冷卻速率對大型鑄鋼件用CrMoV 材料沖擊性能的影響

晁博嗣，納學洋，馬 進，蘇志東

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

CrMoV 鋼屬于一種低合金耐熱鋼，在高溫強度方面較為突出，該材料主要用于汽輪機行業，如蒸汽室、隔板、汽缸等重要零部件。CrMoV 材料主要化學成分是在CrMo 鋼的基礎上，添加了少量的V 元素，用于細化晶粒及提高強度。由于鑄鋼件的大型化，導致生產過程中該材料的性能不穩定，尤其是沖擊功的波動最大。故本文用CrMoV 材料的鑄鋼件試塊進行研究，試驗不同的冷卻速率對CrMoV 材料沖擊性能的影響，并應用于大型鑄鋼件中，提高沖擊穩定性。

1 試驗材料及方案

1.1 試塊制備

為保證試驗過程與實際生產制造過程盡可能一致，本次試驗采用的試塊為澆注鑄鋼件時附帶的試塊，化學成分采用國外G17CrMoV5-10 材料牌號標準，用EAF 爐熔煉鋼水，脫P、脫C，去除雜質，再經過LF 爐進行精煉，調整化學成分達到該材料標準范圍，將鋼水澆注到以地坑砂型鑄造方法設計的鑄型中，通過順序凝固的方法最終成型。鑄型冷卻到室溫時把鑄件從砂箱中提出，在將鑄件上的試塊切下，測得試塊的化學成分如表1 所示。該試塊再通過一定的熱處理工藝，最終達到標準所要求的性能，G17CrMoV5-10 材料牌號標準性能如表2 所示。

表1 試塊的化學成分 w/%

表2 G17CrMoV5-10 鋼的機械性能要求

1.2 試驗方案

鑄鋼件在實際生產過程中主要有三種連續冷卻方式，分別是室溫冷卻、強風冷卻和液體冷卻。在連續冷卻過程中主要發生幾種轉變，分別是珠光體轉變、貝氏體轉變和馬氏體轉變。本試驗通過JMatPro 軟件模擬出此材料的CCT 曲線圖，如圖1所示，可以從曲線圖中分析出該材料在連續冷卻條件下過冷奧氏體的轉變規律，是制定熱處理工藝，確定正火冷卻速率的重要依據。

圖1 G17CrMoV5-10 的CCT 曲線

分析G17CrMoV5-10 的CCT 曲線圖，當冷卻速率不同時，該材料室溫下可得到以下金相組織：貝氏體組織、珠光體組織和鐵素體組織，隨著冷卻速率的加快，該材料得到的貝氏體組織越多，珠光體和鐵素體越少。結合實際生產中的冷卻速率，設置三種冷卻方案：（20～25）℃/min、（7～10）℃/min和（2～5）℃/min，對試塊進行試驗。在生產中為實現這三種冷卻速率，分別采用室溫冷卻、強風冷卻和液體冷卻三種方案進行控制。室溫冷卻是在室溫條件下緩慢冷卻；強風冷卻是通過風機加強冷卻方式；液體冷卻是采用PAG 淬火液冷卻，PAG淬火液是一種介于水和油之間的介質，其冷卻速率較水冷慢，較油冷快，可有效減少淬火應力和裂紋傾向。

試塊具體試驗方案如表3 所示。

表3 試驗方案

由于本試驗目的在于研究冷卻速率和性能的關系，因此正火溫度、回火溫度以及保溫時間參數均相同。正火溫度參數的確定基于以下三方面：（1）模擬出該材料的完全奧氏體化溫度AC3約為857℃；（2）充分消除厚大部位成分偏析；（3）材料規范要求正火保溫溫度920～960℃。綜上，選定正火保溫溫度為945℃。回火溫度參數基于以下依據：（1）模擬出該材料AC1約為757℃；（2）充分消除鑄件淬火后應力；（3）材料規范要求回火保溫溫度700～740℃。綜上，選定回火保溫溫度為720℃。試樣保溫時間同相應鑄件保溫時間相同。

1.3 試驗過程

為貼合實際生產，消除不同熱處理爐之間的差異，將三個試塊裝入同一生產用的熱處理爐，試驗過程嚴格按照熱處理工藝參數執行，正火保溫結束后，試塊分別按照不同的冷卻方案進行冷卻。待冷卻到300℃以下，組織已經完全轉變后，及時進爐回火。

1.4 取樣與檢測

為確保試驗的準確性和實用性，試塊取樣位置同正常鑄件試塊的取樣位置相同，具體如圖2所示。沖擊試驗的測試環境溫度為室溫，沖擊經擺錘式沖擊試驗機檢測夏比V 型沖擊值。為進一步分析性能差異的原因，取試塊樣檢測金相組織，試樣通過研磨拋光后，再用5%苦味酸乙醇溶液侵蝕0.5～1min，在光學顯微鏡下觀察組織。試塊取樣位置如圖2 所示。

圖2 試塊取樣位置圖

沖擊試驗按照ISO 148-1 進行檢測，每種方案分別檢測三組沖擊功，再計算均值，避免個值影響總體數據，沖擊檢測結果如表4 所示。

表4 室溫沖擊性能結果

圖3 為冷卻速率與室溫沖擊的關系，熱處理過程保溫溫度及保溫時間均相同，主要關鍵因素是冷卻速率的差異，隨著冷卻速率的降低，CrMoV材料的室溫沖擊由（20～25）℃/min 的138J 降至（2～5）℃/min 的18.4J，室溫冷卻條件下，室溫沖擊功不合格，強風冷卻條件下，沖擊功均值合格，沖擊功個值部分不合格，當冷卻速率降幅增大時，室溫沖擊功降幅也越大。

圖3 不同冷卻方式處理后G17CrMoV5-10 鋼室溫沖擊變化圖

2.2 金相組織檢測結果

圖4 為CrMoV 材料經不同冷卻速率處理后的金相組織。冷卻速率在（20～25）℃/min 的金相組織為貝氏體組織，冷卻速率在（2～10）℃/min 之間的組織為貝氏體+少量鐵素體組織，不同之處在于隨著冷卻速率的降低，鐵素體含量越多，貝氏體含量越少。

圖4 G17CrMoV5-10 鋼經不同冷卻速率的顯微組織

2.3 結果分析

組織決定性能，隨著冷卻速率的增大，會降低臨界形核功，增加形核速率，導致形核數量增多，進而抑制晶粒長大，促進晶粒細化，細晶粒在受到外力作用發生塑性變形時，可以將外力分散到更多的晶粒內進行，應力集中小，提高組織的強韌性，進而提升材料的室溫沖擊。在組織分布上，貝氏體本質上是飽和鐵素體和滲碳體的兩相混合物，貝氏體越多，相界面位錯越多，材料的強韌性就越高。先共析鐵素體強度較低，容易在較低應力下導致開裂[4]，因此隨著鐵素體量增多，導致材料的沖擊韌性降低。

3 結論

（1）CrMoV 材料按照（20～25）℃/min（液體冷卻）冷卻時得到的沖擊性能最優異，隨著冷卻速率的降低，沖擊性能隨之降低，按照（7～10）℃/min（強風冷卻）冷卻時，沖擊功均值符合要求，部分個值不符合要求，按照（2～5）℃/min（室溫冷卻）冷卻時，沖擊值不符合要求。

（2）按照（20～25）℃/min 冷卻時得到的金相組織為貝氏體組織，按照（7～10）℃/min 和（2～5）℃/min 冷卻時得到的金相組織為貝氏體+鐵素體組織，且隨著冷卻速度的增加，貝氏體量增多，鐵素體量減少。

（3）大型鑄鋼件熱處理生產過程中，將冷卻速率控制在（20～25）℃/min 之間，可以得到以貝氏體為主的組織，使材料擁有更優異的沖擊性能，并且縮短生產周期。