷卻速率，設(shè)置三種冷卻方案：（20～25）℃/min、（7～10）℃/min和（2～5）℃/min，對試塊進(jìn)行試驗。在生產(chǎn)中為實現(xiàn)這三種冷卻速率，分別采用室溫冷卻、強(qiáng)風(fēng)冷卻和液體冷卻三種方案進(jìn)行控制。室溫冷卻是在室溫條件下緩慢冷卻；強(qiáng)風(fēng)冷卻是通過風(fēng)機(jī)加強(qiáng)冷卻方式；液體冷卻是采用PAG 淬火液冷卻，PAG淬火液是一種介于水和油之間的介質(zhì)，其冷卻速率較水冷慢，較油冷快，可有效減少淬火應(yīng)力和裂紋傾向。

試塊具體試驗方案如表3 所示。

表3 試驗方案

由于本試驗?zāi)康脑谟谘芯坷鋮s速率和性能的關(guān)系，因此正火溫度、回火溫度以及保溫時間參數(shù)均相同。正火溫度參數(shù)的確定基于以下三方面：（1）模擬出該材料的完全奧氏體化溫度AC3約為857℃；（2）充分消除厚大部位成分偏析；（3）材料規(guī)范要求正火保溫溫度920～960℃。綜上，選定正火保溫溫度為945℃?；鼗饻囟葏?shù)基于以下依據(jù)：（1）模擬出該材料AC1約為757℃；（2）充分消除鑄件淬火后應(yīng)力；（3）材料規(guī)范要求回火保溫溫度700～740℃。綜上，選定回火保溫溫度為720℃。試樣保溫時間同相應(yīng)鑄件保溫時間相同。

1.3 試驗過程

為貼合實際生產(chǎn)，消除不同熱處理爐之間的差異，將三個試塊裝入同一生產(chǎn)用的熱處理爐，試驗過程嚴(yán)格按照熱處理工藝參數(shù)執(zhí)行，正火保溫結(jié)束后，試塊分別按照不同的冷卻方案進(jìn)行冷卻。待冷卻到300℃以下，組織已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變后，及時進(jìn)爐回火。

1.4 取樣與檢測

為確保試驗的準(zhǔn)確性和實用性，試塊取樣位置同正常鑄件試塊的取樣位置相同，具體如圖2所示。沖擊試驗的測試環(huán)境溫度為室溫，沖擊經(jīng)擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)檢測夏比V 型沖擊值。為進(jìn)一步分析性能差異的原因，取試塊樣檢測金相組織，試樣通過研磨拋光后，再用5%苦味酸乙醇溶液侵蝕0.5～1min，在光學(xué)顯微鏡下觀察組織。試塊取樣位置如圖2 所示。

圖2 試塊取樣位置圖

沖擊試驗按照ISO 148-1 進(jìn)行檢測，每種方案分別檢測三組沖擊功，再計算均值，避免個值影響總體數(shù)據(jù)，沖擊檢測結(jié)果如表4 所示。

表4 室溫沖擊性能結(jié)果

圖3 為冷卻速率與室溫沖擊的關(guān)系，熱處理過程保溫溫度及保溫時間均相同，主要關(guān)鍵因素是冷卻速率的差異，隨著冷卻速率的降低，CrMoV材料的室溫沖擊由（20～25）℃/min 的138J 降至（2～5）℃/min 的18.4J，室溫冷卻條件下，室溫沖擊功不合格，強(qiáng)風(fēng)冷卻條件下，沖擊功均值合格，沖擊功個值部分不合格，當(dāng)冷卻速率降幅增大時，室溫沖擊功降幅也越大。

圖3 不同冷卻方式處理后G17CrMoV5-10 鋼室溫沖擊變化圖

2.2 金相組織檢測結(jié)果

圖4 為CrMoV 材料經(jīng)不同冷卻速率處理后的金相組織。冷卻速率在（20～25）℃/min 的金相組織為貝氏體組織，冷卻速率在（2～10）℃/min 之間的組織為貝氏體+少量鐵素體組織，不同之處在于隨著冷卻速率的降低，鐵素體含量越多，貝氏體含量越少。

圖4 G17CrMoV5-10 鋼經(jīng)不同冷卻速率的顯微組織

2.3 結(jié)果分析

組織決定性能，隨著冷卻速率的增大，會降低臨界形核功，增加形核速率，導(dǎo)致形核數(shù)量增多，進(jìn)而抑制晶粒長大，促進(jìn)晶粒細(xì)化，細(xì)晶粒在受到外力作用發(fā)生塑性變形時，可以將外力分散到更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，應(yīng)力集中小，提高組織的強(qiáng)韌性，進(jìn)而提升材料的室溫沖擊。在組織分布上，貝氏體本質(zhì)上是飽和鐵素體和滲碳體的兩相混合物，貝氏體越多，相界面位錯越多，材料的強(qiáng)韌性就越高。先共析鐵素體強(qiáng)度較低，容易在較低應(yīng)力下導(dǎo)致開裂[4]，因此隨著鐵素體量增多，導(dǎo)致材料的沖擊韌性降低。

3 結(jié)論

（1）CrMoV 材料按照（20～25）℃/min（液體冷卻）冷卻時得到的沖擊性能最優(yōu)異，隨著冷卻速率的降低，沖擊性能隨之降低，按照（7～10）℃/min（強(qiáng)風(fēng)冷卻）冷卻時，沖擊功均值符合要求，部分個值不符合要求，按照（2～5）℃/min（室溫冷卻）冷卻時，沖擊值不符合要求。

（2）按照（20～25）℃/min 冷卻時得到的金相組織為貝氏體組織，按照（7～10）℃/min 和（2～5）℃/min 冷卻時得到的金相組織為貝氏體+鐵素體組織，且隨著冷卻速度的增加，貝氏體量增多，鐵素體量減少。

（3）大型鑄鋼件熱處理生產(chǎn)過程中，將冷卻速率控制在（20～25）℃/min 之間，可以得到以貝氏體為主的組織，使材料擁有更優(yōu)異的沖擊性能，并且縮短生產(chǎn)周期。