ZG22CrNiMo大型鑄件調質處理工藝研究

盧俊玲，馬濤，孫永鵬，佟玉龍

寧夏天地奔牛實業集團有限公司 寧夏石嘴山 753001

1 序言

某大型鑄件材料為Z G22C r N i M o，重量為1315kg，要求調質硬度280～320HBW，無裂紋，力學性能滿足技術要求。ZG22CrNiMo材料淬透性較高，無回火脆性，具有優良的焊接性，選擇此材料能夠很好地滿足零件使用性能，但該材質不是國標材料且首次試制，無相關熱處理參數，因此需通過工藝試驗、檢測力學性能，來確定零件熱處理工藝參數。

2 試驗方案

2.1 淬火冷卻介質

眾所周知，低碳合金工程結構用鋼調質一般選用水淬，然而大型鑄件的縮松、氣孔等缺陷不可避免，水淬會造成因缺陷擴展而形成裂紋，因此必須選用低溫冷卻速度較慢的淬火冷卻介質進行淬火。調研周邊生產廠家，淬火冷卻介質只有普通機械油，冷卻能力差，達不到預期的力學性能要求，最終選擇濃度為10%～15%的水基淬火液作為淬火冷卻介質。

2.2 淬火參數

資料顯示，ZG20CrNiMo選用880℃水淬[1]，ZG30CrNiMo選用880℃油淬[2]，參考以上兩種材料確定試驗淬火溫度為880℃，回火溫度為480～520℃。

3 試驗過程

3.1 試塊試驗

按照制定的工藝參數，用大型鑄件的2個隨爐試塊（編號為1#、2#）進行試驗，880℃保溫1.5h，淬火液濃度為13.5%，檢測淬火硬度為310～322HBW，回火后力學性能見表1。

從表1可看出，雖然試樣的拉伸性能滿足技術要求，但沖擊性能很低，除了試樣斷口處有氣孔缺陷外，淬火硬度不足也是一個重要原因。為了查找根本原因，從5個鑄態試塊上取樣，對金相組織和材料成分作進一步分析，見表2。

表1 880℃淬火試塊回火后力學性能

從表2可看出，除了V元素外，其余元素含量均符合要求，添加0.2%的V是為了細化晶粒，提高強度和淬透性，但V元素會縮小γ區，提高Acm點，對淬火硬度有影響；金相組織為“回火索氏體+不明顯的塊狀、條狀鐵素體”，有未溶鐵素體（見圖1），說明淬火溫度略低，導致淬火后硬度低。

圖1 880℃調質金相組織

表2 ZG22CrNiMo化學成分（質量分數） （%）

綜合分析化學成分和金相組織結果，將淬火溫度由880℃提高至900℃進行二次試驗。參數為900℃保溫1.5h，淬火液濃度15%，用2個鑄造隨爐試塊（編號為3#、4#）進行試驗，檢測3#試塊淬火硬度為330～363HBW，回火硬度及力學性能見表3。

對比表1和表3數據可知，強度指標變化小，沖擊吸收能量和沖擊韌度提高約2倍，達到技術要求，金相組織為“回火索氏體+極少量的不明顯的鐵素體”（見圖2），說明加熱、冷卻充分，因此按照此參數對零件實物進行淬火試驗。

圖2 900℃調質金相組織

表3 900℃淬火試塊回火硬度及力學性能

3.2 實物零件試驗

實物零件淬火試驗如圖3所示。將零件側立裝于料架上，以減小變形，900℃保溫3h，淬火液濃度15%，每爐裝1件，共淬火2件，硬度及加工后外觀見表4。

圖3 實物零件淬火試驗

表4 實物零件熱處理工藝及硬度

4 結束語

1）Z G22C r N i M o大型鑄件材料中加入V元素，通過試驗確定的調質工藝參數為：900℃保溫3h，用10%～15%的淬火液淬火，分3次冷卻，時間分別為5min、2min、2.5min，控制終冷返熱溫度60～120℃；600℃保溫3h回火，硬度可達280～320HBW，抗拉強度為1020MPa，下屈服強度為 921MPa，沖擊韌度≥50J/cm2，達到技術要求。

2）經900℃淬火、600℃回火后，金相組織為回火索氏體+極少量的不明顯的鐵素體，比880℃淬火、490℃回火組織更為均勻。

3）零件精車加工時未發現熱處理裂紋，達到預期效果。