ZG06Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢叶片热处理工艺研究

周彤，卫心宏（太原重工冶铸分公司，山西太原030024）

ZG06Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢叶片热处理工艺研究

周彤，卫心宏
（太原重工冶铸分公司，山西太原030024）

研究了不同热处理工艺对ZG06Cr13Ni4Mo材质性能的影响。试验表明，该材质在1 010℃正火+ 605℃一次回火+580℃二次回火热处理后，各项性能指标达到最优，其组织为低碳马氏体+逆转变奥氏体，具有较高的强度、低温韧性和适合的硬度，并在应用大型叶片铸件热处理生产中，满足了产品性能要求。

ZG06Cr13NI4Mo；马氏体不锈钢；叶片

大型叶片是水电水轮机中的关键零件，零件的服役条件较为恶劣，长期承受高压水流冲击、磨损和侵蚀，材质选择综合力学性能和耐侵蚀性能良好的ZG06C r13N i4M o马氏体不锈钢材质。随着水电及相关铸件向大型化发展，对ZG06C r13N i4M o等不锈钢材质的性能提出了更高的要求。为此，结合国内某水电设备企业ZG06C r13N i4M o大型叶片的生产试制，通过对材质化学成分的内控、热处理工艺对比试验和试验结果分析，确定了ZG06C r13N i4M o不锈钢材质优化的一次正火+两次回火热处理工艺，生产出满足高性能要求的铸件。

1 化学成分内控

ZG06C r13N i4M o材质为高强度马氏体不锈钢，要求具有较高的力学性能、较好的低温冲击韧性。为了提高材质的性能，对化学成分进行了内控，要求w（C）≤0.04%，w（P）≤0.025%，w（S）≤0.08%，并对气体含量进行控制。表1为材质内控的化学成分范围和试样化学成分的分析结果，表2为材质气体含量内控要求和试样气体含量分析结果。

表1 化学成份（质量分数，%）

表2 气体含量（ppm）

ZG06C r13N i4M o材质熔炼采用30 t电炉熔炼，25T L F炉精炼进行合金化、调整成分和温度，25T V O D炉进行脱碳除气，从而获得超低碳、成分均匀、纯净度高、有害气体含量低的钢水。最后采用喂铝线进行终脱氧，降低钢水中氧含量，进一步细化晶粒。

2 热处理工艺试验

2.1 试验方案

采用铸件本体为试验主体，试块尺寸为70mm× 70mm×230mm，预备热处理为软化退火。查阅文献后选定的热处理工艺参数为：正火温度1 010℃，一次回火温度590℃、605℃、620℃，二次回火温度580℃，采用不同回火工艺进行对比试验，试验方案见表3.

表3 热处理试验方案

2.2 试验结果分析

2.2.1 化学成分分析

从表1和表2化学成分及气体含量分析结果看，各项主要元素和气体含量都符合优化的成分控制范围。

2.2.2 性能试验结果分析

按不同试验方案进行热处理后，依照GB/T228. 1-2010，GB/T229-2007，GB/T231.1-2009标准进行力学性能对比试验，所得实验结果如表4和表5.

表4 不同热处理工艺方案力学性能分析

表5 弯曲试验

从力学性能对比分析看：（1）正火+回火热处理，材质可得到较好的力学性能，说明材质具有较好的淬透性。（2）正火热处理后两次回火比一次回火屈服强度和塑性性能（伸长率）都有一定的提高。（3）从弯曲性能检查分析，B1正火+一次回火试验工艺弯曲性能不合格，二次回火后B2试验工艺弯曲试验性能合格。（4）从6种不同回火温度试验结果对比看，1 010℃正火+605℃一次回火+580℃二次回火的B2工艺方案力学性能最好，屈服强度性能达到687M P a，伸长率达到23%，0℃冲击韧性达到160 J以上、硬度适中为268 H B，弯曲性能合格，全部满足材质的性能要求。

2.2.3 金相组织分析

依照GB/T13298-1991标准对材质B1和B2试验工艺进行金相组织分析，图1为正火+605℃一次回火金相组织，图2为正火+一次回火+二次回火的金相组织，从金相检验分析，ZG06C r13N i4M o热处理后主要组织为低碳板条马氏体+逆变奥氏体。从金相组织分析看，材质经过一次回火的部分板条马氏体束较粗长，两次回火后基体组织稍有变化，马氏体组织也略有细化，组织更加均匀；性能方面屈服性能和塑性有一定的提高。

2.2.4 试验结果分析

1）通过试验确定了ZG06C r13N i4M o材质具有较好的淬透性，通过正火+回火热处理，材质可得到较好的力学性能；正火热处理后两次回火比一次回火屈服强度和塑性性能（伸长率）都有较大的提高。

图1 ZG06Cr13Ni4Mo正火+一次回火金相组织

图2 ZG06Cr13Ni4Mo正火+两次回火金相组织

2）试验分析证明，ZG06C r13N i4M o正火后的组织为马氏体组织，回火后的组织为低碳板条状回火马氏体+逆变奥氏体，回火组织中的逆转变奥氏体具有较高的热稳定性，对材料的力学性能、冲击性能及铸焊工艺性能有显著的影响，因此材质热处理后具有较高的强度、高的塑料韧性、适当的硬度、很好的抗裂能力及良好铸造和焊接性能。

3）分析ZG06C r13N i4M o二次回火性能提高的原因，ZG06C r13N i4M o正火加热保温经奥氏体化后形成细小晶粒的奥氏体，急冷后转变为低碳马氏体。在第一次回火中马氏体中过饱和的碳以碳化物的形式析出，从而降低材料的强度，提高材料的塑性和韧性。由于一次回火温度较高，一次回火在产生回火马氏体外，还产生极其细小的逆变奥氏体。这些逆转变奥氏体在回火冷却时又部分转变成马氏体，给二次回火过程中再次生成的稳定逆变奥氏体的形核与长大提供条件。进行二次回火的目的是得到足够多的稳定的逆变奥氏体。这些逆变奥氏体可以在塑性变形过程中发生相变，从而提高材料的强度及塑性。由于条件所限，无法对逆转变奥氏体进行观察分析，故本实验当以力学性能值和显微组织为主要研究对象进行对比分析。

3 生产应用

ZG06C r13N i4M o是一种性能优良的高强度不锈钢铸钢材质，在进行叶片的实际生产时按照实验确定的化学成分和内控要求、二次正火+回火的热处理工艺进行生产，热处理工艺见图3.目前已完成10件大型水电叶片的生产，性能全部达到用户要求，并通过用户的复验，得到了良好的评价。

针对复杂曲面叶片，轮廓尺寸大，轴头厚大，易产生变形及开裂等缺陷的特点，热处理过程需采取一些工艺措施：

1）采用轴头朝下及叶片朝上装炉方案，以利于最小变形，见图4；

2）保证铸件之间、铸件与垫铁底板之间须有足够大的间隙保证冷却，确保轴头厚大部位满足超声波探测要求；

3）对工件的升温阶段进行了多次分段以使铸件在升温过程中尽量减小组织应力，防止开裂。

通过以上热处理措施的落实，确保了叶片的热处理质量。

4 结论

1）在材质化学成分内控基础上，通过热处理工艺的试验，确定ZG06C r13N i4M o高强度不锈钢材质热处理工艺为1 010℃正火+605℃一次回火+580℃二次回火的热处理工艺，能确保铸件材质的力学性能、低温冲击性能及冷弯性能达到标准要求。

图3 ZG06Cr13Ni4Mo叶片热处理工艺

图4 叶片热处理过程装炉方案

2）ZG06C r13N i4M o材质具有较好的淬透性，正火+两次回火热处理后的组织为性能良好的低碳板条马氏体+逆变奥氏体，具有较高的强度、高的塑料韧性、适当的硬度、很好的抗裂能力及良好铸造和焊接性能。

3）实验确定的正火+两次回火的热处理方案，应用于大型叶片的热处理工艺生产，材质性能全部达到用户标准要求。

［1］中国机械工程学会铸造分会编.铸造手册：第2卷：铸钢［M］.北京:机械工业出版社，2002.

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［4］孙立斌，许庆彦，柳百成.ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢微观组织试验研究［J］.铸造，2002（12）:745-749.

［5］卫心宏，张晓晖，李星月.ZG20Ni3低温承压铸钢热处理工艺研究［J］.铸造设备与工艺，2014（5）:14-15.

［6］梁云霞，卫心宏，遆玉海.不锈钢蜗壳的生产［J］.铸造设备与工艺，2015（5）:38-39.

Heat Treatment Process of ZG06Cr13Ni4M o Martensitic Stainless Steel Blade

ZHOU Tong，WEIXin-hong
（Smelting&Casting Branch，Taiyuan Heavy Industry，Taiyuan Shanxi030024，China）

The influence of different heat treatment processes on the performances of ZG06Cr13Ni4Mo was studied.Experiments showed thatunder the heat treatmentof normalizing at1 010℃+first tempering at 605℃+second tempering at 58℃，thismaterial achieved the optimized performances，itsmicrostructurewas low carbonmartensite+re-transformed austenite，it had higher strength，higher low-temperature toughness and suitable hardness.The heat treatment process is applied to the production of large blade castings，meets all requirements of the product performance.

ZG06Cr13NI4Mo，martensitic stainless steel，blade

TG23

A

1674-6694（2017）03-0032-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.03.011

2017-04-01

周彤（1988-），男，工程师，主要从事大型铸钢件材料及热处理工艺研究。