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高溫緊固件熱處理

熱處理工藝對2Cr12NiMoWV鋼組織和力學性能的影響

  毛 磊 李如棟    張道鋼 李金峰

 (河北科技大學) (河北電力試驗研究所)

摘 要 研究了熱處理工藝對2Cr12NiMoWV鋼組織和力學性能的影響規律。結果表明,該鋼在1 055~1 070 ℃淬火、700~710 ℃回火時,可以獲得良好的強韌化效果。並在此基礎上確定了該鋼用於製造汽輪機用高溫緊固螺栓時的熱處理工藝規範。
關鍵詞 2Cr12NiMoWV鋼 淬火溫度 衝擊韌性 高溫緊固螺栓

  2Cr12NiMoWV鋼是12 %Cr型馬氏體不鏽耐熱鋼,主要用於製造大型汽輪機高溫緊固件。隨著大型汽輪機及其製造技術的發展,該鋼在國內的用量愈來愈大。但是,迄今為止熱處理製度對該鋼組織和性能影響的研究報道尚不多見,給該鋼的實際應用帶來諸多不便。為此本文研究了不同熱處理工藝參數對2Cr12NiMoWV鋼組織和室溫力學性能(主要是硬度和衝擊韌性)的影響規律。在此基礎上,對用該鋼製造的汽輪機高溫緊固螺栓的熱處理工藝進行優選。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料
  試驗材料取自某電廠退役的汽輪機螺栓,其化學成分(%)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 試驗方法
  首先對試驗用鋼進行退火,退火工藝為870 ℃加熱3 h,以20 ℃/h冷至700 ℃保溫3 h,隨後爐冷至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量的晶界碳化物。退火後的材料加工成衝擊試樣毛坯,隨後進行不同溫度淬火和回火處理,最後經磨削和線切割加工成為10 mm×10 mm×55 mm標準夏比衝擊試樣。
 
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行試驗。各試樣淬火加熱時間為4 min/mm,出爐後油冷。回火在5 kW多用爐中進行,選擇650、680、710 ℃三種回火溫度,回火時間6 h,出爐後空冷。
  對經過不同熱處理的試樣進行室溫衝擊試驗,測定衝擊韌性值。利用衝斷的試樣進行斷口分析、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 試驗結果與分析

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,溫度低於1 070 ℃時,晶粒長大的傾向較小,當溫度高於1 070 ℃時,晶粒長大速度加快。由於淬火加熱過程中,未溶碳化物相的數量直接影響奧氏體晶粒尺寸,未溶碳化物數量愈多,奧氏體晶粒尺寸愈小[2]。因此,表1中的數據說明,淬火溫度達到1 070 ℃時,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 淬火溫度對硬度和衝擊韌性的影響
  在680 ℃和710 ℃回火時,淬火溫度對衝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,硬度連續提高。這是由於隨加熱溫度升高,合金碳化物溶入奧氏體中的數量增加,使奧氏體及隨後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定性。淬火溫度對衝擊韌性的影響較為複雜,隨淬火溫度升高衝擊韌性增加,當淬火溫度超過1 040 ℃時,衝擊韌性增加明顯;在710 ℃回火條件下,1 055~1 070 ℃淬火時,衝擊韌性達到最大;超過1 100 ℃淬火時,隨淬火溫度升高,衝擊韌性反而降低。

圖 2 淬火溫度對硬度和衝擊韌性的影響
(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,由於淬火溫度較低,淬火組織中還保留有晶界碳化物,當淬火溫度提高至1 055~1 070 ℃時,晶界碳化物幾乎全部溶於奧氏體中。
 
圖 4 回火溫度對衝擊韌性的影響

2.3 回火溫度對硬度和衝擊韌性的影響
  回火溫度對衝擊韌性和硬度的影響見圖4和5。在650~710 ℃溫度範圍內,在相同淬火溫度下,隨回火溫度升高衝擊韌性增加,硬度降低。回火溫度高於680 ℃時,衝擊韌性增加和硬度降低的幅度明顯增大,表明高於680 ℃回火轉變的速率明顯加快。所以,對於2Cr12NiMoWV鋼隻有在高於680 ℃以上溫度回火,才能使回火轉變較為充分地進行,保證回火後的組織具有足夠的穩定性和較高的韌性。
 
圖 5 回火溫度對硬度的影響

2.4 斷口分析
  在本試驗條件下,經各種不同熱處理的衝擊試樣的微觀斷口形貌大致相似,均由韌窩區和準解理斷裂區組成(圖6)。斷口分析表明,韌窩區的寬度與試樣衝擊韌性之間有良好的對應關係,韌窩區寬度較大的試樣,其衝擊韌性值較高;而韌性較高的試樣,其準解理區撕裂棱較細密,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安全工作的關鍵零件。根據螺栓的服役條件,要求進行調質處理,為避免螺栓在裝拆時發生脆斷,要求其必須具有較高的室溫衝擊韌性。具體的技術要求為HB 277~331,aK>35 J/cm2 [3]。綜合本次試驗結果,選定1 055~1 070 ℃淬火,700~710 ℃回火作為螺栓的熱處理工藝。經此工藝處理,不僅可以保證螺栓具有較高的強度和韌性,而且可以保證其在長期服役中具有較穩定的組織。處理後螺栓的硬度為HB 287~299,aK=40~62 J/cm2,均滿足技術條件要求。

3 討論

  (1) 根據圖2,710 ℃回火條件下,隨淬火溫度升高,衝擊韌性先增加後降低。分析這種現象產生的原因,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鋼衝擊韌性的主要因素。隨淬火溫度升高,碳化物溶解的數量增加,特別是退火組織中晶界碳化物溶入奧氏體中,使晶粒間的結合力提高,從而提高了衝擊韌性;另一方麵,隨淬火溫度升高,奧氏體晶粒長大,降低了衝擊韌性。當淬火溫度低於1 055 ℃時,前一種
 
圖 6 衝擊試樣斷口形貌
(a) 韌窩區;(b) 準解理區

因素占主導地位,表現為隨溫度升高,衝擊韌性增加;當淬火溫度達到1 055~1070 ℃時,晶界碳化物幾乎全部溶入奧氏體中,衝擊韌性達到最大;繼續提高淬火溫度,奧氏體晶粒粗化,後一因素轉而起主導作用,使衝擊韌性明顯降低
  (2) 文獻中推薦的2Cr12NiMoWV鋼的淬火溫度區間多為980~1 040 ℃[4.5]。根據本試驗結果,由於該鋼退火組織中難以避免地存在相當數量的晶界碳化物,在上述區間淬火,晶界碳化物難以大量溶解,造成調質後室溫衝擊韌性較低。若適當提高淬火溫度至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,而隨後再以適當溫度進行回火,則可以獲得良好的室溫強度和韌性的配合。
  文獻[6]研究了淬火溫度對2Cr12NiMoWV鋼高溫性能的影響。結果表明,隨淬火溫度提高,持久強度(σ570105)增加,980、1 040、1 100 ℃淬火後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別,伸長率(δ10)均大於10 %。所以適當提高淬火溫度,不僅可以顯著提高室溫衝擊韌性,而且可以在不降低持久塑性的條件下,使持久強度得到提高。
  若將淬火溫度提高至1 100 ℃,室溫衝擊韌性大大降低,而持久強度值也增加得很少,並且由於奧氏體晶粒粗化,使鋼的缺口敏感性增加,這對於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 ℃溫度區間加熱淬火。

4 結論


  (1) 在相同回火溫度下,2Cr12NiMoWV鋼隨淬火溫度升高,硬度提高;而室溫衝擊韌性先增加後降低,在1 055~1 070 ℃溫度區間達到最大值。建議該鋼淬火加熱溫度區間為1 055~1 070 ℃。
  (2) 用2Cr12NiMoWV鋼製作的汽輪機高溫緊固螺栓的調質熱處理工藝為1 055~1 070 ℃淬火、700~710 ℃回火。經該工藝處理的試樣其硬度為HB 287~299,衝擊韌性為40~62 J/cm2,可以滿足螺栓的技術要求。

參 考 文 獻

1 沈桂琴.光學金相技術.北京:北京航空航天大學出版社,1992.279.
2 符長璞,憨 勇,張金旺,等.奧氏體化溫度對20Cr11MoVNbNB鋼組織和性能的影響.金屬熱處理,1992,(3):21.
3 電力行業標準.火力發電廠高溫緊固件技術導則.DL439-91.
4 機電工程材料手冊編寫組編.機電工程材料手冊.北京:科技文獻出版社,1991.729.
5 美國金屬學會.熱處理工作者手冊.劉先曙譯.北京:機械工業出版社,1986.658.
6 林富生,趙中平,江先美,等.淬火溫度對國產C-422熱強鋼高溫性能的影響.機械工程材料,1987,(6):54.

 
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