热处理工艺对15CrMo锻件组织和力学性能的影响

李 岗，李青松，付 迎，俄 馨，刘海金，王冀民

(1.兰州兰石检测技术有限公司，甘肃 兰州 730314； 2.传感及检测技术应用研究中心，甘肃 兰州 730314)

15CrMo钢锻件是以铬钼为基础的低合金耐热钢，最高工作温度可达600 ℃，具有良好的高温抗氧化性、热强性及良好的抗硫和氢腐蚀的能力。目前在合成化工容器、常规热电站、石油精炼设备、加氢裂化装置及其他高温加工设备中应用极为广泛[1-4]。在生产中经常会出现15CrMo钢力学性能数据异常的情况，对企业会产生较大的影响。本文通过研究不同热处理工艺下15CrMo钢锻件金相组织和力学性能，找出其力学性能和金相组织的对应关系，以期为该材料的理论研究和实际生产提供借鉴作用。

1 试验材料与方法

试验材料为15CrMo钢锻件(供货态为正火)，其化学成分见表1。采用高温箱式电阻炉进行热处理，在室温下将样坯装于炉内，然后按设定的加热速率加热至不同温度(分别为910、920、930和940 ℃)并保温100 min，分别采用不同的冷却方式：水冷、喷淋和空冷，再进行640 ℃×300 min回火处理，具体热处理工艺见表2。

表1 15CrMo钢锻件化学成分(质量分数，%)

表2 15CrMo钢锻件热处理工艺

采用CMT5305型微机控制电子万能试验机进行拉伸试验，试样规格为φ10 mm，每组测试3个试样，取平均值；采用ZBC2602N-3型夏比摆锤冲击试验机进行冲击试验，试样尺寸10 mm×10 mm×55 mm，试验温度为-30 ℃，每组测试6个试样取平均值；采用THBS3000E布氏硬度试验机进行硬度试验，每组测试3个数据，加载荷为7.355 kN，保载15 s；采用GX51光学显微镜进行金相检验；采用JSM-IT300扫描电子显微镜(SEM)观察冲击断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 力学性能测试

15CrMo钢锻件力学性能数据见表3。可以看出，试样3-1和试样3-3的抗拉强度不满足标准要求；试样2-1、试样3-1、试样3-2、试样3-3和试样4-1的硬度值不满足标准NB/T 47008—2017《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》的要求；试样1-3、试样2-3、试样3-2、试样4-1和试样4-2在-30 ℃时冲击吸收功低于标准要求值(≥41 J)。相同正火温度下，随着正火冷却速度的增加，屈服强度、抗拉强度和硬度均呈现上升趋势，延伸率和断面收缩率的变化不明显，如图1所示。

表3 15CrMo钢锻件力学性能数据

(a)强度；(b)断面收缩率及延伸率；(c)硬度；(d)冲击吸收功图1 15CrMo钢锻件力学性能对比分析(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 显微组织观察

在910 ℃正火温度下采用不同冷却方式的15CrMo钢锻件的显微组织如图2所示。采用水冷方式时材料的力学性能优于喷淋和空冷方式。试样1-1和试样1-2的显微组织为均匀的贝氏体回火组织；试样1-3的显微组织为块状铁素体+珠光体组织。

(a)水冷；(b)喷淋；(c)空冷图2 910 ℃正火温度下试样显微组织(a)water cooling;(b)spray cooling;(c)air coolingFig.2 Microstructure of sample at 910℃ normalizing temperature

2.3 断口分析

在910 ℃正火温度下采用不同冷却方式的15CrMo钢锻件冲击断口SEM形貌如图3所示。试样1-1和试样1-2的断口形貌为韧窝断口，试样2-3为解理断口形貌。

(a)水冷；(b)喷淋；(c)空冷图3 910 ℃正火温度下试样断口形貌(a)water cooling;(b)spray cooling;(c)air coolingFig.3 The fracture morphology of sample at 910 ℃ normalizing temperature

3 讨论

本文通过力学性能测试发现，15CrMo钢锻件在相同正火温度下，采用不同冷却速度进行冷却，综合力学性能依次为：水冷>喷淋>空冷。采用空冷方式进行冷却时，奥氏体的过冷度小，转变温度高，各种元素的扩散能力较强，奥氏体具备发生扩散性相变的条件，所以显微组织为铁素体+珠光体。采用水冷方式进行冷却时，冷却速度增大，奥氏体中碳、铁等原子的长程扩散能力减弱，变成半扩散、半切变型的中温转变产物，即贝氏体组织[5-6]。贝氏体组织中，存在较多的位错，强度比较高，贝氏体中碳化物细小并弥散的分布在基体中，使得韧性也较好。

奥氏体化温度对15CrMo钢性能的影响，其实质是通过正火工艺来影响钢的组织与结构。随着正火温度升高，15CrMo钢在奥氏体化温度范围内，可溶解更多的合金元素，即固溶强化的作用增强，导致材料的强度和硬度升高，甚至超出标准要求的上限值。所以在910 ℃正火、水冷条件下15CrMo钢锻件力学性能最优。

4 结论

1)相同正火温度下，采取水冷方式时15CrMo钢锻件的力学性能优于喷淋和空冷，这是因为水冷得到了贝氏体组织，贝氏体组织中存在较多的位错且碳化物细小弥散分布在基体中，使其综合力学性能最优；

2)在910 ℃正火温度下，弥散强化、固溶强化、晶粒细化强化达到最优的平衡状态，15CrMo钢锻件综合力学性能最优。