ZG06Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼葉片熱處理工藝研究

周彤，衛(wèi)心宏（太原重工冶鑄分公司，山西太原030024）

ZG06Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼葉片熱處理工藝研究

周彤，衛(wèi)心宏
（太原重工冶鑄分公司，山西太原030024）

研究了不同熱處理工藝對(duì)ZG06Cr13Ni4Mo材質(zhì)性能的影響。試驗(yàn)表明，該材質(zhì)在1 010℃正火+ 605℃一次回火+580℃二次回火熱處理后，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，其組織為低碳馬氏體+逆轉(zhuǎn)變奧氏體，具有較高的強(qiáng)度、低溫韌性和適合的硬度，并在應(yīng)用大型葉片鑄件熱處理生產(chǎn)中，滿足了產(chǎn)品性能要求。

ZG06Cr13NI4Mo；馬氏體不銹鋼；葉片

大型葉片是水電水輪機(jī)中的關(guān)鍵零件，零件的服役條件較為惡劣，長(zhǎng)期承受高壓水流沖擊、磨損和侵蝕，材質(zhì)選擇綜合力學(xué)性能和耐侵蝕性能良好的ZG06C r13N i4M o馬氏體不銹鋼材質(zhì)。隨著水電及相關(guān)鑄件向大型化發(fā)展，對(duì)ZG06C r13N i4M o等不銹鋼材質(zhì)的性能提出了更高的要求。為此，結(jié)合國(guó)內(nèi)某水電設(shè)備企業(yè)ZG06C r13N i4M o大型葉片的生產(chǎn)試制，通過(guò)對(duì)材質(zhì)化學(xué)成分的內(nèi)控、熱處理工藝對(duì)比試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果分析，確定了ZG06C r13N i4M o不銹鋼材質(zhì)優(yōu)化的一次正火+兩次回火熱處理工藝，生產(chǎn)出滿足高性能要求的鑄件。

1 化學(xué)成分內(nèi)控

ZG06C r13N i4M o材質(zhì)為高強(qiáng)度馬氏體不銹鋼，要求具有較高的力學(xué)性能、較好的低溫沖擊韌性。為了提高材質(zhì)的性能，對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行了內(nèi)控，要求w（C）≤0.04%，w（P）≤0.025%，w（S）≤0.08%，并對(duì)氣體含量進(jìn)行控制。表1為材質(zhì)內(nèi)控的化學(xué)成分范圍和試樣化學(xué)成分的分析結(jié)果，表2為材質(zhì)氣體含量?jī)?nèi)控要求和試樣氣體含量分析結(jié)果。

表1 化學(xué)成份（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 氣體含量（ppm）

ZG06C r13N i4M o材質(zhì)熔煉采用30 t電爐熔煉，25T L F爐精煉進(jìn)行合金化、調(diào)整成分和溫度，25T V O D爐進(jìn)行脫碳除氣，從而獲得超低碳、成分均勻、純凈度高、有害氣體含量低的鋼水。最后采用喂鋁線進(jìn)行終脫氧，降低鋼水中氧含量，進(jìn)一步細(xì)化晶粒。

2 熱處理工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

采用鑄件本體為試驗(yàn)主體，試塊尺寸為70mm× 70mm×230mm，預(yù)備熱處理為軟化退火。查閱文獻(xiàn)后選定的熱處理工藝參數(shù)為：正火溫度1 010℃，一次回火溫度590℃、605℃、620℃，二次回火溫度580℃，采用不同回火工藝進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表3.

表3 熱處理試驗(yàn)方案

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 化學(xué)成分分析

從表1和表2化學(xué)成分及氣體含量分析結(jié)果看，各項(xiàng)主要元素和氣體含量都符合優(yōu)化的成分控制范圍。

2.2.2 性能試驗(yàn)結(jié)果分析

按不同試驗(yàn)方案進(jìn)行熱處理后，依照GB/T228. 1-2010，GB/T229-2007，GB/T231.1-2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4和表5.

表4 不同熱處理工藝方案力學(xué)性能分析

表5 彎曲試驗(yàn)

從力學(xué)性能對(duì)比分析看：（1）正火+回火熱處理，材質(zhì)可得到較好的力學(xué)性能，說(shuō)明材質(zhì)具有較好的淬透性。（2）正火熱處理后兩次回火比一次回火屈服強(qiáng)度和塑性性能（伸長(zhǎng)率）都有一定的提高。（3）從彎曲性能檢查分析，B1正火+一次回火試驗(yàn)工藝彎曲性能不合格，二次回火后B2試驗(yàn)工藝彎曲試驗(yàn)性能合格。（4）從6種不同回火溫度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比看，1 010℃正火+605℃一次回火+580℃二次回火的B2工藝方案力學(xué)性能最好，屈服強(qiáng)度性能達(dá)到687M P a，伸長(zhǎng)率達(dá)到23%，0℃沖擊韌性達(dá)到160 J以上、硬度適中為268 H B，彎曲性能合格，全部滿足材質(zhì)的性能要求。

2.2.3 金相組織分析

依照GB/T13298-1991標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材質(zhì)B1和B2試驗(yàn)工藝進(jìn)行金相組織分析，圖1為正火+605℃一次回火金相組織，圖2為正火+一次回火+二次回火的金相組織，從金相檢驗(yàn)分析，ZG06C r13N i4M o熱處理后主要組織為低碳板條馬氏體+逆變奧氏體。從金相組織分析看，材質(zhì)經(jīng)過(guò)一次回火的部分板條馬氏體束較粗長(zhǎng)，兩次回火后基體組織稍有變化，馬氏體組織也略有細(xì)化，組織更加均勻；性能方面屈服性能和塑性有一定的提高。

2.2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）通過(guò)試驗(yàn)確定了ZG06C r13N i4M o材質(zhì)具有較好的淬透性，通過(guò)正火+回火熱處理，材質(zhì)可得到較好的力學(xué)性能；正火熱處理后兩次回火比一次回火屈服強(qiáng)度和塑性性能（伸長(zhǎng)率）都有較大的提高。

圖1 ZG06Cr13Ni4Mo正火+一次回火金相組織

圖2 ZG06Cr13Ni4Mo正火+兩次回火金相組織

2）試驗(yàn)分析證明，ZG06C r13N i4M o正火后的組織為馬氏體組織，回火后的組織為低碳板條狀回火馬氏體+逆變奧氏體，回火組織中的逆轉(zhuǎn)變奧氏體具有較高的熱穩(wěn)定性，對(duì)材料的力學(xué)性能、沖擊性能及鑄焊工藝性能有顯著的影響，因此材質(zhì)熱處理后具有較高的強(qiáng)度、高的塑料韌性、適當(dāng)?shù)挠捕取⒑芎玫目沽涯芰傲己描T造和焊接性能。

3）分析ZG06C r13N i4M o二次回火性能提高的原因，ZG06C r13N i4M o正火加熱保溫經(jīng)奧氏體化后形成細(xì)小晶粒的奧氏體，急冷后轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體。在第一次回火中馬氏體中過(guò)飽和的碳以碳化物的形式析出，從而降低材料的強(qiáng)度，提高材料的塑性和韌性。由于一次回火溫度較高，一次回火在產(chǎn)生回火馬氏體外，還產(chǎn)生極其細(xì)小的逆變奧氏體。這些逆轉(zhuǎn)變奧氏體在回火冷卻時(shí)又部分轉(zhuǎn)變成馬氏體，給二次回火過(guò)程中再次生成的穩(wěn)定逆變奧氏體的形核與長(zhǎng)大提供條件。進(jìn)行二次回火的目的是得到足夠多的穩(wěn)定的逆變奧氏體。這些逆變奧氏體可以在塑性變形過(guò)程中發(fā)生相變，從而提高材料的強(qiáng)度及塑性。由于條件所限，無(wú)法對(duì)逆轉(zhuǎn)變奧氏體進(jìn)行觀察分析，故本實(shí)驗(yàn)當(dāng)以力學(xué)性能值和顯微組織為主要研究對(duì)象進(jìn)行對(duì)比分析。

3 生產(chǎn)應(yīng)用

ZG06C r13N i4M o是一種性能優(yōu)良的高強(qiáng)度不銹鋼鑄鋼材質(zhì)，在進(jìn)行葉片的實(shí)際生產(chǎn)時(shí)按照實(shí)驗(yàn)確定的化學(xué)成分和內(nèi)控要求、二次正火+回火的熱處理工藝進(jìn)行生產(chǎn)，熱處理工藝見(jiàn)圖3.目前已完成10件大型水電葉片的生產(chǎn)，性能全部達(dá)到用戶要求，并通過(guò)用戶的復(fù)驗(yàn)，得到了良好的評(píng)價(jià)。

針對(duì)復(fù)雜曲面葉片，輪廓尺寸大，軸頭厚大，易產(chǎn)生變形及開(kāi)裂等缺陷的特點(diǎn)，熱處理過(guò)程需采取一些工藝措施：

1）采用軸頭朝下及葉片朝上裝爐方案，以利于最小變形，見(jiàn)圖4；

2）保證鑄件之間、鑄件與墊鐵底板之間須有足夠大的間隙保證冷卻，確保軸頭厚大部位滿足超聲波探測(cè)要求；

3）對(duì)工件的升溫階段進(jìn)行了多次分段以使鑄件在升溫過(guò)程中盡量減小組織應(yīng)力，防止開(kāi)裂。

通過(guò)以上熱處理措施的落實(shí)，確保了葉片的熱處理質(zhì)量。

4 結(jié)論

1）在材質(zhì)化學(xué)成分內(nèi)控基礎(chǔ)上，通過(guò)熱處理工藝的試驗(yàn)，確定ZG06C r13N i4M o高強(qiáng)度不銹鋼材質(zhì)熱處理工藝為1 010℃正火+605℃一次回火+580℃二次回火的熱處理工藝，能確保鑄件材質(zhì)的力學(xué)性能、低溫沖擊性能及冷彎性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 ZG06Cr13Ni4Mo葉片熱處理工藝

圖4 葉片熱處理過(guò)程裝爐方案

2）ZG06C r13N i4M o材質(zhì)具有較好的淬透性，正火+兩次回火熱處理后的組織為性能良好的低碳板條馬氏體+逆變奧氏體，具有較高的強(qiáng)度、高的塑料韌性、適當(dāng)?shù)挠捕?、很好的抗裂能力及良好鑄造和焊接性能。

3）實(shí)驗(yàn)確定的正火+兩次回火的熱處理方案，應(yīng)用于大型葉片的熱處理工藝生產(chǎn)，材質(zhì)性能全部達(dá)到用戶標(biāo)準(zhǔn)要求。

［1］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)編.鑄造手冊(cè)：第2卷：鑄鋼［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］劉云旭.金屬熱處理原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

［3］耿承偉，等.ZG06Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼研制［J］.物理測(cè)試，1992（4）；13-25.

［4］孫立斌，許慶彥，柳百成.ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼微觀組織試驗(yàn)研究［J］.鑄造，2002（12）:745-749.

［5］衛(wèi)心宏，張曉暉，李星月.ZG20Ni3低溫承壓鑄鋼熱處理工藝研究［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2014（5）:14-15.

［6］梁云霞，衛(wèi)心宏，遆玉海.不銹鋼蝸殼的生產(chǎn)［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2015（5）:38-39.

Heat Treatment Process of ZG06Cr13Ni4M o Martensitic Stainless Steel Blade

ZHOU Tong，WEIXin-hong
（Smelting&Casting Branch，Taiyuan Heavy Industry，Taiyuan Shanxi030024，China）

The influence of different heat treatment processes on the performances of ZG06Cr13Ni4Mo was studied.Experiments showed thatunder the heat treatmentof normalizing at1 010℃+first tempering at 605℃+second tempering at 58℃，thismaterial achieved the optimized performances，itsmicrostructurewas low carbonmartensite+re-transformed austenite，it had higher strength，higher low-temperature toughness and suitable hardness.The heat treatment process is applied to the production of large blade castings，meets all requirements of the product performance.

ZG06Cr13NI4Mo，martensitic stainless steel，blade

TG23

A

1674-6694（2017）03-0032-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.03.011

2017-04-01

周彤（1988-），男，工程師，主要從事大型鑄鋼件材料及熱處理工藝研究。