15CrMoG鋼屈服強(qiáng)度偏低的原因及改進(jìn)措施

陳 香

(江蘇新長江無縫鋼管制造有限公司，江蘇 江陰 214400)

15CrMoG鋼在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)中，通常用于蒸汽參數(shù)為510 ℃的高中壓管道、導(dǎo)汽管，以及管壁溫度為550 ℃的熱器管，同時(shí)用于高壓或超高壓鍋爐的過熱管道和再加熱管道等[1-5]。國外同類型鋼種中，有美國牌號T12、P12和德國牌13CrMo44等。

15CrMoG鋼正常供貨狀態(tài)的顯微組織為鐵素體和珠光體，GB/T 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于金相組織的規(guī)定中，允許存在粒狀貝氏體或全貝氏體。15CrMoG鋼在500～550 ℃溫度范圍內(nèi)長期服役時(shí)，其珠光體組織會發(fā)生球化，同時(shí)合金元素在固溶體和碳化物間發(fā)生再分配，以及碳化物相結(jié)構(gòu)的改變。15CrMoG鋼的熱強(qiáng)性能和力學(xué)性能也隨著珠光體球化程度的加大而逐漸降低，從而影響鋼材的使用壽命[6]。因此，15CrMoG鋼以及同類型鋼牌號的T12、P12、13CrMo44等的熱處理工藝普遍采用正火+回火處理，而不采用退火處理，以此來抑制珠光體球化的加劇。規(guī)格為φ114 mm×8.8 mm的15CrMoG鋼在輥底爐進(jìn)行正火+回火熱處理過程中，檢測發(fā)現(xiàn)15CrMoG鋼的屈服強(qiáng)度偏低，并對其屈服強(qiáng)度偏低的原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 原因分析

某無縫鋼管廠生產(chǎn)的規(guī)格為φ114mm×8.8 mm的15CrMoG鋼，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017要求進(jìn)行930～960 ℃正火+680～700 ℃回火后，出現(xiàn)屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)值的問題。

造成15CrMoG鋼屈服強(qiáng)度偏低的原因可能有以下幾種因素：

(1)化學(xué)成分。鋼管的化學(xué)成分直接決定了其最終的力學(xué)性能極限，化學(xué)成分整體偏低時(shí)，即使采用相同的熱處理工藝，屈服強(qiáng)度值也可能存在不達(dá)標(biāo)的情況。

(2)正火冷卻方式。質(zhì)量效應(yīng)是材料的固有屬性[7]，在制管行業(yè)中，在相同的冷卻方式下，隨著鋼管壁厚的增加，鋼管的拉伸性能會隨之降低。因此15CrMoG鋼屈服強(qiáng)度偏低，除了與壁厚增加有關(guān)，還與正火冷卻方式有關(guān)。

(3)制樣方式。鋼管行業(yè)中，理化測試時(shí)通常壁厚低于10 mm的采用板材樣，而壁厚大于10 mm的采用圓材樣，這兩種制樣方式對拉伸性能結(jié)果可能存在影響。

(4)脫碳層。采用板材樣作為最終制樣方式時(shí)，因其正火保溫時(shí)間過長，導(dǎo)致脫碳層的深度增加，對拉伸性能結(jié)果可能存在影響。

(5)黃塊組織。有研究表明[8]，15CrMoG鋼在正火過程中，冷卻方式不當(dāng)會形成黃塊組織，從而造成屈服強(qiáng)度偏低。

2 驗(yàn)證分析原因

2.1 化學(xué)成分

15CrMoG鋼是Cr-Mo系低合金鋼，其主要合金元素有C、Cr和Mo等。C是提高強(qiáng)度的最有效元素之一，C含量增多，鋼的強(qiáng)度隨之增加。由于15CrMoG鋼中的C含量較低，致使其屈服強(qiáng)度偏低。Cr可提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性能，Mo鋼中加入Cr能改變Mo在碳化物和固溶體中的分配，進(jìn)而提高鋼的強(qiáng)度。Mo能優(yōu)先溶于固溶體中，不僅可以細(xì)化合金鋼的晶粒，而且提高鋼的淬透性和熱強(qiáng)性能，使15CrMoG鋼在高溫環(huán)境下仍能保持足夠的強(qiáng)度和抗蠕變能力[9-11]。

通過某公司的ERP系統(tǒng)查詢得知，本試驗(yàn)材料15CrMoG鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 15CrMoG鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of 15CrMoG steel(mass fraction，%)

同時(shí)查詢一年內(nèi)15CrMoG鋼中C、Cr和Mo元素的變化，C含量在0.13%～0.16%范圍內(nèi)，Cr含量在0.8%～1.0%范圍內(nèi)，Mo含量在0.40%～0.44%范圍內(nèi)。15CrMoG鋼的整體化學(xué)元素在GB/T 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)允許的下限值，勢必對鋼的力學(xué)性能造成一定的影響。

2.2 正火冷卻方式

在生產(chǎn)現(xiàn)場隨機(jī)截取規(guī)格為φ114 mm×8.8 mm×350 mm的15CrMoG圓環(huán)試樣進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，正火冷卻方式分別為空冷、風(fēng)冷和霧冷，具體試驗(yàn)方案見表2。試樣的拉伸性能見表3。

表2 15CrMoG 鋼熱處理工藝Table 2 Heat treatment process of 15CrMoG steel

表3 15CrMoG鋼的拉伸性能Table 3 Tensile properties of 15CrMoG steel

由表3可知，1#和2#試樣的拉伸性能相差不大，3#和4#試樣的拉伸性能相差也不大。由此可見，回火處理對15CrMoG鋼的拉伸性能影響不大。分別對比1#和3#試樣以及2#和4#試樣，發(fā)現(xiàn)采用空冷或風(fēng)冷對15CrMoG鋼的拉伸性能影響也不大。5#和6#試樣采用霧冷，15CrMoG鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均提高，金相組織如圖1所示，其組織為鐵素體+珠光體，還存在少量的貝氏體。

2.3 制樣方式

對15CrMoG鋼試樣進(jìn)行950 ℃×15 min正火，空冷+680 ℃×30 min回火處理后，再分別加工成板材樣和圓材樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度見表4。由表4可知，圓材試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均高于板材試樣。

2.4 脫碳層

在2#板材樣的拉伸殘樣上截取金相試樣觀察脫碳層組織，如圖2所示，其外表面和內(nèi)表面脫碳層深度分別為0.03 mm和0.045 mm。按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017的相關(guān)要求，其合金結(jié)構(gòu)鋼成品鋼管應(yīng)檢驗(yàn)全脫碳層，其外表面全脫碳層深度應(yīng)不大于0.2 mm，內(nèi)表面全脫碳層深度應(yīng)不大于0.3 mm，兩者之和不大于0.4 mm。因此，其脫碳層符合標(biāo)準(zhǔn)要求，正火保溫時(shí)間沒有導(dǎo)致很嚴(yán)重的脫碳，可以排除此項(xiàng)影響。

(a)5#試樣；(b)6#試樣圖1 15CrMoG鋼熱處理后的金相組織 100x(a)5# sample；(b)6# sampleFig.1 Microstructure of 15CrMoG steel after heat treatment 100x

表4 不同制樣方式下15CrMoG鋼的強(qiáng)度Table 4 Strength of 15CrMoG steel under different sample preparation methods

(a)外表面脫碳層0.03 mm；(b)內(nèi)表面脫碳0.045 mm圖2 2#板材樣的脫碳層(a)decarburization layer of outer surface, 0.03 mm; (b)decarburization layer of inner surface,0.045 mmFig.2 Decarburization layer of 2# plate sample

同時(shí)在試驗(yàn)過程中，通過觀察金相組織，未發(fā)現(xiàn)黃塊組織。可以排除此項(xiàng)影響。

3 改進(jìn)與結(jié)論

1)15CrMoG鋼中的C、Cr和Mo含量應(yīng)保持至少其中兩種元素在標(biāo)準(zhǔn)允許的中限，推薦化學(xué)元素含量范圍為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：0.14%～0.17% C、0.88%～1.05% Cr和0.45%～0.52% Mo。

2)15CrMoG 鋼在正火冷卻時(shí)應(yīng)采用快速冷卻方式，其在輥底爐熱處理時(shí)，生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)進(jìn)行霧冷。

3)制樣方式對15CrMoG 鋼拉伸性能的影響較大，雖然標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017沒有明確規(guī)定不能采用圓材制樣，但因加工圓材試樣成本較高，耗時(shí)耗力，不推薦采用。