热处理工艺对ZG23Cr12MoV耐热钢组织与力学性能的影响

2021-09-14马正强肖章玉刘显有管红亮

大型铸锻件 2021年5期

马正强肖章玉刘显有李其李川管红亮

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618013)

能源安全问题是我国当前经济发展和实现碳中和目标过程中的重要课题，在2030年碳达峰、2060年碳中和的背景下，中国能源转型的任务已经非常明确，即能源结构要进一步调整并向清洁化发展[1]。天然气发电是我国能源供给的重要组成部分，以天然气为燃料的燃气轮机联合循环是一种高效率、低污染的发电方式，具有供电效率高、投资低、建设周期短、启停灵活、运行自动化程度高、污染少等优点[2]。燃气轮机是21世纪动力设备的核心，被誉为“工业皇冠上的明珠”，在Cr12不锈钢的基础上研制而成的ZG23Cr12MoV耐热钢[3]，因其具有优良的耐热、耐蚀和抗蠕变断裂性能，已被应用于某新型燃气轮机核心铸件的生产制造中。由于该钢种相关热处理工艺与组织性能的研究报道较少，因此，本文通过研究热处理工艺对ZG23Cr12MoV耐热钢组织与力学性能的影响，为燃机铸件的实际生产提供指导。

1 试验材料与方法

为了与铸件的实际生产情况保持一致，试验试样没有选用小试样，而是采用铸件原始尺寸的附铸试块直接进行热处理，热处理完成后再将试块分别加工成20 mm×20 mm×15 mm的金相试样、55 mm×10 mm×10 mm的夏比V型缺口冲击试样、标距为50 mm的拉伸试样进行组织和力学性能检验。ZG23Cr12MoV钢的化学成分要求如表1所示，力学性能要求如表2所示。

表2 试验钢的力学性能要求Table 2 Mechanical properties of test steels

根据ZG23Cr12MoV钢的相变点温度，同时参考相关标准中的温度规定，确定试验钢的淬火温度为1040～1060℃，进行不同淬火冷却方式、不同回火温度和不同回火冷却速度的热处理工艺试验，研究淬火冷却方式、回火温度、回火冷却速度对ZG23Cr12MoV钢的组织和力学性能的影响。

2 试验结果与分析

2.1 淬火冷却方式对ZG23Cr12MoV钢组织和力学性能的影响

表3为风冷淬火和油冷淬火的热处理工艺参数。图1为淬火冷却方式和回火温度对ZG23Cr12MoV钢力学性能的影响，从图1(a)和(b)可以看出，试样采用风冷淬火和油冷淬火后其强度基本相当，淬火冷却速度对ZG23Cr12MoV钢的强度和硬度影响较小；随着回火温度的升高，屈服强度和抗拉强度均不断下降，在710～750℃回火时，风冷淬火的试样其屈服强度从655 MPa下降至575 MPa，抗拉强度从840 MPa下降至775 MPa，油冷淬火的试样其屈服强度从658 MPa下降至570 MPa，抗拉强度从845 MPa下降至770 MPa，均满足标准要求值。

表3 热处理工艺参数Table 3 Heat treatment process parameters

图1 淬火冷却方式和回火温度对ZG23Cr12MoV钢力学性能的影响Figure 1 Effect of quenching cooling mode and tempering temperature on mechanical properties of ZG23Cr12MoV steel

图1(c)和(d)为试样风冷淬火和油冷淬火后在710～750℃范围内回火的断后伸长率和断面收缩率变化图，从图中可以看出，随着回火温度的升高，试样的断后伸长率和断面收缩率总体呈上升趋势，油冷淬火试样的断后伸长率和断面收缩率优于风冷淬火试样，说明淬火冷却速度增大，ZG23Cr12MoV钢的塑性提高，710℃回火时，风冷淬火和油冷淬火试样的断后伸长率为13.5%和14%，低于标准要求的A≥15%，因此，需选择720℃以上温度回火。

图1(e)为试样风冷淬火和油冷淬火后在710～750℃范围内回火的室温冲击吸收能量变化图，从图中可以看出，随着回火温度的升高，室温冲击吸收能量大幅提升，油冷淬火试样的室温冲击性能更好，最高可达55 J，说明淬火冷却速度增大，ZG23Cr12MoV钢的冲击韧性提高。图1(f)为试样风冷淬火和油冷淬火后在710～750℃范围内的硬度变化图，从图中可以看出，随着回火温度的升高，硬度呈现缓慢下降趋势，说明ZG23Cr12MoV钢具有较高的回火稳定性。

图2为试样在风冷淬火和油冷淬火后，经过740℃回火后的显微组织形貌，可以看出，两种淬火冷却方式下，其组织均为回火马氏体。

图2 不同淬火冷却方式下ZG23Cr12MoV钢的显微组织Figure 2 Microstructure of ZG23Cr12MoV steelunder different quenching and cooling modes

2.2 回火冷却速度对ZG23Cr12MoV钢硬度和冲击韧性的影响

表4为试样在相同淬火工艺、相同回火温度、不同回火冷却方式下的热处理工艺参数。图3为回火冷却速度对ZG23Cr12MoV钢硬度和冲击韧性的影响。从图3(a)可以看出，同一回火温度下，回火冷却速度对硬度的影响较小。从图3(b)可以看出，同一回火温度下，随着冷却速度的增大，冲击吸收能量明显提高，水冷的冲击吸收能量最高，炉内缓冷的冲击吸收能量最低，而不同回火冷却方式下的试样组织均保持马氏体板条形貌，马氏体板条的位向良好，回火时，沿马氏体板条及原奥氏体晶界处析出碳化物，碳化物的主要元素为Fe、Cr，可以判断其为(Fe,Cr)23C6碳化物，随着冷却速度的降低，碳化物的析出数量增多，沿晶界呈链状析出的M23C6长大粗化，导致材料的冲击吸收能量下降[4]。对冲击较低的炉冷试样重新进行相同工艺回火，回火降温采用快冷的方式，其冲击吸收能量大幅提升，说明ZG23Cr12MoV钢具有回火脆性，杂质元素、抗拉强度及晶粒尺寸都会影响CrMoV类钢的回火脆性[5]，回火过程中，杂质元素的偏聚、粗大碳化物沿晶界的析出均会导致回火脆性的产生[6]。

图3 回火冷却速度对ZG23Cr12MoV钢硬度和冲击韧性的影响Figure 3 Effect of tempering cooling rate on hardnessand impact toughness of ZG23Cr12MoV steel

表4 不同回火冷却方式热处理工艺参数Table 4 Heat treatment process parametersof different tempering cooling methods

2.3 ZG23Cr12MoV钢的高温拉伸性能

表5为试样的热处理工艺参数。图4为回火温度对ZG23Cr12MoV钢550℃高温拉伸性能的影响，可以看出，随着回火温度的升高，试样的屈服强度和抗拉强度呈现下降趋势，断后伸长率和断面收缩率呈现上升趋势，试样在730℃回火后，550℃下的屈服强度为417 MPa，750℃回火后，550℃下的屈服强度为366 MPa，表现出优良的高温拉伸性能。