熱處理工藝對ZG23Cr12MoV耐熱鋼組織與力學性能的影響

馬正強 肖章玉 劉顯有 李 其 李 川 管紅亮

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

能源安全問題是我國當前經(jīng)濟發(fā)展和實現(xiàn)碳中和目標過程中的重要課題，在2030年碳達峰、2060年碳中和的背景下，中國能源轉(zhuǎn)型的任務已經(jīng)非常明確，即能源結(jié)構(gòu)要進一步調(diào)整并向清潔化發(fā)展[1]。天然氣發(fā)電是我國能源供給的重要組成部分，以天然氣為燃料的燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)是一種高效率、低污染的發(fā)電方式，具有供電效率高、投資低、建設周期短、啟停靈活、運行自動化程度高、污染少等優(yōu)點[2]。燃氣輪機是21世紀動力設備的核心，被譽為“工業(yè)皇冠上的明珠”，在Cr12不銹鋼的基礎(chǔ)上研制而成的ZG23Cr12MoV耐熱鋼[3]，因其具有優(yōu)良的耐熱、耐蝕和抗蠕變斷裂性能，已被應用于某新型燃氣輪機核心鑄件的生產(chǎn)制造中。由于該鋼種相關(guān)熱處理工藝與組織性能的研究報道較少，因此，本文通過研究熱處理工藝對ZG23Cr12MoV耐熱鋼組織與力學性能的影響，為燃機鑄件的實際生產(chǎn)提供指導。

1 試驗材料與方法

為了與鑄件的實際生產(chǎn)情況保持一致，試驗試樣沒有選用小試樣，而是采用鑄件原始尺寸的附鑄試塊直接進行熱處理，熱處理完成后再將試塊分別加工成20 mm×20 mm×15 mm的金相試樣、55 mm×10 mm×10 mm的夏比V型缺口沖擊試樣、標距為50 mm的拉伸試樣進行組織和力學性能檢驗。ZG23Cr12MoV鋼的化學成分要求如表1所示，力學性能要求如表2所示。

表2 試驗鋼的力學性能要求Table 2 Mechanical properties of test steels

根據(jù)ZG23Cr12MoV鋼的相變點溫度，同時參考相關(guān)標準中的溫度規(guī)定，確定試驗鋼的淬火溫度為1040～1060℃，進行不同淬火冷卻方式、不同回火溫度和不同回火冷卻速度的熱處理工藝試驗，研究淬火冷卻方式、回火溫度、回火冷卻速度對ZG23Cr12MoV鋼的組織和力學性能的影響。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 淬火冷卻方式對ZG23Cr12MoV鋼組織和力學性能的影響

表3為風冷淬火和油冷淬火的熱處理工藝參數(shù)。圖1為淬火冷卻方式和回火溫度對ZG23Cr12MoV鋼力學性能的影響，從圖1(a)和(b)可以看出，試樣采用風冷淬火和油冷淬火后其強度基本相當，淬火冷卻速度對ZG23Cr12MoV鋼的強度和硬度影響較?。浑S著回火溫度的升高，屈服強度和抗拉強度均不斷下降，在710～750℃回火時，風冷淬火的試樣其屈服強度從655 MPa下降至575 MPa，抗拉強度從840 MPa下降至775 MPa，油冷淬火的試樣其屈服強度從658 MPa下降至570 MPa，抗拉強度從845 MPa下降至770 MPa，均滿足標準要求值。

表3 熱處理工藝參數(shù)Table 3 Heat treatment process parameters

圖1 淬火冷卻方式和回火溫度對ZG23Cr12MoV鋼力學性能的影響Figure 1 Effect of quenching cooling mode and tempering temperature on mechanical properties of ZG23Cr12MoV steel

圖1(c)和(d)為試樣風冷淬火和油冷淬火后在710～750℃范圍內(nèi)回火的斷后伸長率和斷面收縮率變化圖，從圖中可以看出，隨著回火溫度的升高，試樣的斷后伸長率和斷面收縮率總體呈上升趨勢，油冷淬火試樣的斷后伸長率和斷面收縮率優(yōu)于風冷淬火試樣，說明淬火冷卻速度增大，ZG23Cr12MoV鋼的塑性提高，710℃回火時，風冷淬火和油冷淬火試樣的斷后伸長率為13.5%和14%，低于標準要求的A≥15%，因此，需選擇720℃以上溫度回火。

圖1(e)為試樣風冷淬火和油冷淬火后在710～750℃范圍內(nèi)回火的室溫沖擊吸收能量變化圖，從圖中可以看出，隨著回火溫度的升高，室溫沖擊吸收能量大幅提升，油冷淬火試樣的室溫沖擊性能更好，最高可達55 J，說明淬火冷卻速度增大，ZG23Cr12MoV鋼的沖擊韌性提高。圖1(f)為試樣風冷淬火和油冷淬火后在710～750℃范圍內(nèi)的硬度變化圖，從圖中可以看出，隨著回火溫度的升高，硬度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，說明ZG23Cr12MoV鋼具有較高的回火穩(wěn)定性。

圖2為試樣在風冷淬火和油冷淬火后，經(jīng)過740℃回火后的顯微組織形貌，可以看出，兩種淬火冷卻方式下，其組織均為回火馬氏體。

圖2 不同淬火冷卻方式下ZG23Cr12MoV鋼的顯微組織Figure 2 Microstructure of ZG23Cr12MoV steelunder different quenching and cooling modes

2.2 回火冷卻速度對ZG23Cr12MoV鋼硬度和沖擊韌性的影響

表4為試樣在相同淬火工藝、相同回火溫度、不同回火冷卻方式下的熱處理工藝參數(shù)。圖3為回火冷卻速度對ZG23Cr12MoV鋼硬度和沖擊韌性的影響。從圖3(a)可以看出，同一回火溫度下，回火冷卻速度對硬度的影響較小。從圖3(b)可以看出，同一回火溫度下，隨著冷卻速度的增大，沖擊吸收能量明顯提高，水冷的沖擊吸收能量最高，爐內(nèi)緩冷的沖擊吸收能量最低，而不同回火冷卻方式下的試樣組織均保持馬氏體板條形貌，馬氏體板條的位向良好，回火時，沿馬氏體板條及原奧氏體晶界處析出碳化物，碳化物的主要元素為Fe、Cr，可以判斷其為(Fe,Cr)23C6碳化物，隨著冷卻速度的降低，碳化物的析出數(shù)量增多，沿晶界呈鏈狀析出的M23C6長大粗化，導致材料的沖擊吸收能量下降[4]。對沖擊較低的爐冷試樣重新進行相同工藝回火，回火降溫采用快冷的方式，其沖擊吸收能量大幅提升，說明ZG23Cr12MoV鋼具有回火脆性，雜質(zhì)元素、抗拉強度及晶粒尺寸都會影響CrMoV類鋼的回火脆性[5]，回火過程中，雜質(zhì)元素的偏聚、粗大碳化物沿晶界的析出均會導致回火脆性的產(chǎn)生[6]。

圖3 回火冷卻速度對ZG23Cr12MoV鋼硬度和沖擊韌性的影響Figure 3 Effect of tempering cooling rate on hardnessand impact toughness of ZG23Cr12MoV steel

表4 不同回火冷卻方式熱處理工藝參數(shù)Table 4 Heat treatment process parametersof different tempering cooling methods

2.3 ZG23Cr12MoV鋼的高溫拉伸性能

表5為試樣的熱處理工藝參數(shù)。圖4為回火溫度對ZG23Cr12MoV鋼550℃高溫拉伸性能的影響，可以看出，隨著回火溫度的升高，試樣的屈服強度和抗拉強度呈現(xiàn)下降趨勢，斷后伸長率和斷面收縮率呈現(xiàn)上升趨勢，試樣在730℃回火后，550℃下的屈服強度為417 MPa，750℃回火后，550℃下的屈服強度為366 MPa，表現(xiàn)出優(yōu)良的高溫拉伸性能。

表5 熱處理工藝參數(shù)Table 5 Heat treatment process parameters

圖4 回火溫度對ZG23Cr12MoV鋼高溫拉伸性能的影響Figure 4 Effect of tempering temperature on hightemperature tensile properties of ZG23Cr12MoV steel

3 結(jié)論

(1)ZG23Cr12MoV鋼的淬透性好，組織均為馬氏體；淬火冷卻方式對ZG23Cr12MoV鋼的強度和硬度影響較小，淬火冷卻速度增大，塑性和沖擊韌性提高。

(2)在710～750℃范圍內(nèi)回火時，隨著回火溫度升高，ZG23Cr12MoV鋼的強度和硬度降低，塑性和沖擊韌性提高，720℃以上溫度回火，斷后伸長率可滿足A≥15%的要求。

(3)回火冷卻速度對ZG23Cr12MoV鋼的硬度影響較小，隨著回火冷卻速度的增大，ZG23Cr12MoV鋼的沖擊吸收能量大幅提高。

(4)隨著回火溫度的升高，ZG23Cr12MoV鋼在550℃下的強度降低，塑性提高，750℃回火后，550℃下的屈服強度為366 MPa，表現(xiàn)出優(yōu)良的高溫拉伸性能。