热处理工艺对2Cr12NiMoWV钢组织和力学性能的影响

摘　要　研究了热处理工艺对2Cr12NiMoWV钢组织和力学性能的影响规律。结果表明，该钢在1　055～1　070 ℃淬火、700～710 ℃回火时，可以获得良好的强韧化效果。并在此基础上确定了该钢用于制造汽轮机用高温紧固螺栓时的热处理工艺规范。
关键词　2Cr12NiMoWV钢　淬火温度　冲击韧性　高温紧固螺栓

　　2Cr12NiMoWV钢是12 %Cr型马氏体不锈耐热钢，主要用于制造大型汽轮机高温紧固件。随着大型汽轮机及其制造技术的发展，该钢在国内的用量愈来愈大。但是，迄今为止热处理制度对该钢组织和性能影响的研究报道尚不多见，给该钢的实际应用带来诸多不便。为此本文研究了不同热处理工艺参数对2Cr12NiMoWV钢组织和室温力学性能(主要是硬度和冲击韧性)的影响规律。在此基础上，对用该钢制造的汽轮机高温紧固螺栓的热处理工艺进行优选。

1　试验材料与试验方法

1.1　试验材料
　　试验材料取自某电厂退役的汽轮机螺栓，其化学成分(%)为：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　试验方法
　　首先对试验用钢进行退火，退火工艺为870 ℃加热3 h，以20 ℃/h冷至700 ℃保温3 h，随后炉冷至500 ℃出炉空冷。退火组织(图1)为铁素体基体上分布着颗粒状碳化物和一定数量的晶界碳化物。退火后的材料加工成冲击试样毛坯，随后进行不同温度淬火和回火处理，最后经磨削和线切割加工成为10 mm×10 mm×55 mm标准夏比冲击试样。
 
1　退火组织

淬火加热使用4 kW高温箱式电炉，选择950、980、1　010、1　040、1　055、1　070、1　100、1　130、1　160　℃等不同淬火加热温度进行试验。各试样淬火加热时间为4 min/mm，出炉后油冷。回火在5 kW多用炉中进行，选择650、680、710 ℃三种回火温度，回火时间6 h，出炉后空冷。
　　对经过不同热处理的试样进行室温冲击试验，测定冲击韧性值。利用冲断的试样进行断口分析、金相分析和硬度测量。金相分析所用浸蚀剂为三氯化铁硝酸水溶液。奥氏体晶粒度的测定按Hilliard方法进行［1］，所用腐蚀剂为饱和苦味酸水溶液加少量烷基苯磺酸钠。

2　试验结果与分析

2.1　淬火温度对奥氏体晶粒度的影响
　　淬火温度对奥氏体晶粒度的影响见表1。由表1可知，随淬火温度升高，奥氏体晶粒长大，温度低于1　070 ℃时，晶粒长大的倾向较小，当温度高于1　070 ℃时，晶粒长大速度加快。由于淬火加热过程中，未溶碳化物相的数量直接影响奥氏体晶粒尺寸，未溶碳化物数量愈多，奥氏体晶粒尺寸愈小［2］。因此，表1中的数据说明，淬火温度达到1　070 ℃时，原始组织中的碳化物已大部分溶入奥氏体中，从而使阻碍晶界迁移的障碍物大大减少，奥氏体长大速率加快。
　　

表 1　淬火温度对奥氏体晶粒度的影响

淬火温度/℃ 　        980   1040   1070 　1100   1130   1160
奥氏体晶粒度级别/级 　6.7    6.4    6.2     －    5.2     －

2.2　淬火温度对硬度和冲击韧性的影响
　　在680 ℃和710 ℃回火时，淬火温度对冲击韧性及硬度的影响见图2。在相同回火温度下，随着淬火加热温度升高，硬度连续提高。这是由于随加热温度升高，合金碳化物溶入奥氏体中的数量增加，使奥氏体及随后获得的马氏体的合金化程度提高，从而提高马氏体的抗回火稳定性。淬火温度对冲击韧性的影响较为复杂，随淬火温度升高冲击韧性增加，当淬火温度超过1　040 ℃时，冲击韧性增加明显；在710 ℃回火条件下，1　055～1　070 ℃淬火时，冲击韧性达到最大；超过1　100 ℃淬火时，随淬火温度升高，冲击韧性反而降低。

图 2　淬火温度对硬度和冲击韧性的影响
(a)680 ℃；(b)710 ℃
 
图 3　淬火金相组织
(a) 980 ℃；(b) 1　070 ℃

　不同淬火温度下试样的金相组织见图3。淬火组织为板条马氏体，板条束的位向符合一定的晶体位向。随淬火温度升高，马氏体板条尺寸增加。在980 ℃淬火时，由于淬火温度较低，淬火组织中还保留有晶界碳化物，当淬火温度提高至1　055～1　070 ℃时，晶界碳化物几乎全部溶于奥氏体中。
 
图 4　回火温度对冲击韧性的影响

2.3　回火温度对硬度和冲击韧性的影响
　　回火温度对冲击韧性和硬度的影响见图4和5。在650～710 ℃温度范围内，在相同淬火温度下，随回火温度升高冲击韧性增加，硬度降低。回火温度高于680 ℃时，冲击韧性增加和硬度降低的幅度明显增大，表明高于680 ℃回火转变的速率明显加快。所以，对于2Cr12NiMoWV钢只有在高于680　℃以上温度回火，才能使回火转变较为充分地进行，保证回火后的组织具有足够的稳定性和较高的韧性。
 
图 5　回火温度对硬度的影响

2.4　断口分析
　　在本试验条件下，经各种不同热处理的冲击试样的微观断口形貌大致相似，均由韧窝区和准解理断裂区组成(图6)。断口分析表明，韧窝区的宽度与试样冲击韧性之间有良好的对应关系，韧窝区宽度较大的试样，其冲击韧性值较高；而韧性较高的试样，其准解理区撕裂棱较细密，撕裂单元较小。
2.5　高温紧固螺栓的热处理
　　高温紧固螺栓是保证汽轮机安全工作的关键零件。根据螺栓的服役条件，要求进行调质处理，为避免螺栓在装拆时发生脆断，要求其必须具有较高的室温冲击韧性。具体的技术要求为HB 277～331，aK＞35 J/cm2 ［3］。综合本次试验结果，选定1　055～1　070 ℃淬火，700～710 ℃回火作为螺栓的热处理工艺。经此工艺处理，不仅可以保证螺栓具有较高的强度和韧性，而且可以保证其在长期服役中具有较稳定的组织。处理后螺栓的硬度为HB 287～299，aK＝40～62 J/cm2，均满足技术条件要求。

3　讨论

　　(1) 根据图2，710 ℃回火条件下，随淬火温度升高，冲击韧性先增加后降低。分析这种现象产生的原因，表明奥氏体的晶粒尺寸和晶界碳化物的溶解程度是影响淬火高温回火的2Cr12NiMoWV钢冲击韧性的主要因素。随淬火温度升高，碳化物溶解的数量增加，特别是退火组织中晶界碳化物溶入奥氏体中，使晶粒间的结合力提高，从而提高了冲击韧性；另一方面，随淬火温度升高，奥氏体晶粒长大，降低了冲击韧性。当淬火温度低于1　055 ℃时，前一种
 
图 6　冲击试样断口形貌
(a) 韧窝区；(b) 准解理区

因素占主导地位，表现为随温度升高，冲击韧性增加；当淬火温度达到1　055～1070 ℃时，晶界碳化物几乎全部溶入奥氏体中，冲击韧性达到最大；继续提高淬火温度，奥氏体晶粒粗化，后一因素转而起主导作用，使冲击韧性明显降低
　　(2) 文献中推荐的2Cr12NiMoWV钢的淬火温度区间多为980～1　040 ℃［4.5］。根据本试验结果，由于该钢退火组织中难以避免地存在相当数量的晶界碳化物，在上述区间淬火，晶界碳化物难以大量溶解，造成调质后室温冲击韧性较低。若适当提高淬火温度至1　055～1　070 ℃，大部分晶界碳化物已溶解，且奥氏体晶粒尚未明显粗化，而随后再以适当温度进行回火，则可以获得良好的室温强度和韧性的配合。
　　文献［6］研究了淬火温度对2Cr12NiMoWV钢高温性能的影响。结果表明，随淬火温度提高，持久强度(σ570105)增加，980、1　040、1　100 ℃淬火后680 ℃回火，σ570105分别为85.3、114.7、122.6 MPa。三种温度淬火的特久塑性无显著区别，伸长率(δ10)均大于10 %。所以适当提高淬火温度，不仅可以显著提高室温冲击韧性，而且可以在不降低持久塑性的条件下，使持久强度得到提高。
　　若将淬火温度提高至1　100 ℃，室温冲击韧性大大降低，而持久强度值也增加得很少，并且由于奥氏体晶粒粗化，使钢的缺口敏感性增加，这对于高温紧固螺栓这一带缺口零件而言是不希望的。综上所述，建议2Cr12NiMoWV钢在1　055～1　070 ℃温度区间加热淬火。

4　结论

　　(1) 在相同回火温度下，2Cr12NiMoWV钢随淬火温度升高，硬度提高；而室温冲击韧性先增加后降低，在1　055～1　070 ℃温度区间达到最大值。建议该钢淬火加热温度区间为1　055～1　070 ℃。
　　(2) 用2Cr12NiMoWV钢制作的汽轮机高温紧固螺栓的调质热处理工艺为1　055～1　070 ℃淬火、700～710 ℃回火。经该工艺处理的试样其硬度为HB 287～299，冲击韧性为40～62 J/cm2，可以满足螺栓的技术要求。