不同淬火方式对KMN钢组织及力学性能的影响

张 博，邹 鹏，陈丽娟，王思倩，邵 帅，于广义

(沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司，辽宁 沈阳 100869)

KMN钢属低合金高强度钢，由于其优良的可焊性以及较好的综合力学性能，常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉、石油化工等工业部门中在高温下工作的零件。由于此类零件在高温、高压且与氢接触的工作环境下使用，因此对其力学性能，特别是冲击韧性的要求很高[1-2]。

在风机行业，KMN钢常用来制造离心压缩机的核心部件-叶轮。叶轮通常在流道铣制精加工之后进行热处理，传统的热处理方法是使用预抽真空气体保护炉加热后油冷淬火并高温回火，此方法可以得到较优良的综合力学性能，但流道氧化脱碳严重，影响流道表面质量，降低叶轮使用效率。使用真空炉加热气冷淬火并高温回火，可以得到与油淬接近的力学性能，同时流道几乎无氧化脱碳，表面质量极佳。因此，本文对KMN钢锻件进行真空加热加气淬，预抽真空气体保护炉加热、油淬，并分别高温回火，检测了不同淬火方式对KMN钢组织及力学性能影响。

1 试验材料和方法

试验用KMN合金钢采用真空精炼加电渣重熔，钢锭经不低于5的锻比锻造后成型，通过能谱检验化学成份见表1所示。锻件真空气淬在美国产伊普森 GV-8472真空炉中加热，随后进行气淬及高温回火，油淬使用预抽真空气体保护炉加热，使用分级淬火油淬火，并分别进行高温回火。对热处理后试样进行金相检验、室温拉伸试验以及夏比冲击试验。金相试样经磨制、机械抛光后用硝酸酒精溶液浸蚀，用Neophot 21 型卧式金相显微镜进行显微组织观察。采用RSA250型微机控制电子万能试验机按照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行室温拉伸性能测试。冲击试样为U形缺口试样，缺口深度2 mm，在JWB-300冲击试验机上按GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行室温冲击试验。

表1 试样化学成分(质量分数，%)

2 真空热处理工艺参数

研究表明12Cr2Mo1钢在850～950 ℃之间，随正火温度的升高，12Cr2Mo1钢的维氏硬度逐渐升高；950 ℃以后，维氏硬度不再继续增加。结合实际生产经验，同时考虑到炉温损失，本试验用KMN钢油淬温度选取970 ℃[3-4]。

由于真空气淬的冷却速度要低于油淬，所以从这个角度出发真空气淬火温度要高于油淬温度；另外由于真空气淬没有出炉淬火的过程，所以没有温度损失，从这角度出发真空气淬温度应低于油淬温度。综合以上原因，本试验用KMN钢气淬温度选取与油淬相同的970 ℃，冷却速度选取5 bar。

油淬和气淬后的回火温度均选取580 ℃。油淬具体工艺如图1(a)所示，气淬具体工艺如图1(b)所示。

(a)油淬；(b)气淬图1 KMN钢的淬火工艺(a) oil quenching；(b) gas quenchingFig.1 Quenching process of KMN steel

3 试验结果和分析

分别取真空气淬、油淬加高温回火的力学性能试样各2组进行检验，具体结果如表2所示。由表2可以看出，在回火温度相同的情况下，采用5 bar氮气冷却和油冷后KMN钢的力学性能略有差别。经不同介质淬火并回火后KMN钢的显微组织如图2所示。由图2可以看出，用两种介质淬火后显微组织是一致的，主要为回火索氏体。

KMN钢在进行热处理时，为了得到较高的冷却速度从而使得马氏体更充分的转变，一般采取油淬的工艺。可见在热处理过程中冷却速度对KMN钢最终力学性能能否满足工件设计使用要求十分重要。

(a)油淬未回火；(b)油淬+回火；(c)气淬未回火；(d)气淬+回火图2 热处理后KMN钢的的显微组织(a) oil quenching without tempering; (b) oil quenching+tempering; (c) gas quenching without tempering; (d) gas quenching+temperingFig.2 Microstructures of the KMN steel after heat treatment

表2 热处理后KMN钢的力学性能

因此真空气淬能否得到优良的综合力学性能，气淬的冷却速度至关重要。由以上力学性能和显微组织检验结果可以看出，经5 bar氮气冷却淬火的力学性能略低于油淬的，两种淬火工艺的显微组织基本一致，没有明显变化[5]。

4 结论

1)KMN钢锻件分别进行进行真空加热970 ℃淬火(5 bar氮气冷却)加580 ℃高温回火处理后的力学性能与预抽真空气体保护炉加热970 ℃油淬加580 ℃高温回火处理后的力学性能相比略低，降低约8%，不同淬火方式对力学性能影响不大。

2)经不同淬火方式及高温回火热处理后的KMN钢的显微组织是一致的，主要为回火索氏体。