15X1M1Ф 低合金热强钢筒形锻件的生产研制

文/张阳，夏昊，陈亚平，李少雨，邓伟，沈明·中航卓越锻造(无锡)有限公司

采用“电炉(EAF)+炉外精炼(LF)+真空脱气(VD)”工艺进行冶炼，通过适当控制Cr、Mo、Ni、V 等主要合金化元素的含量，经过适当的锻造、芯轴拔长、马架扩孔、辗环等高温变形和合理的正火+回火处理，15X1M1Ф 低合金耐热钢的韧脆转变温度约为10℃，且经过740℃保温8h 的模拟焊后热处理后，材料的韧脆转变温度提高到20℃，常规力学性能略有降低，而350℃下的高温瞬时力学性能则变化不大，且均满足产品技术要求。

前言

15X1M1Ф 钢为前苏联牌号，相当于15Cr1Mo1V 低合金耐热钢，属于低合金热强钢，在国内广泛用于火电机组铸钢件的制造，钢中加入Cr、Mo、V 等元素能有效提高材料的热强性和高温持久性能。该类型钢产品在生产制造中一般采用正火—高温回火的方式进行处理，以获得良好的使用性能。本文通过对15X1M1Ф 钢筒形锻件的研制，在其锻造、热处理等方面获得了大量的数据，为后续生产该类材质锻件，提供了详实可靠的数据。

锻件技术指标

化学成分

冶炼应采用电弧炉(EAF)炼钢，为保证锻件质量，允许采用炉外精炼(LF)和真空冶炼或者采用电渣和真空电弧重熔方式冶炼。化学成分应满足表1 之规定。

表1 15X1M1Ф 钢化学成分(质量分数，%)

力学性能

15X1M1Ф钢筒形锻件应以正火+回火状态交货，锻件本体硬度应在150 ～200HBW 之间，其力学性能试样在经过正火—高温回火的锻件本体上制取，取样位置为距外表面1/3 壁厚处，力学性能取样如图1所示，其中试样1 ～13 分别用于检测正火—高温回火状态力学性能，试样14 ～20 分别用于检测模拟焊后热处理状态力学性能。试样1 用于检测锻件的宏观组织， 试样2 ～4 用于检测锻件的显微组织、奥氏体晶粒度、非金属夹杂物，试样5 和试样19 分别用于检测正火—高温回火状态和模拟焊后热处理状态材料的力学性能，试样6 和试样20 分别用于检测正火—高温回火状态和模拟焊后热处理状态材料的350℃高温拉伸性能，试样10 ～15 分别用于检测正火—高温回火状态和模拟焊后热处理状态材料的临界脆性温度。取样后，检测锻件在正火—回火后的常规室温力学性能、350℃下的高温瞬时力学性能，具体要求见表2 和表3。同时还应检测材料的临界脆性转变温度，要求其临界脆性转变温度不大于20℃，如果临界脆性转变温度高于20℃时，应确定材料的实际脆性转变温度。

图1 15X1M1Ф 筒形锻件取样示意图

表2 室温力学性能

表3 350℃高温力学性能

试样从锻件本体上取下后，应进行模拟焊后热处理试验，具体模拟焊后热处理制度如下：在不超过300℃的温度下装炉，以(60 ～150)℃/h 的速率加热至725 ～755℃，保温7 ～8h，空冷。试样按照模拟焊后热处理处理后，其室温力学、350℃下的高温瞬时力学性能也应满足表2 和表3 所示要求，材料脆性转变温度的要求同正火—回火状态下的要求一致。

宏观组织

锻件应进行宏观组织检测，在宏观组织中不允许出现裂纹、结块、缩孔、脆性、气泡和分层及尺寸超过3mm 的夹渣。

微观组织

锻件的显微组织应该为贝氏体组织。奥氏体晶粒度大于等于5 级。非金属夹杂物含量：硫化物类夹杂物不大于3.5 级，氧化物类夹杂物不大于3.5 级，硅酸盐类夹杂物不大于3.5 级。

超声波检验

锻件经加工后逐件进行超声波检验，满足对于壁厚大于250mm 的锻件，当在1m2的任何正方形表面上由直接传感器控制时，所有固定不连续性的总等效面积不应超过800mm2，而等效面积为30 ～40mm2的不连续性数量不应超过5 个的验收要求。

15X1M1Ф 钢筒形锻件试制过程

化学成分

锻件用钢锭采用“电炉(EAF)+炉外精炼(LF)+真空脱气(VD)”工艺进行冶炼，并锻制成筒形锻件。按照GB/T 4336-2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》之要求进行检测，筒形锻件的实际化学成分如表4 所示，满足技术要求。

表4 15X1M1Ф 钢筒件化学成分(质量分数，%)

锻造及热处理

将钢锭加热至1250℃保温足够长时间后，经多次镦拔以改善钢锭内部组织和细化材料铸态晶粒尺寸，然后经冲孔、芯轴拔长、马架扩孔和辗环等工序制备成高筒形环锻件，锻造、辗环过程控制锻造温度不低于800℃以避免坯料开裂和锻件表面裂纹，锻件总镦粗比不小于6，单次镦粗比不小于1.5。

锻件辗环至规定尺寸后，按照图2 所示热处理工艺进行正火—高温回火处理。将正火—高温回火后的锻件进行本体硬度检测、粗加工、探伤等处理，本体硬度和探伤等满足要求后，按照图1 所示进行取样，然后将试样按照图3 所示模拟焊后热处理工艺进行处理。

图2 15X1M1Ф 筒形锻件正火—回火工艺

图3 15X1M1Ф 筒形锻件模拟焊后热处理工艺

结果讨论

力学性能

将正火+高温回火处理后的锻件按图1 所示取样，然后根据GB/T 228.1-2021《金属材料 拉伸试验 第1 部分：室温试验方法》、GB/T 228.2-2015《金属材料 拉伸试验 第2 部分：高温试验方法》、GB/T 229-2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》检验。检测锻件在正火—高温回火后的常规力学性能、350℃下的高温瞬时力学性能和材料的韧脆转变温度，并检测经过模拟焊后热处理后的试样力学性能，具体结果见表5、表6。根据力学性能结果可知，按照图2 处理后锻件力学性能和经过图3 所示模拟焊后热处理制度处理后试样常规力学性能略有降低，但350℃下的高温瞬时力学性能变化不大，且都满足技术要求。锻件正火—高温回火状态和模拟焊后热处理后试样的冲击性能如图4 所示，根据图4 可知，15X1M1Ф 材料正火—高温回火后的临界韧脆转变温度约为10℃，经模拟焊后热处理后材料的临界韧脆转变温度则为20℃，都满足技术要求。

图4 15X1M1Ф 钢不同状态下的冲击功

表5 室温力学性能

表6 350℃高温力学性能

锻件加工至发货尺寸后，在锻件上下两端面和内外径不同位置每隔90°检测硬度，结果如表7 所示，锻件本体不同位置硬度均匀性小于15HBW。

表7 锻件不同位置硬度/HBW

宏观组织

图5 为15X1M1Ф 锻件宏观组织，根据GB/T 226 -2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》检测，锻件的宏观结构中，没有出现裂纹、结块、缩孔、脆性、气泡和分层及尺寸超过3mm 的夹渣。锻件的宏观组织满足技术要求。

图5 15X1M1Ф 锻件宏观组织

微观组织

图6为15X1M1Ф锻件显微组织，根据GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》检测，锻件显微组织为粒状贝氏体组织。图7 为锻件的奥氏体晶粒度图片，根据GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》检测，奥氏体晶粒度级别8.5 级。图8 为锻件的非金属夹杂物图片，根据GB/T 10561-2023《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》检测，夹杂物级别为氧化物类夹杂物1 级，硫化物类夹杂物和硅酸盐类夹杂物未见。锻件的显微组织、奥氏体晶粒度和非金属夹杂物满足技术要求。

图6 15X1M1Ф 锻件显微组织

图8 15X1M1Ф 锻件非金属夹杂物

探伤

15X1M1Ф 筒形锻件经粗加工—探伤—热处理—粗加工—探伤等工序，超声波探伤按照要求逐件检测，未发现缺陷，满足技术要求。

结论

采用“电炉(EAF)+炉外精炼(LF)+真空脱气(VD)”工艺进行冶炼，通过适当控制Cr、Mo、Ni、V 等主要合金化元素的含量，经过合理的锻造、芯轴拔长、马架扩孔、辗环等高温变形，按照980℃正火空冷+740℃回火空冷，15X1M1Ф 低合金耐热钢筒形环锻件的金相组织、常规力学性能、350℃下的高温瞬时力学性能和超声波探伤结果都满足锻件技术要求，15X1M1Ф 钢在正火—回火处理后韧脆转变温度约为10℃。经过740℃保温8h 的模拟焊后热处理后，试样的常规力学性能略有降低，350℃下的高温瞬时力学性能变化不大，韧脆转变温度提高到20℃。