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ZG15Cr2Mo1鋼常用于制造燃汽鑄鋼件，服役時(shí)需承受高溫、振動(dòng)等，因此要求其具有較好的室溫及高溫綜合力學(xué)性能。實(shí)際生產(chǎn)中，該鋼的正火熱處理溫度不高于980℃，回火溫度不低于675℃。生產(chǎn)初期，產(chǎn)品時(shí)常出現(xiàn)室溫、高溫力學(xué)性能不穩(wěn)定的情況。為此，筆者通過(guò)對(duì)力學(xué)性能差異較大的產(chǎn)品進(jìn)行理化檢驗(yàn)與分析，研究了ZG15Cr2Mo1鋼力學(xué)性能出現(xiàn)差異的主要原因，并制定相應(yīng)措施，以期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的穩(wěn)定控制。

將室溫條件下抗拉強(qiáng)度合格的試樣分為一組(編號(hào)為1)，不合格的分為一組(編號(hào)為2)，其力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 兩組試樣室溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差

可知1組試樣的平均抗拉強(qiáng)度比2組試樣的高，而沖擊吸收能量要遠(yuǎn)低于2組試樣的。經(jīng)查證，2組試樣的回火溫度相對(duì)比1組試樣的要高。

在1，2組試樣對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品上截取相同狀態(tài)的試樣進(jìn)行高溫力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩組試樣高溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果的平均值

可以看出1組試樣的室溫、高溫抗拉強(qiáng)度均較高，高溫持久強(qiáng)度持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，但斷口形貌轉(zhuǎn)化溫度(剪切斷面率達(dá)到50％)也較高，不利于抵抗高溫沖擊。2組試樣的室溫、高溫抗拉強(qiáng)度均較低，但抵抗高溫沖擊的能力較好。

對(duì)兩組試樣的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 兩組試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))％

可見(jiàn)化學(xué)成分差異并不大，也說(shuō)明ZG15Cr2Mo1鋼的力學(xué)性能結(jié)果差異與化學(xué)成分關(guān)系不大。

從1組和2組試樣中分別選取一個(gè)(編號(hào)為1號(hào)試樣和2號(hào)試樣)在60℃時(shí)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并觀察斷口附近的顯微組織形貌。1號(hào)試樣的沖擊吸收能量為65J，遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度不合格的2號(hào)試樣的沖擊吸收能量(125J)。1號(hào)試樣斷口附近顯微組織為灰黑色板條狀貝氏體和灰白色島嶼狀貝氏體，鐵素體基體上分布著細(xì)小的顆粒狀碳化物，組織均勻性差，見(jiàn)圖1。

圖1 1號(hào)試樣斷口附近顯微組織形貌

2號(hào)試樣組織中的鐵素體發(fā)生了合并長(zhǎng)大，呈準(zhǔn)多邊形，鐵素體基體上分布著顆粒狀碳化物，仍可見(jiàn)少量斷續(xù)分布的板條狀貝氏體，見(jiàn)圖2。

圖2 2號(hào)試樣斷口附近顯微組織形貌

這也說(shuō)明了2號(hào)試樣回火溫度較高，回火充分，沖擊韌度較好。

使用掃描電鏡(SEM)對(duì)兩試樣顯微組織進(jìn)行觀察。

圖3 1號(hào)試樣的SEM形貌

由圖3可以看出，1號(hào)試樣中存在板條狀貝氏體以及鐵素體上分布著顆粒狀、針棒狀碳化物的島狀貝氏體。說(shuō)明其回火不充分，碳化物對(duì)位錯(cuò)有一定釘扎作用，所以強(qiáng)度高，沖擊韌度低。

圖4 2號(hào)試樣的SEM形貌

由圖4可以看出，部分視場(chǎng)下2號(hào)試樣的板條狀貝氏體基本消失，條狀鐵素體合并成多邊形鐵素體，顆粒狀碳化物減少。說(shuō)明其回火較充分，碳化物對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用減弱，應(yīng)力集中減小，強(qiáng)度降低，沖擊韌度提高。

從上述檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩組試樣的化學(xué)成分差異不大，說(shuō)明化學(xué)成分不是造成該鋼力學(xué)性能差異的主要原因。

1號(hào)試樣沖擊斷口附近的顯微組織不均勻，存在板條狀貝氏體，說(shuō)明其回火溫度低或保溫時(shí)間短，回火不充分。析出的碳化物釘扎位錯(cuò)導(dǎo)致位錯(cuò)密度較高，所以其抗拉強(qiáng)度較高，斷口形貌轉(zhuǎn)化溫度也較高，室溫及高溫韌性差。同時(shí)，1號(hào)試樣的晶粒較粗大，這與正火溫度有關(guān)，正火溫度高，碳及合金元素充分溶入奧氏體，回火時(shí)析出的碳化物多而彌散，強(qiáng)化效果好；但正火溫度高，保溫時(shí)間長(zhǎng)，材料晶粒較大時(shí)，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用減弱，裂紋易擴(kuò)展，材料韌性降低。

2號(hào)試樣顯微組織較均勻，主要為準(zhǔn)多邊形鐵素體，板條狀貝氏體基本消失。說(shuō)明其熱處理回火溫度較高，貝氏體回火充分。第二相粒子對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用減弱，位錯(cuò)可動(dòng)性增強(qiáng)，基體軟化，使得材料強(qiáng)度下降，而塑性、韌性提高。

根據(jù)上述分析結(jié)果，結(jié)合ZG15Cr2Mo1鋼的CCT曲線，采用不同熱處理工藝進(jìn)行試驗(yàn)得出，該鋼在920~970℃保溫8~12h后空冷進(jìn)行正火，可獲得100％貝氏體和合適的晶粒度。在720~760℃保溫8~12h，以30~60℃·h-1的冷速進(jìn)行回火，可獲得較理想的室溫及高溫綜合力學(xué)性能。

按上述工藝對(duì)ZG15Cr2Mo1鋼進(jìn)行熱處理，其顯微組織發(fā)生了明顯的再結(jié)晶，組織均勻，為類(lèi)似回火索氏體組織，板條狀貝氏體基本消失，晶粒較細(xì)小，見(jiàn)圖5。

圖5 ZG15Cr2Mo1經(jīng)改進(jìn)熱處理后的顯微組織形貌

其室溫力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度625MPa，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度468MPa，斷后伸長(zhǎng)率21％，斷面收縮率68％，布氏硬度187HBW，高溫抗拉強(qiáng)度545MPa，60℃下沖擊吸收能量為135J，剪切斷面率達(dá)到50％時(shí)的溫度為20℃，見(jiàn)圖6。且3次高溫持久試驗(yàn)結(jié)果均達(dá)145h以上，符合技術(shù)要求。可見(jiàn)對(duì)于ZG15Cr2Mo1鋼，在成分差異不大的情況下，科學(xué)合理的熱處理工藝是穩(wěn)定其室溫及高溫綜合力學(xué)性能的保證。

圖6 ZG15Cr2Mo1鋼的沖擊吸收能量及剪切斷面率隨溫度的變化

(1)當(dāng)回火溫度較低時(shí)，ZG15Cr2Mo1鋼的組織中存在板條狀貝氏體，位錯(cuò)密度較高，其室溫、高溫抗拉強(qiáng)度高，但抵抗沖擊的能力較差；回火溫度較高時(shí)，該鋼發(fā)生明顯的回復(fù)再結(jié)晶，板條狀貝氏體消失，出現(xiàn)準(zhǔn)多邊形鐵素體，碳化物聚集長(zhǎng)大，位錯(cuò)密度減小，其沖擊韌度提高，但室溫、高溫強(qiáng)度偏低。

(2)采用920~970℃保溫8~12h后空冷正火，720~760℃保溫8~12h后以30~60℃·h-1的冷速回火對(duì)ZG15Cr2Mo1鋼進(jìn)行熱處理，可以獲得較理想的室溫及高溫綜合力學(xué)性能。