15X1M1Ф 低合金熱強鋼筒形鍛件的生產研制

文/張陽，夏昊，陳亞平，李少雨，鄧偉，沈明·中航卓越鍛造(無錫)有限公司

采用“電爐(EAF)+爐外精煉(LF)+真空脫氣(VD)”工藝進行冶煉，通過適當控制Cr、Mo、Ni、V 等主要合金化元素的含量，經過適當的鍛造、芯軸拔長、馬架擴孔、輾環等高溫變形和合理的正火+回火處理，15X1M1Ф 低合金耐熱鋼的韌脆轉變溫度約為10℃，且經過740℃保溫8h 的模擬焊后熱處理后，材料的韌脆轉變溫度提高到20℃，常規力學性能略有降低，而350℃下的高溫瞬時力學性能則變化不大，且均滿足產品技術要求。

前言

15X1M1Ф 鋼為前蘇聯牌號，相當于15Cr1Mo1V 低合金耐熱鋼，屬于低合金熱強鋼，在國內廣泛用于火電機組鑄鋼件的制造，鋼中加入Cr、Mo、V 等元素能有效提高材料的熱強性和高溫持久性能。該類型鋼產品在生產制造中一般采用正火—高溫回火的方式進行處理，以獲得良好的使用性能。本文通過對15X1M1Ф 鋼筒形鍛件的研制，在其鍛造、熱處理等方面獲得了大量的數據，為后續生產該類材質鍛件，提供了詳實可靠的數據。

鍛件技術指標

化學成分

冶煉應采用電弧爐(EAF)煉鋼，為保證鍛件質量，允許采用爐外精煉(LF)和真空冶煉或者采用電渣和真空電弧重熔方式冶煉?；瘜W成分應滿足表1 之規定。

表1 15X1M1Ф 鋼化學成分(質量分數，%)

力學性能

15X1M1Ф鋼筒形鍛件應以正火+回火狀態交貨，鍛件本體硬度應在150 ～200HBW 之間，其力學性能試樣在經過正火—高溫回火的鍛件本體上制取，取樣位置為距外表面1/3 壁厚處，力學性能取樣如圖1所示，其中試樣1 ～13 分別用于檢測正火—高溫回火狀態力學性能，試樣14 ～20 分別用于檢測模擬焊后熱處理狀態力學性能。試樣1 用于檢測鍛件的宏觀組織， 試樣2 ～4 用于檢測鍛件的顯微組織、奧氏體晶粒度、非金屬夾雜物，試樣5 和試樣19 分別用于檢測正火—高溫回火狀態和模擬焊后熱處理狀態材料的力學性能，試樣6 和試樣20 分別用于檢測正火—高溫回火狀態和模擬焊后熱處理狀態材料的350℃高溫拉伸性能，試樣10 ～15 分別用于檢測正火—高溫回火狀態和模擬焊后熱處理狀態材料的臨界脆性溫度。取樣后，檢測鍛件在正火—回火后的常規室溫力學性能、350℃下的高溫瞬時力學性能，具體要求見表2 和表3。同時還應檢測材料的臨界脆性轉變溫度，要求其臨界脆性轉變溫度不大于20℃，如果臨界脆性轉變溫度高于20℃時，應確定材料的實際脆性轉變溫度。

圖1 15X1M1Ф 筒形鍛件取樣示意圖

表2 室溫力學性能

表3 350℃高溫力學性能

試樣從鍛件本體上取下后，應進行模擬焊后熱處理試驗，具體模擬焊后熱處理制度如下：在不超過300℃的溫度下裝爐，以(60 ～150)℃/h 的速率加熱至725 ～755℃，保溫7 ～8h，空冷。試樣按照模擬焊后熱處理處理后，其室溫力學、350℃下的高溫瞬時力學性能也應滿足表2 和表3 所示要求，材料脆性轉變溫度的要求同正火—回火狀態下的要求一致。

宏觀組織

鍛件應進行宏觀組織檢測，在宏觀組織中不允許出現裂紋、結塊、縮孔、脆性、氣泡和分層及尺寸超過3mm 的夾渣。

微觀組織

鍛件的顯微組織應該為貝氏體組織。奧氏體晶粒度大于等于5 級。非金屬夾雜物含量：硫化物類夾雜物不大于3.5 級，氧化物類夾雜物不大于3.5 級，硅酸鹽類夾雜物不大于3.5 級。

超聲波檢驗

鍛件經加工后逐件進行超聲波檢驗，滿足對于壁厚大于250mm 的鍛件，當在1m2的任何正方形表面上由直接傳感器控制時，所有固定不連續性的總等效面積不應超過800mm2，而等效面積為30 ～40mm2的不連續性數量不應超過5 個的驗收要求。

15X1M1Ф 鋼筒形鍛件試制過程

化學成分

鍛件用鋼錠采用“電爐(EAF)+爐外精煉(LF)+真空脫氣(VD)”工藝進行冶煉，并鍛制成筒形鍛件。按照GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》之要求進行檢測，筒形鍛件的實際化學成分如表4 所示，滿足技術要求。

表4 15X1M1Ф 鋼筒件化學成分(質量分數，%)

鍛造及熱處理

將鋼錠加熱至1250℃保溫足夠長時間后，經多次鐓拔以改善鋼錠內部組織和細化材料鑄態晶粒尺寸，然后經沖孔、芯軸拔長、馬架擴孔和輾環等工序制備成高筒形環鍛件，鍛造、輾環過程控制鍛造溫度不低于800℃以避免坯料開裂和鍛件表面裂紋，鍛件總鐓粗比不小于6，單次鐓粗比不小于1.5。

鍛件輾環至規定尺寸后，按照圖2 所示熱處理工藝進行正火—高溫回火處理。將正火—高溫回火后的鍛件進行本體硬度檢測、粗加工、探傷等處理，本體硬度和探傷等滿足要求后，按照圖1 所示進行取樣，然后將試樣按照圖3 所示模擬焊后熱處理工藝進行處理。

圖2 15X1M1Ф 筒形鍛件正火—回火工藝

圖3 15X1M1Ф 筒形鍛件模擬焊后熱處理工藝

結果討論

力學性能

將正火+高溫回火處理后的鍛件按圖1 所示取樣，然后根據GB/T 228.1-2021《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》、GB/T 228.2-2015《金屬材料 拉伸試驗 第2 部分：高溫試驗方法》、GB/T 229-2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》檢驗。檢測鍛件在正火—高溫回火后的常規力學性能、350℃下的高溫瞬時力學性能和材料的韌脆轉變溫度，并檢測經過模擬焊后熱處理后的試樣力學性能，具體結果見表5、表6。根據力學性能結果可知，按照圖2 處理后鍛件力學性能和經過圖3 所示模擬焊后熱處理制度處理后試樣常規力學性能略有降低，但350℃下的高溫瞬時力學性能變化不大，且都滿足技術要求。鍛件正火—高溫回火狀態和模擬焊后熱處理后試樣的沖擊性能如圖4 所示，根據圖4 可知，15X1M1Ф 材料正火—高溫回火后的臨界韌脆轉變溫度約為10℃，經模擬焊后熱處理后材料的臨界韌脆轉變溫度則為20℃，都滿足技術要求。

圖4 15X1M1Ф 鋼不同狀態下的沖擊功

表5 室溫力學性能

表6 350℃高溫力學性能

鍛件加工至發貨尺寸后，在鍛件上下兩端面和內外徑不同位置每隔90°檢測硬度，結果如表7 所示，鍛件本體不同位置硬度均勻性小于15HBW。

表7 鍛件不同位置硬度/HBW

宏觀組織

圖5 為15X1M1Ф 鍛件宏觀組織，根據GB/T 226 -2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》檢測，鍛件的宏觀結構中，沒有出現裂紋、結塊、縮孔、脆性、氣泡和分層及尺寸超過3mm 的夾渣。鍛件的宏觀組織滿足技術要求。

圖5 15X1M1Ф 鍛件宏觀組織

微觀組織

圖6為15X1M1Ф鍛件顯微組織，根據GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》檢測，鍛件顯微組織為粒狀貝氏體組織。圖7 為鍛件的奧氏體晶粒度圖片，根據GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》檢測，奧氏體晶粒度級別8.5 級。圖8 為鍛件的非金屬夾雜物圖片，根據GB/T 10561-2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》檢測，夾雜物級別為氧化物類夾雜物1 級，硫化物類夾雜物和硅酸鹽類夾雜物未見。鍛件的顯微組織、奧氏體晶粒度和非金屬夾雜物滿足技術要求。

圖6 15X1M1Ф 鍛件顯微組織

圖8 15X1M1Ф 鍛件非金屬夾雜物

探傷

15X1M1Ф 筒形鍛件經粗加工—探傷—熱處理—粗加工—探傷等工序，超聲波探傷按照要求逐件檢測，未發現缺陷，滿足技術要求。

結論

采用“電爐(EAF)+爐外精煉(LF)+真空脫氣(VD)”工藝進行冶煉，通過適當控制Cr、Mo、Ni、V 等主要合金化元素的含量，經過合理的鍛造、芯軸拔長、馬架擴孔、輾環等高溫變形，按照980℃正火空冷+740℃回火空冷，15X1M1Ф 低合金耐熱鋼筒形環鍛件的金相組織、常規力學性能、350℃下的高溫瞬時力學性能和超聲波探傷結果都滿足鍛件技術要求，15X1M1Ф 鋼在正火—回火處理后韌脆轉變溫度約為10℃。經過740℃保溫8h 的模擬焊后熱處理后，試樣的常規力學性能略有降低，350℃下的高溫瞬時力學性能變化不大，韌脆轉變溫度提高到20℃。