熱處理工藝對15CrMo鍛件組織和力學(xué)性能的影響

李 崗，李青松，付 迎，俄 馨，劉海金，王冀民

(1.蘭州蘭石檢測技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730314； 2.傳感及檢測技術(shù)應(yīng)用研究中心，甘肅 蘭州 730314)

15CrMo鋼鍛件是以鉻鉬為基礎(chǔ)的低合金耐熱鋼，最高工作溫度可達(dá)600 ℃，具有良好的高溫抗氧化性、熱強(qiáng)性及良好的抗硫和氫腐蝕的能力。目前在合成化工容器、常規(guī)熱電站、石油精煉設(shè)備、加氫裂化裝置及其他高溫加工設(shè)備中應(yīng)用極為廣泛[1-4]。在生產(chǎn)中經(jīng)常會出現(xiàn)15CrMo鋼力學(xué)性能數(shù)據(jù)異常的情況，對企業(yè)會產(chǎn)生較大的影響。本文通過研究不同熱處理工藝下15CrMo鋼鍛件金相組織和力學(xué)性能，找出其力學(xué)性能和金相組織的對應(yīng)關(guān)系，以期為該材料的理論研究和實(shí)際生產(chǎn)提供借鑒作用。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為15CrMo鋼鍛件(供貨態(tài)為正火)，其化學(xué)成分見表1。采用高溫箱式電阻爐進(jìn)行熱處理，在室溫下將樣坯裝于爐內(nèi)，然后按設(shè)定的加熱速率加熱至不同溫度(分別為910、920、930和940 ℃)并保溫100 min，分別采用不同的冷卻方式：水冷、噴淋和空冷，再進(jìn)行640 ℃×300 min回火處理，具體熱處理工藝見表2。

表1 15CrMo鋼鍛件化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 15CrMo鋼鍛件熱處理工藝

采用CMT5305型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣規(guī)格為φ10 mm，每組測試3個試樣，取平均值；采用ZBC2602N-3型夏比擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)溫度為-30 ℃，每組測試6個試樣取平均值；采用THBS3000E布氏硬度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，每組測試3個數(shù)據(jù)，加載荷為7.355 kN，保載15 s；采用GX51光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn)；采用JSM-IT300掃描電子顯微鏡(SEM)觀察沖擊斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能測試

15CrMo鋼鍛件力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表3?？梢钥闯?，試樣3-1和試樣3-3的抗拉強(qiáng)度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；試樣2-1、試樣3-1、試樣3-2、試樣3-3和試樣4-1的硬度值不滿足標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47008—2017《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》的要求；試樣1-3、試樣2-3、試樣3-2、試樣4-1和試樣4-2在-30 ℃時沖擊吸收功低于標(biāo)準(zhǔn)要求值(≥41 J)。相同正火溫度下，隨著正火冷卻速度的增加，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度均呈現(xiàn)上升趨勢，延伸率和斷面收縮率的變化不明顯，如圖1所示。

表3 15CrMo鋼鍛件力學(xué)性能數(shù)據(jù)

(a)強(qiáng)度；(b)斷面收縮率及延伸率；(c)硬度；(d)沖擊吸收功圖1 15CrMo鋼鍛件力學(xué)性能對比分析(a)atrength;(b)reduction of area and elongation;(c)hardness;(d)impact absorption energyFig.1 Comparative analysis on mechanical properties of 15CrMo steel forgings

2.2 顯微組織觀察

在910 ℃正火溫度下采用不同冷卻方式的15CrMo鋼鍛件的顯微組織如圖2所示。采用水冷方式時材料的力學(xué)性能優(yōu)于噴淋和空冷方式。試樣1-1和試樣1-2的顯微組織為均勻的貝氏體回火組織；試樣1-3的顯微組織為塊狀鐵素體+珠光體組織。

(a)水冷；(b)噴淋；(c)空冷圖2 910 ℃正火溫度下試樣顯微組織(a)water cooling;(b)spray cooling;(c)air coolingFig.2 Microstructure of sample at 910℃ normalizing temperature

2.3 斷口分析

在910 ℃正火溫度下采用不同冷卻方式的15CrMo鋼鍛件沖擊斷口SEM形貌如圖3所示。試樣1-1和試樣1-2的斷口形貌為韌窩斷口，試樣2-3為解理斷口形貌。

(a)水冷；(b)噴淋；(c)空冷圖3 910 ℃正火溫度下試樣斷口形貌(a)water cooling;(b)spray cooling;(c)air coolingFig.3 The fracture morphology of sample at 910 ℃ normalizing temperature

3 討論

本文通過力學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，15CrMo鋼鍛件在相同正火溫度下，采用不同冷卻速度進(jìn)行冷卻，綜合力學(xué)性能依次為：水冷>噴淋>空冷。采用空冷方式進(jìn)行冷卻時，奧氏體的過冷度小，轉(zhuǎn)變溫度高，各種元素的擴(kuò)散能力較強(qiáng)，奧氏體具備發(fā)生擴(kuò)散性相變的條件，所以顯微組織為鐵素體+珠光體。采用水冷方式進(jìn)行冷卻時，冷卻速度增大，奧氏體中碳、鐵等原子的長程擴(kuò)散能力減弱，變成半擴(kuò)散、半切變型的中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，即貝氏體組織[5-6]。貝氏體組織中，存在較多的位錯，強(qiáng)度比較高，貝氏體中碳化物細(xì)小并彌散的分布在基體中，使得韌性也較好。

奧氏體化溫度對15CrMo鋼性能的影響，其實(shí)質(zhì)是通過正火工藝來影響鋼的組織與結(jié)構(gòu)。隨著正火溫度升高，15CrMo鋼在奧氏體化溫度范圍內(nèi)，可溶解更多的合金元素，即固溶強(qiáng)化的作用增強(qiáng)，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和硬度升高，甚至超出標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值。所以在910 ℃正火、水冷條件下15CrMo鋼鍛件力學(xué)性能最優(yōu)。

4 結(jié)論

1)相同正火溫度下，采取水冷方式時15CrMo鋼鍛件的力學(xué)性能優(yōu)于噴淋和空冷，這是因?yàn)樗涞玫搅素愂象w組織，貝氏體組織中存在較多的位錯且碳化物細(xì)小彌散分布在基體中，使其綜合力學(xué)性能最優(yōu)；

2)在910 ℃正火溫度下，彌散強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、晶粒細(xì)化強(qiáng)化達(dá)到最優(yōu)的平衡狀態(tài)，15CrMo鋼鍛件綜合力學(xué)性能最優(yōu)。