不同冷卻方式對(duì)核電GX6CrNiMo12-1鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響

王 慶

(東方汽輪機(jī)有限公司鑄造事業(yè)部，四川618201)

GX6CrNiMo12-1鋼是一種低碳、高合金12%CrNi鑄鋼，一般用于制造核電產(chǎn)品，我公司首次生產(chǎn)該材料的鑄件。為了使鑄件得到優(yōu)良的力學(xué)性能并降低生產(chǎn)能耗，我們對(duì)該鋼進(jìn)行了不同冷卻方式的試驗(yàn)。研究了經(jīng)過(guò)空冷、水冷及油冷后該材料的顯微組織和力學(xué)性能，最終確定了GX6CrNiMo12-1鋼合適的冷卻方式和熱處理工藝參數(shù)，為生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用鋼經(jīng)鑄鋼車(chē)間5 t電弧爐熔煉后，澆注成220 mm×100 mm×100 mm的附鑄件本體試塊。在鑄造試驗(yàn)室的RX3-45-12 箱式電阻爐中加熱到980～1 000℃后，分別采用空冷、水冷及油冷方式冷卻至室溫，觀察淬火態(tài)金相組織的變化。再經(jīng)700～720℃回火后，觀察顯微組織并測(cè)試其力學(xué)性能。材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織分析

(1)原始鑄態(tài)組織

圖1為GX6CrNiMo12-1鋼鑄態(tài)顯微組織，馬氏體+12%δ鐵素體。鐵素體呈帶狀分布，宏觀粗晶。檢測(cè)結(jié)果表明試塊的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及布氏硬度值高，塑性和韌性極差，其性能特點(diǎn)為硬而脆。

表1 GX6CrNiMo12-1鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 GX6CrNiMo12-1 steel chemical composition (mass fraction, %)

圖1 GX6CrNiMo12-1鋼鑄態(tài)顯微組織(×100)Figure 1 The microstructure of GX6CrNiMo12-1 steel casting state

(2)不同冷卻方式淬火態(tài)的組織分析

表2為GX6CrNiMo12-1鋼經(jīng)過(guò)三種冷卻方式處理后的淬火態(tài)金相組織。從材料化學(xué)成分和表2可以看出，由于該鋼合金化程度高，淬透性強(qiáng)，所以三種方式冷卻后的組織基本相似，均為馬氏體和少量鐵素體。油冷后的晶粒度好于其他兩種冷卻方式。

表2 GX6CrNiMo12-1鋼淬火態(tài)顯微組織Table 2 The microstructure of GX6CrNiMo12-1 steel quenching state

從圖2金相照片上看，隨著冷速逐級(jí)增大，馬氏體數(shù)量也增多。水冷后顯微組織中板條狀馬氏體位向明顯，馬氏體數(shù)量也最多。

(3)不同冷卻方式調(diào)質(zhì)后的組織分析

圖3為GX6CrNiMo12-1鋼經(jīng)過(guò)不同冷卻方式調(diào)質(zhì)后的顯微組織照片。由圖3可以觀察到試樣顯微組織為鐵素體基體內(nèi)分布著碳化物(包括滲碳體)球粒的復(fù)合組織。此外，還分布著少量的δ鐵素體相。此時(shí)的鐵素體已基本無(wú)碳的過(guò)飽和度，碳化物也為穩(wěn)定型碳化物。所以三種冷卻方式得到的組織都是具有馬氏體位向的回火索氏體 +(10%～15%)δ鐵素體。

回火索氏體是馬氏體的一種高溫回火組織，常溫下是一種平衡組織。δ鐵素體一旦形成后很難消除。而且大量的δ鐵素體會(huì)使材料的沖擊韌度大大下降，增加產(chǎn)生裂紋的傾向。δ鐵素體形成的主要原因是材料化學(xué)成分和熱處理加熱溫度。以上試驗(yàn)的加熱溫度為980～1 000℃，不會(huì)生成大量的鐵素體，而且試塊在鑄態(tài)下就已經(jīng)存在了12%的δ鐵素體。

(a)空冷

(b)油冷

(c)水冷圖2 GX6CrNiMo12-1鋼淬火態(tài)顯微組織(×100)Figure 2 The microstructure of GX6CrNiMo12-1 steel quenching state(×100)

2.2 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果及分析

表3為GX6CrNiMo12-1鋼鑄態(tài)下和調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果。由表3可見(jiàn)，同一種鋼，加熱條件相同，回火工藝相同，但由于采用了不同的冷卻方式，所表現(xiàn)出的力學(xué)性能明顯不同。對(duì)空冷、油冷及水冷三種不同冷卻方式而言，其冷卻速度為水冷最快，油冷次之，空冷最慢。GX6CrNiMo12-1鋼油淬后屈服強(qiáng)度最高，空淬后抗拉強(qiáng)度最高，水淬后沖擊吸收功最高，冷卻速度對(duì)延伸率、斷面收縮率影響不大。綜合各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行比較，以油冷方式為最佳。

(a)空淬調(diào)質(zhì)

(b)油淬調(diào)質(zhì)

(c)水淬調(diào)質(zhì)圖3 GX6CrNiMo12-1鋼調(diào)質(zhì)態(tài)顯微組織(×500)Figure 3 The microstructure of GX6CrNiMo12-1 steel quenching and tempering state(×500)

3 結(jié)論

(1)GX6CrNiMo12-1鑄鋼原始鑄態(tài)組織為馬氏體+12%δ鐵素體，且晶粒比較粗大，力學(xué)性能中的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高，塑性和韌性極差。

表3 GX6CrNiMo12-1鋼力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 The mechanical properties results of GX6CrNiMo12-1 steel

(2)GX6CrNiMo12-1鑄鋼在經(jīng)過(guò)980～1 000℃加熱后，分別經(jīng)過(guò)空冷、水冷、油冷至室溫，再經(jīng)700～720℃高溫回火，所得到的組織為具有馬氏體位向的回火索氏體+(10%～15%)δ鐵素體。

(3)試驗(yàn)證明，GX6CrNiMo12-1鑄鋼δ鐵素體相一旦形成后，即使通過(guò)熱處理也很難消除。

(4)三種不同冷卻方式都能使GX6CrNiMo12-1鑄鋼力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。油淬后綜合力學(xué)性能最佳，但從生產(chǎn)成本、能源消耗、設(shè)備情況和生產(chǎn)操作等方面綜合考慮，空冷是實(shí)際生產(chǎn)中最合適的冷卻方式。

[1] 崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 吉田亨，等著.預(yù)防熱處理廢品的措施.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1974.

[3] 謝紹志.熱處理質(zhì)量控制與檢驗(yàn)實(shí)務(wù)全書(shū).安徽音像出版社，2004.

[4] 不二越熱處理研究所著.熱處理須知.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

[5] 束德林.金屬力學(xué)性能.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.10.

[6] 劉凱.超臨界汽輪機(jī)組的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù).南京：江蘇電機(jī)工程，2005.1.

[7] 陸文華，等著.鑄造合金及其熔煉.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.10.

[8] 黃振東著.鋼鐵金相圖譜.北京：中國(guó)科學(xué)文化出版社，2005.06.