熱處理對ZG15Cr13 沖擊性能和組織的影響

方鵬洲，陳 濤，雷志剛

（浙江英洛華裝備制造有限公司，浙江 金華 322118）

GB/T 2100 ZG15Cr13 即ZG1Cr13，屬于半馬氏體鋼，對應美國ASTM A217 CA-15 牌號。鋼中除了馬氏體之外還有15%左右的δ-鐵素體。ZG15Cr13 經過調質處理后獲得較好的強度和沖擊韌性。因此主要用于各種泵體、汽輪機葉片等的制造。ZG15Cr13 不銹鋼中含有13%左右的Cr，因而具有較高的淬透性，淬火時即便是空冷也能獲得馬氏體組織。我公司主要生產ZG15Cr13 材質泵體鑄件，熱處理方法采用的便是預處理+空淬+高溫回火。因淬火空冷時冷卻速率不易控制，導致在生實際產中容易出現沖擊性能偏低，組織不合格的情況。因此我們對該材質從熱處理工藝展開了實驗研究。通過調整熱處理工藝找出相應的解決方案。

1 實驗材料及方案

1.1 材料標準要求

ZG15Cr13 的標準要求見表1 所示。

圖1為Cr13型不銹鋼的相圖，從相圖中可以看出Ac1≈800℃，Ac3≈900℃。

1.2 試樣規格及成分

本次實驗試樣采用φ28mm 隨爐鑄造基爾試樣，熔煉分析見下表2 所示：

1.3 實驗方法及結果

將17863 爐號鑄造試樣采用950 ℃預處理+1020 ℃淬火+740℃回火。淬火時，分別以不同冷卻速度冷卻。然后作力學性能檢測。冷卻方式分別為：爐膛開爐門冷卻，生產隨鑄件空冷，試棒單獨空冷，水-空-水冷卻，然后記錄從開始淬火到試樣冷卻到200℃所用的時間。實驗結果見下表3 所示。

圖1 12%Cr 時Fe-Cr-C 相圖

表1 GB/T2100 對ZG15Cr13 的要求

表2 ZG15Cr13 熔煉、成品分析

表3 17863 爐號淬火不同冷卻速率下力學性能

表4 17863 和17936 爐號回火不同冷卻方式力學性能

從表3 數據可以看出，隨著淬火冷卻速度的提升，屈服強度和抗拉強度沒有明顯提升，但沖擊值提升幅度較明顯。因為強度指標在隨爐空冷的時候，已經達到材料極限，沒有較大的提升空間。如果繼續加快冷卻速度，只會讓鑄件產生較大的內應力，導致鑄件開裂。然后對表3 中的4 個試樣進行金相分析。見下圖2所示。

圖2 不同淬火冷卻速度下金相組織

從圖可以看出，開爐膛冷卻的組織中含有較多的鐵素體，導致沖擊性能很低。不滿足標準要求。隨著冷卻速度的加快，鐵素體含量減少，組織呈一致的回火索氏體，且保留了原馬氏體組織位向。此時沖擊性能大幅提升。其沖擊平均值與淬火冷卻時間關系如圖3 所示。

再將試樣分別以同樣的熱處理工藝進行熱處理。淬火冷卻方式均為直接出爐空冷，然后以740℃進行回火，然后分別水冷和空冷。其力學性能如表4 所示。

從表4 數據可以看出，ZG15Cr13 在740℃回火后，隨著回火冷卻速度的加快，沖擊值沒有明顯變化，因此ZG15Cr13 鑄件在實際生產回火中，可以直接空冷。再把5# 、6#試樣進行金相分析，金相組織均為保留原馬氏體位向的回火索氏體，結果見圖4所示。

圖3 沖擊平均值與淬火冷卻時間關系

圖4 不同淬火冷卻速度下金相組織

2 結論

（1）為了提高ZG15Cr13 材質鑄件的沖擊性能，需盡量加快淬火冷卻速率，在沒有油淬的條件下可以使用空冷淬火。但需加快空氣流動速率，抑制鐵素體析出，提高沖擊性能。

（2）在相同的淬火條件下，回火冷卻速率對ZG15Cr13 的沖擊性能影響較小，實際生產可以直接空冷。