影響G18CrMo2-6 材料沖擊性能的原因分析

李 濱，張 錦，馬榮華，黃思琪，賈成璽，楊金龍，王 明，南 劍

（1.寧夏特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院 寧夏 銀川 750021；2.共享裝備股份有限公司檢測(cè)中心 寧夏 銀川 750021）

G18CrMo2-6 材料用于核電汽輪機(jī)缸體鑄件，工作中不僅會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，還要承受缸體軸向和徑向溫度不均勻而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。因此要求具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性及加工性能。

G18CrMo2-6 鑄件在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)強(qiáng)度達(dá)到指標(biāo)要求，但沖擊吸收功低，或沖擊吸收功波動(dòng)大的現(xiàn)象。本文通過(guò)對(duì)G18CrMo2-6 材料檢測(cè)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析并提出改進(jìn)建議進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 力學(xué)性能檢測(cè)

生產(chǎn)中1# 組中1#～1、1#～2、1#～3 為同爐件不同試塊，2#組中2#～1、2#～2 為同爐件不同試塊，均采用正火+回火熱處理工藝，依據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》、GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)及室溫沖擊試驗(yàn)，沖擊試樣斷口進(jìn)行金相檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1.

由表1 說(shuō)明兩組強(qiáng)度指標(biāo)均合格，但沖擊吸收功有不合格現(xiàn)象，同組沖擊樣，單個(gè)值波動(dòng)較大；沖擊吸收功除了隨強(qiáng)度降低而提高的現(xiàn)象，同鐵素體含量沒(méi)有明顯規(guī)律。

1.2 化學(xué)成分分析

1#、2#組化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，從表2 可以看出兩組化學(xué)成分均在規(guī)范及內(nèi)控要求范圍內(nèi)，而且差異不大，說(shuō)明造成力學(xué)性能結(jié)果差異的原因主要不是化學(xué)成分。

1.3 金相檢測(cè)結(jié)果

G18CrMo2-6 材料正火+回火熱處理后金相組織一般為回火貝氏體+鐵素體，樣品1#～1 沖擊功16.5 J斷口金相如圖1 所示，樣品1#～1 沖擊功為45 J 斷口金相如圖2 所示，樣品1#～2 沖擊功為95 J 斷口金相如圖3 所示，圖1～圖3 金相組織中鐵素體含量均在5%～10%，但沖擊吸收功差異較大；樣品1#～3 沖擊吸收功為27 J 斷口金相，如圖4 所示。

表1 1#、2#兩組力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

表2 1#、2#兩組化學(xué)成分結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖1 1#～1 沖擊吸收功16.5 J的斷口金相組織

圖2 1#～1 沖擊吸收功45 J的斷口金相組織

圖3 1#～2 沖擊吸收功95 J的斷口金相組織

圖4 1#～3 沖擊吸收功27 J的斷口金相組織

圖5 2#～1 沖擊吸收功98 J的斷口金相組織

圖6 2#～2 沖擊吸收功54 J的斷口金相組織

樣品2#～1 沖擊吸收功為98 J 斷口金相如圖5所示，樣品2#～2 沖擊功為54 J，斷口金相如圖6 所示，由圖4～圖6，沖擊吸收功差異較大，但金相組織中鐵素體含量均在45～50%.

以上說(shuō)明沖擊吸收功的高低同鐵素體含量多少?zèng)]有明顯規(guī)律，鐵素體含量高的和鐵素體含量極少的均有沖擊吸收功達(dá)到90 J 以上的結(jié)果，但從金相組織中看不出回火貝氏體有明顯區(qū)別。

1#同組試塊圖1～圖3 均為5%～10%鐵素體，而1#同組樣圖4 為50%鐵素體，2#同組試塊圖5、圖6 為50%、45%鐵素體，這是因?yàn)殍F素體含量的多少根據(jù)材料的CCT 曲線(xiàn)同正火熱處理溫度及冷卻速度有關(guān)，說(shuō)明生產(chǎn)中熱處理工藝不穩(wěn)定，造成金相組織不同，本文熱處理工藝驗(yàn)證及分析與討論中將進(jìn)一步說(shuō)明。

1.4 掃描電鏡SEM 檢測(cè)結(jié)果

金相組織均為回火貝氏體+50%鐵素體，樣品1#～3 強(qiáng)度為590 MPa，沖擊吸收功27 J，而樣品2#～1 強(qiáng)度較低為545 MPa，沖擊吸收功為98 J，掃描電鏡結(jié)果分別如圖7、圖8.由圖7 說(shuō)明沖擊吸收功為27 J 的樣貝氏體中M/A 島分解為針棒狀第二相分布于鐵素體基體，大小不均勻，成為裂紋擴(kuò)展的途經(jīng)，造成沖擊吸收功低，由圖8 說(shuō)明沖擊吸收功為98 J 的樣，M/A 島狀組織分解為顆粒狀和細(xì)小的針狀物質(zhì)，貝氏體形貌已不明顯，說(shuō)明貝氏體回火的程度不同是造成沖擊吸收功不同的主要原因。

2 分析與討論

通過(guò)分析，化學(xué)成分差異不大，說(shuō)明化學(xué)成分不是造成沖擊吸收功波動(dòng)的主要原因。

圖7 1#～3 沖擊吸收功27 J樣品SEM 組織

圖8 2#～1 沖擊吸收功98 J樣品SEM 組織

從圖1～圖6 金相組織中可以看出鐵素體含量差異不大的，沖擊吸收功差異很大，沖擊吸收功差異不大的，金相組織中鐵素體含量差異較大，說(shuō)明鐵素體含量的多少同沖擊吸收功的大小沒(méi)有明顯規(guī)律，但鐵素體含量高的，強(qiáng)度相對(duì)高。

在化學(xué)成分差異不大的情況下，根據(jù)G18Cr-Mo2-6 材料CCT 曲線(xiàn)，見(jiàn)圖9，鐵素體含量的多少主要同此材料正火時(shí)的溫度及冷卻速度有關(guān)系，一般正火溫度控制在920 ℃以上，如果冷卻速度在0.01 ℃/s～2 ℃/s 范圍內(nèi)，冷卻速度越慢，鐵素體含量越多。

通過(guò)電鏡掃描結(jié)果分析，沖擊吸收功高的試樣，回火貝氏體中M/A 分解充分，第二相顆粒細(xì)小。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，貝氏體分解主要同回火溫度及保溫時(shí)間有關(guān)，一般隨回火溫度及保溫時(shí)間提高貝氏體中M/A 相分解，針狀、棒狀碳化物析出；回火溫度及保溫時(shí)間提高，碳化物球化并彌散細(xì)小的分布在鐵素體基體上，材料綜合力學(xué)性能提高[1-3]。沖擊吸收功波動(dòng)的原因是組織中的硬脆相M/A 相及第二相與基體組織鐵素體相發(fā)生解理裂紋，這種裂紋萌生與硬脆相形狀、分布及尺寸有關(guān)，并且是隨機(jī)的，因而造成沖擊功波動(dòng)較大[4]。

圖9 G18CrMo2-6 材料CCT 曲線(xiàn)

3 熱處理工藝驗(yàn)證

參考G18CrMo2-6 材料CCT 曲線(xiàn)，通過(guò)熱處理工藝實(shí)驗(yàn)研究，得出此材料采用正火方案1：950 ℃保溫2 h，空冷，可獲得100%貝氏體或很少的鐵素體；采用正火方案2：950 ℃保溫2 h，爐冷，可獲得貝氏體+40%左右鐵素體組織。均采用680 ℃～720 ℃保溫2 h，以30 ℃/h～60 ℃/h 的冷速回火，正火方案1 回火后可得到抗拉強(qiáng)度615 MPa，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度560 MPa，斷后伸長(zhǎng)率22%，斷面收縮率65%，室溫沖擊吸收功平均116 J 的綜合力學(xué)性能；正火方案2 回火后可得到抗拉強(qiáng)度560 MPa，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度380 MPa，斷后伸長(zhǎng)率25%，斷面收縮率60%，室溫沖擊吸收功平均95 J 的綜合力學(xué)性能。

G18CrMo2-6 材料通過(guò)以上兩種熱處理方案均能符合力學(xué)性能指標(biāo)要求，沖擊吸收功均較高，綜合力學(xué)性能較好，說(shuō)明均采用680 ℃～720 保溫2 h，以30 ℃/h～60 ℃/h 的冷速回火使得貝氏體回火較充分，提高了沖擊吸收功。

正火方案1 采用以上回火工藝后沖擊試樣斷口金相檢測(cè)，貝氏體中M/A 相分解充分，回火貝氏體形貌消失，放大100 倍金相組織均勻較細(xì)，見(jiàn)圖10，放大500 倍觀察見(jiàn)圖11，可見(jiàn)鐵素體基體上分布細(xì)小均勻的碳化物。

圖10 正火方案1 回火后100 倍金相組織

圖11 正火方案1 回火后500 倍金相組織

4 結(jié)論

1）沖擊吸收功的高低同鐵素體含量多少?zèng)]有明顯規(guī)律，鐵素體含量高的和鐵素體含量極少的均有沖擊吸收功達(dá)到90 J 以上的結(jié)果。

2）G18CrMo2-6 材料沖擊吸收功低的主要原因是回火不充分，受到?jīng)_擊時(shí)金相組織中的M/A 相及第二相粒子較粗較硬，大小不均，與基體組織中較軟的鐵素體相發(fā)生解理裂紋，這種裂紋萌生是隨機(jī)的，因而造成沖擊吸收功波動(dòng)較大。

3）950℃保溫2 h，正火空冷可得到完全貝氏體或貝氏體加少量鐵素體組織；950 ℃保溫2 h，正火爐冷可得到貝氏體加鐵素體組織。正火后采用680 ℃～720 ℃保溫2 h 回火工藝，力學(xué)性能均能滿(mǎn)足指標(biāo)要求，并且均獲得較高的沖擊吸收功。