CA15 不銹鋼鑄件葉輪熱處理工藝改進

樊英鋒，徐新承

（嘉揚精密金屬有限公司,山東東營 257000）

馬氏體不銹鋼以其優(yōu)異的力學性能和耐蝕性被廣泛應用于水電、火電、核電等工業(yè)領(lǐng)域[1]。諸多同行研究了不銹鋼的耐蝕性及生產(chǎn)過程中的缺陷及防止措施[2、3]，但對不銹鋼鑄件澆注后變形矯正預防開裂研究很少。本文通過試驗研究了不同熱處理工藝對CA15 低碳馬氏體不銹鋼鑄材性能的影響，為優(yōu)化工藝預防鑄造馬氏體不銹鋼產(chǎn)品整形開裂提供了借鑒經(jīng)驗。如圖1 所示CA15 馬氏體不銹鋼葉輪鑄造成型后，在其上下蓋板上產(chǎn)生不同程度的翹曲變形，一般變形量在1～3mm 之間，難以保障尺寸符合產(chǎn)品要求。生產(chǎn)中經(jīng)常在熱處理后進行整形，表面質(zhì)量檢查過程中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品開裂而報廢，不同型號的葉輪報廢比例在10%～30%之間。研究其材質(zhì)特性改善韌性，對于預防CA15 材質(zhì)葉輪整形開裂有積極意義。

圖1 CA15 不銹鋼鑄件葉輪

1 試驗材料與方法

選用中頻爐大氣條件下熔煉澆鑄的?25mm×220mm 圓柱形試棒進行熱處理試驗。首先，試棒澆鑄完成后從其一端截取?25mm×20mm 的試塊，并用OBLF GS1000-II 光譜分析儀檢測其化學成分。其次，在試棒上用4mm 字頭打好編號標記,接著按照各組試驗在RHW-40KW 型箱式電阻爐中進行熱處理。接著按照ASTM A370/A370M 標準，將熱處理后的試棒加工成?12.5mm 和10mm×10mm 標準試樣，拉伸試樣使用SHT4605 型微機控制電液伺服萬能試驗機進行力學性能檢測；沖擊試樣使用JBD-300C 超低溫沖擊試驗機進行沖擊測試；在熱處理后的試棒上截取圓柱形試塊用500MRA 洛氏硬度計測量其心部洛氏硬度；在沖擊測試后的長條形試塊上打磨平整變形部分后，使用HB-3000 布氏硬度計測量其布氏硬度。最后，將沖擊試塊切小后進行鑲嵌，并與檢測過洛氏硬度的小圓柱形試塊一起用砂輪和砂紙打磨平整后作為金相試塊待檢測。金相試塊用鹽酸+氯化鐵溶液進行腐蝕后利用XJL-02A 金相顯微鏡進行組織觀察。

2 試驗結(jié)果與分析

經(jīng)一次改進后CA15 材質(zhì)鑄造葉輪采用鑄造—退火—粗整形—性能熱處理（淬火+回火）—精整形的工藝流程，本次試驗分別從成分控制、鑄造、退火、淬火及淬火+回火方面研究了材質(zhì)的組織和性能。

2.1 成分控制

由圖2 合金狀態(tài)圖[4]可見，Cr12 型不銹鋼含碳量過低時，在奧氏體化加熱時容易產(chǎn)生高溫δ鐵素體，此組織屬于脆性相對材質(zhì)塑性變形不利,生產(chǎn)上應盡量避免。為擴大奧氏體區(qū)，減小奧氏體和高溫δ 鐵素體雙相區(qū)，促使奧氏體化時盡可能多的獲得奧氏體組織。本次試驗適當內(nèi)控了C 元素含量范圍，減少了Cr 元素含量，增加了Ni 元素含量。相關(guān)文獻介紹C 和Mo 配合對改善低碳馬氏體鋼強韌性的作用明顯[5]，本次試驗時也適當內(nèi)控增加了Mo 元素含量。同時為便于鑄造成型也適當內(nèi)控了Si 和Mn 元素含量范圍。最終內(nèi)控成分及試棒實測成分詳見表1。

表1 CA15 不銹鋼化學成分對比 w/%

圖2 含12%Cr，0～1%C 的合金狀態(tài)圖

2.2 鑄造、淬火及淬火+回火后性能及組織的差異

相關(guān)文獻研究指出低碳馬氏體鋼，當奧氏體化溫度超過1050℃時空冷后獲得的馬氏體開始粗大，韌性明顯降低[6、7]。結(jié)合圖2 合金狀態(tài)圖將淬火奧氏體化溫度定為1020℃。相關(guān)文獻研究了低碳馬氏體鋼奧氏體化后水冷、油冷、空冷和爐冷四種冷卻條件下的力學性能，結(jié)果顯示奧氏體后在空冷條件下的伸長率最高[8]。由此可見CA15 材質(zhì)鑄件淬火奧氏體化后采用空冷對后續(xù)整形更有利。結(jié)合CA15 鑄造葉輪原熱處理工藝研究了其在鑄造、1020℃加熱淬火及淬火+回火情況下的性能。

由表2 試驗1 和2 可知CA15 材質(zhì)鑄造和淬火后硬度基本一致，硬度約39.5～41.5HRC，屬于典型的空冷馬氏體鋼。測試數(shù)據(jù)顯示鑄造下試棒強度在1000MPa 以上，而斷后伸長率只有3%，斷面收縮率只有1%,表明鑄造狀態(tài)下此材質(zhì)強度和硬度很高而塑性很低。由表2 試驗3 可知1020℃淬火+600℃回火后，試樣硬度明顯下降，塑性明顯提高。測試數(shù)據(jù)顯示硬度由原來鑄造或淬火態(tài)的40HRC 左右降低28HRC 左右，伸長率由原來的3%提高至20%，斷面收縮率由原來的1%提升至60%左右。在圖3a 可見鑄造空冷后金相組織以粗大的板條馬氏體為主，在原奧氏體晶界附近出現(xiàn)了少量的鐵素體，組織粗大且不均勻。由圖3b 可見淬火后金相組織為較粗大的板條馬氏體，沒有發(fā)現(xiàn)鐵素體存在，晶粒細化效果不明顯。由于鑄造組織中鐵素體含量極少對硬度的弱化作用非常有限，故此宏觀上硬度檢測結(jié)果顯示二者基本一致。在圖3c 中可見淬火+回火后金相組織以保持馬氏體位向的回火索氏體為主，因組織遺傳的影響，回火后組織仍舊不均勻，粗大馬氏體的痕跡和方向仍舊很明顯。回火索氏體的出現(xiàn)是硬度降低和性能改善的主要原因。由上述材質(zhì)性能對比可見，CA15 材質(zhì)鑄造情況下硬而脆不適合整形，而淬火+高溫回火后硬度下降，韌性提高，鑄件葉輪可以考慮在淬火+回火后進行適當整形，保障尺寸符合圖紙要求。

圖3 不同狀態(tài)下CA15 材質(zhì)的金相組織

表2 不同狀態(tài)下CA15 材質(zhì)的性能

2.3 不同退火工藝條件下的組織及性能

結(jié)合CA15 鑄件葉輪原退火工藝進行了三種試驗。表3 試驗1 顯示780℃退火后試樣硬度為263～272HBW，平均沖擊值為20.3J。圖4a 金相檢測顯示780℃退火后金相組織以粒狀珠光體為主，同時在原奧氏體晶界出現(xiàn)了網(wǎng)狀和半網(wǎng)狀的碳化物。試驗2 顯示退火后再進行補充650℃高溫回火處理，試樣硬度有明顯降低，最低為217HBW，平均沖擊值為25.7J，比單獨退火略有提高。圖4b金相檢測顯示退火+高溫回火后金相組織仍舊以粒狀珠光體為主，同時仍舊有半網(wǎng)狀分布的碳化物存在，由于網(wǎng)狀碳化物有所減少沖擊值比退火后略有增加。如試驗3 所示提高退火加熱溫度，先進行880℃退火后補充進行780℃退火，發(fā)現(xiàn)試樣硬度值為260～269HBW，與試驗1 硬度范圍基本一致，但其平均沖擊值明顯下降只有6J，是三種退火試驗中最低的。圖4c 金相檢測結(jié)果顯示兩次退火后出現(xiàn)了很多粗大的網(wǎng)狀碳化物，分析高溫退火緩慢冷卻過程中粗大、硬而脆的碳化物析出應是其沖擊值降低的主要原因。由上述材質(zhì)性能對比可見，CA15 材質(zhì)采用試驗2 退火+高溫回火后硬度最低，沖擊韌性最高，鑄件葉輪經(jīng)過此工藝退火后進行粗整形較為合理。

圖4 不同退火狀態(tài)下CA15 材質(zhì)的金相組織

表3 不同退工藝火后CA15 不銹鋼的硬度及沖擊

2.4 不同淬火+回火工藝條件下的組織及性能

相關(guān)文件研究顯示低碳馬氏體不銹鋼回火過程容易產(chǎn)生二次回火脆性，導致沖擊韌性下降[9、10]。為此回火后設計了空冷和爐冷對比試驗來驗證CA15 材質(zhì)鑄件回火過程中的脆性問題。由表4 試驗1 和2 可知，在同樣淬火和回火條件下，爐冷和空冷二者試棒硬度基本一致為280HBW 左右。圖5 中a 和b 金相檢測結(jié)果也顯示淬火后回火空冷和爐冷金相組織并無明顯差異，均為保留馬氏體位向的回火索氏體。沖擊試驗結(jié)果顯示空冷后試樣沖擊值比爐冷略高，但平均值相差不大，表明CA15 材質(zhì)沒有明顯的二類回火脆性。相關(guān)資料介紹在Ni-Cr 鋼中加入少量的Mo 可以改善二次回火脆性[11]，分析CA15 材質(zhì)中0.254%的Mo 元素應是其回火爐冷無明顯二類回火脆性的主要原因。試驗3 顯示淬火后提高回火溫度至650℃并進行補充回火，采用淬火+雙回火后試樣硬度略有降低約為255HBW,平均沖擊值為38J，相比前兩種試驗硬度明顯降低，沖擊值有明顯提高。從圖5c中可見淬火后經(jīng)過兩次高溫回火處理后組織轉(zhuǎn)變更為充分，長而粗大的回火馬氏體明顯減少，回火馬氏體板條區(qū)域短小化。因鑄造組織偏析的影響，在一次回火過程中過飽和的合金元素緩慢從殘留奧氏體中析出使Ms 點升高，部分殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使其硬度并沒有達到最低值。通過二次回火促使一次回火產(chǎn)生的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，組織更趨于均勻化和穩(wěn)定，這應是淬火+雙回火沖擊值最高的主要原因。由上述材質(zhì)性能對比可見，CA15 材質(zhì)回火后無明顯的第二類回火脆性，且兩次高溫回火后組織轉(zhuǎn)變更充分，韌性更好，更有利于鑄件葉輪精整形。對性能要求低且變形量大的產(chǎn)品可以考慮采用兩次高溫回火后整形。

表4 不同淬火+回火工藝下CA15 不銹鋼的硬度及沖擊

圖5 不同淬火+回火工藝下CA15 材質(zhì)的金相組織

2.5 工藝改進及效果

根據(jù)CA15 材質(zhì)性能試驗情況，對與CA15 材質(zhì)成分類似容易整形開裂的鑄件葉輪熱處理工藝進行了適當二次改進（詳見表5）。經(jīng)統(tǒng)計近三個月以來共生產(chǎn)9 個型號鑄件葉輪，總數(shù)量為851件，總重量為11.5t，其中因整形裂紋報廢的僅有6件，占生產(chǎn)總數(shù)量的0.7%。對比最初的10%～30%整形裂紋廢品率，可見采用二次改進工藝后整形裂紋情況得到了有效改善。

表5 CA15 鑄造葉輪熱處理工藝對比

3 結(jié)論

（1）CA15馬氏體不銹鋼材質(zhì)，鑄造和淬火條件下硬度基本一致在40HRC 左右，斷后伸長率只有3%，斷面收縮率只有1%，材質(zhì)硬而脆，該材質(zhì)鑄造葉輪不適合整形。

（2）通過淬火+回火可以明顯降低CA15 材質(zhì)硬度，極大改善韌性，熱處理后斷后伸長率可提高至20%，斷面收縮率可提高至60%。

（3）采用退火+高溫回火后粗整形，性能熱處理后進行精整形的措施有效改善了CA15 材質(zhì)鑄造葉輪整形開裂問題，同時縮短了工藝周期，提高了生產(chǎn)效率。