熱處理工藝對2Cr12NiMoWV鋼組織和力學(xué)性能的影響
摘 要 研究了熱處理工藝對2Cr12NiMoWV鋼組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，該鋼在1 055～1 070 ℃淬火、700～710 ℃回火時(shí)，可以獲得良好的強(qiáng)韌化效果。并在此基礎(chǔ)上確定了該鋼用于制造汽輪機(jī)用高溫緊固螺栓時(shí)的熱處理工藝規(guī)范。
關(guān)鍵詞 2Cr12NiMoWV鋼 淬火溫度 沖擊韌性 高溫緊固螺栓
2Cr12NiMoWV鋼是12 %Cr型馬氏體不銹耐熱鋼，主要用于制造大型汽輪機(jī)高溫緊固件。隨著大型汽輪機(jī)及其制造技術(shù)的發(fā)展，該鋼在國內(nèi)的用量愈來愈大。但是，迄今為止熱處理制度對該鋼組織和性能影響的研究報(bào)道尚不多見，給該鋼的實(shí)際應(yīng)用帶來諸多不便。為此本文研究了不同熱處理工藝參數(shù)對2Cr12NiMoWV鋼組織和室溫力學(xué)性能(主要是硬度和沖擊韌性)的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對用該鋼制造的汽輪機(jī)高溫緊固螺栓的熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)選。
1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法
1.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料取自某電廠退役的汽輪機(jī)螺栓，其化學(xué)成分(%)為：0.24 C，12.22 Cr，0.62 Ni,0.93 Mo，1.25 W，0.30 V，0.20 Si，0.64 Mn，0.016 P，0.010 S。
1.2 試驗(yàn)方法
首先對試驗(yàn)用鋼進(jìn)行退火，退火工藝為870 ℃加熱3 h，以20 ℃/h冷至700 ℃保溫3 h，隨后爐冷至500 ℃出爐空冷。退火組織(圖1)為鐵素體基體上分布著顆粒狀碳化物和一定數(shù)量的晶界碳化物。退火后的材料加工成沖擊試樣毛坯，隨后進(jìn)行不同溫度淬火和回火處理，最后經(jīng)磨削和線切割加工成為10 mm×10 mm×55 mm標(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊試樣。
1 退火組織
淬火加熱使用4 kW高溫箱式電爐，選擇950、980、1 010、1 040、1 055、1 070、1 100、1 130、1 160 ℃等不同淬火加熱溫度進(jìn)行試驗(yàn)。各試樣淬火加熱時(shí)間為4 min/mm，出爐后油冷�；鼗鹪�5 kW多用爐中進(jìn)行，選擇650、680、710 ℃三種回火溫度，回火時(shí)間6 h，出爐后空冷。
對經(jīng)過不同熱處理的試樣進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，測定沖擊韌性值。利用沖斷的試樣進(jìn)行斷口分析、金相分析和硬度測量。金相分析所用浸蝕劑為三氯化鐵硝酸水溶液。奧氏體晶粒度的測定按Hilliard方法進(jìn)行［1］，所用腐蝕劑為飽和苦味酸水溶液加少量烷基苯磺酸鈉。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 淬火溫度對奧氏體晶粒度的影響
淬火溫度對奧氏體晶粒度的影響見表1。由表1可知，隨淬火溫度升高，奧氏體晶粒長大，溫度低于1 070 ℃時(shí)，晶粒長大的傾向較小，當(dāng)溫度高于1 070 ℃時(shí)，晶粒長大速度加快。由于淬火加熱過程中，未溶碳化物相的數(shù)量直接影響奧氏體晶粒尺寸，未溶碳化物數(shù)量愈多，奧氏體晶粒尺寸愈�。�2］。因此，表1中的數(shù)據(jù)說明，淬火溫度達(dá)到1 070 ℃時(shí)，原始組織中的碳化物已大部分溶入奧氏體中，從而使阻礙晶界遷移的障礙物大大減少，奧氏體長大速率加快。
表 1 淬火溫度對奧氏體晶粒度的影響
淬火溫度/℃ 980 1040 1070 1100 1130 1160
奧氏體晶粒度級別/級 6.7 6.4 6.2 － 5.2 －
2.2 淬火溫度對硬度和沖擊韌性的影響
在680 ℃和710 ℃回火時(shí)，淬火溫度對沖擊韌性及硬度的影響見圖2。在相同回火溫度下，隨著淬火加熱溫度升高，硬度連續(xù)提高。這是由于隨加熱溫度升高，合金碳化物溶入奧氏體中的數(shù)量增加，使奧氏體及隨后獲得的馬氏體的合金化程度提高，從而提高馬氏體的抗回火穩(wěn)定性。淬火溫度對沖擊韌性的影響較為復(fù)雜，隨淬火溫度升高沖擊韌性增加，當(dāng)淬火溫度超過1 040 ℃時(shí)，沖擊韌性增加明顯；在710 ℃回火條件下，1 055～1 070 ℃淬火時(shí)，沖擊韌性達(dá)到最大；超過1 100 ℃淬火時(shí)，隨淬火溫度升高，沖擊韌性反而降低。
圖 2 淬火溫度對硬度和沖擊韌性的影響
(a)680 ℃；(b)710 ℃
圖 3 淬火金相組織
(a) 980 ℃；(b) 1 070 ℃
不同淬火溫度下試樣的金相組織見圖3。淬火組織為板條馬氏體，板條束的位向符合一定的晶體位向。隨淬火溫度升高，馬氏體板條尺寸增加。在980 ℃淬火時(shí)，由于淬火溫度較低，淬火組織中還保留有晶界碳化物，當(dāng)淬火溫度提高至1 055～1 070 ℃時(shí)，晶界碳化物幾乎全部溶于奧氏體中。
圖 4 回火溫度對沖擊韌性的影響
2.3 回火溫度對硬度和沖擊韌性的影響
回火溫度對沖擊韌性和硬度的影響見圖4和5。在650～710 ℃溫度范圍內(nèi)，在相同淬火溫度下，隨回火溫度升高沖擊韌性增加，硬度降低。回火溫度高于680 ℃時(shí)，沖擊韌性增加和硬度降低的幅度明顯增大，表明高于680 ℃回火轉(zhuǎn)變的速率明顯加快。所以，對于2Cr12NiMoWV鋼只有在高于680 ℃以上溫度回火，才能使回火轉(zhuǎn)變較為充分地進(jìn)行，保證回火后的組織具有足夠的穩(wěn)定性和較高的韌性。
圖 5 回火溫度對硬度的影響
2.4 斷口分析
在本試驗(yàn)條件下，經(jīng)各種不同熱處理的沖擊試樣的微觀斷口形貌大致相似，均由韌窩區(qū)和準(zhǔn)解理斷裂區(qū)組成(圖6)。斷口分析表明，韌窩區(qū)的寬度與試樣沖擊韌性之間有良好的對應(yīng)關(guān)系，韌窩區(qū)寬度較大的試樣，其沖擊韌性值較高；而韌性較高的試樣，其準(zhǔn)解理區(qū)撕裂棱較細(xì)密，撕裂單元較小。
2.5 高溫緊固螺栓的熱處理
高溫緊固螺栓是保證汽輪機(jī)安全工作的關(guān)鍵零件。根據(jù)螺栓的服役條件，要求進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，為避免螺栓在裝拆時(shí)發(fā)生脆斷，要求其必須具有較高的室溫沖擊韌性。具體的技術(shù)要求為HB 277～331，aK＞35 J/cm2 ［3］。綜合本次試驗(yàn)結(jié)果，選定1 055～1 070 ℃淬火，700～710 ℃回火作為螺栓的熱處理工藝。經(jīng)此工藝處理，不僅可以保證螺栓具有較高的強(qiáng)度和韌性，而且可以保證其在長期服役中具有較穩(wěn)定的組織。處理后螺栓的硬度為HB 287～299，aK＝40～62 J/cm2，均滿足技術(shù)條件要求。
3 討論
(1) 根據(jù)圖2，710 ℃回火條件下，隨淬火溫度升高，沖擊韌性先增加后降低。分析這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，表明奧氏體的晶粒尺寸和晶界碳化物的溶解程度是影響淬火高溫回火的2Cr12NiMoWV鋼沖擊韌性的主要因素。隨淬火溫度升高，碳化物溶解的數(shù)量增加，特別是退火組織中晶界碳化物溶入奧氏體中，使晶粒間的結(jié)合力提高，從而提高了沖擊韌性；另一方面，隨淬火溫度升高，奧氏體晶粒長大，降低了沖擊韌性。當(dāng)淬火溫度低于1 055 ℃時(shí)，前一種
圖 6 沖擊試樣斷口形貌
(a) 韌窩區(qū)；(b) 準(zhǔn)解理區(qū)
因素占主導(dǎo)地位，表現(xiàn)為隨溫度升高，沖擊韌性增加；當(dāng)淬火溫度達(dá)到1 055～1070 ℃時(shí)，晶界碳化物幾乎全部溶入奧氏體中，沖擊韌性達(dá)到最大；繼續(xù)提高淬火溫度，奧氏體晶粒粗化，后一因素轉(zhuǎn)而起主導(dǎo)作用，使沖擊韌性明顯降低
(2) 文獻(xiàn)中推薦的2Cr12NiMoWV鋼的淬火溫度區(qū)間多為980～1 040 ℃［4.5］。根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，由于該鋼退火組織中難以避免地存在相當(dāng)數(shù)量的晶界碳化物，在上述區(qū)間淬火，晶界碳化物難以大量溶解，造成調(diào)質(zhì)后室溫沖擊韌性較低。若適當(dāng)提高淬火溫度至1 055～1 070 ℃，大部分晶界碳化物已溶解，且奧氏體晶粒尚未明顯粗化，而隨后再以適當(dāng)溫度進(jìn)行回火，則可以獲得良好的室溫強(qiáng)度和韌性的配合。
文獻(xiàn)［6］研究了淬火溫度對2Cr12NiMoWV鋼高溫性能的影響。結(jié)果表明，隨淬火溫度提高，持久強(qiáng)度(σ570105)增加，980、1 040、1 100 ℃淬火后680 ℃回火，σ570105分別為85.3、114.7、122.6 MPa。三種溫度淬火的特久塑性無顯著區(qū)別，伸長率(δ10)均大于10 %。所以適當(dāng)提高淬火溫度，不僅可以顯著提高室溫沖擊韌性，而且可以在不降低持久塑性的條件下，使持久強(qiáng)度得到提高。
若將淬火溫度提高至1 100 ℃，室溫沖擊韌性大大降低，而持久強(qiáng)度值也增加得很少，并且由于奧氏體晶粒粗化，使鋼的缺口敏感性增加，這對于高溫緊固螺栓這一帶缺口零件而言是不希望的。綜上所述，建議2Cr12NiMoWV鋼在1 055～1 070 ℃溫度區(qū)間加熱淬火。
4 結(jié)論
(1) 在相同回火溫度下，2Cr12NiMoWV鋼隨淬火溫度升高，硬度提高；而室溫沖擊韌性先增加后降低，在1 055～1 070 ℃溫度區(qū)間達(dá)到最大值。建議該鋼淬火加熱溫度區(qū)間為1 055～1 070 ℃。
(2) 用2Cr12NiMoWV鋼制作的汽輪機(jī)高溫緊固螺栓的調(diào)質(zhì)熱處理工藝為1 055～1 070 ℃淬火、700～710 ℃回火。經(jīng)該工藝處理的試樣其硬度為HB 287～299，沖擊韌性為40～62 J/cm2，可以滿足螺栓的技術(shù)要求。
