正火火烧工艺对12cr2wmovnbnb钢组织性能的影响

正火火烧工艺对12cr2wmovnbnb钢组织性能的影响

近年来，美国和欧洲的一些发达国家正在开发出比马体的t91钢的更大的热强度钢，以便于火力发电厂的超级离心分离装置和超级临界装置，如t12钢。本文报导的是我们参与研制中的新钢种12Cr-2W-Mo-V-Nb-N-B钢的热处理工艺与组织结构和强塑性能之间关系以及持久强度的研究结果,它与TB12钢同级别。1正火温度对组织结构的影响试验用钢的化学成分见表1,锻成ϕ22mm×250mm的坯料,坯料的金相组织为板条马氏体团块和块状铁素体聚合型双相组织,铁素体块约占视域面积的20%。热处理采用正火和回火。试验首先查明组织结构与正火温度的关系,正火温度选择980℃、1010℃、1040℃、1070℃、1100℃、1130℃、1160℃。然后采用L12(4×3)共12组的正交试验进行正火回火热处理后的组织结构和力学性能研究,此时正火温度选择1040℃、1070℃、1100℃,回火温度选择740℃、760℃、780℃、800℃,强塑性能指标选择室温的σ0.2、σb、δ5、ψ。最后在火电厂超临界机组575℃条件下服役,所加载荷分别为186.33MPa、166.71MPa、147.10MPa、137.29MPa和117.68MPa,以测定其持久强度。2试验结果与分析2.1铁素体组织的变化图1为不同温度正火后12Cr-2W-Mo-V-Nb-N-B钢的金相组织,主要为板条马氏体团块和块状铁素体的聚合型双相组织。980℃和1010℃正火后块状铁素体含量较少,约占视域面积的10%;1040℃正火后铁素体量增至约25%;1070℃～1100℃正火后铁素体量增至约35%;1160℃正火后铁素体量又减至约20%。随正火温度的变化,聚合型双相组织的团块尺寸没有明显变化,晶粒尺寸不随正火温度的升高而长大,组织形态也没有明显变化。在透射电镜下观察了1010℃和1160℃正火后12Cr-2W-Mo-V-Nb-N-B钢的亚结构,见图2所示。图2a1为板条马氏体,图2a2为暗场下板条马氏体界的残留奥氏体薄膜;图2b1和图2b2为板条马氏体中的位错缠结和孪晶结构,尽管试验钢的碳含量很低,但高的Cr、W、Mo合金元素含量仍能使部分马氏体板条中出现孪晶结构;图2c1和图2c2为铁素体块及铁素体块中的位错缠结。由此可见,试验钢正火后的组织为板条马氏体团块和块状铁素体的聚合型双相组织,板条马氏体中存在位错缠结和孪晶两种结构,块状铁素体中为位错缠结结构。正火温度主要影响了铁素体的量,而对晶粒尺寸、组织形态、亚结构及相组成等影响较小。2.2马氏体板条碎化的多边化正火回火后的金相组织均为回火板条马氏体和块状铁素体的聚合型双相组织。试验钢1070℃正火后分别经760℃与780℃回火后的TEM像见图3。760℃回火后,马氏体的板条形态和板条内的位错缠结仍然清晰可见(图3a1),板条马氏体中的位错正在向网络规整(图3b1);而780℃回火后,马氏体的板条形态碎化,板条内的位错缠结已规整成了位错网络(图3b2),显然发生了板条碎化的多边化回复(图3a2)。780℃回火者较760℃回火者碳化物增多且粒子尺寸稍大,由主要存在于晶界分布变为较为均匀分布,这可能是碳化物的转变,也可能是开始出现Ostwald熟化的迹象。回火后块状铁素体晶内的位错组态由正火后的位错缠结胞(图2c)规整成位错丛(图3c)。2.3调整后的试验结果拉伸试验的断口观察显示,各组试样均是杯锥状纤维断口,有良好的塑性。拉伸试验(试样数各3)结果的正交综合比较见图4。随正火温度的升高,σ0.2和σb略有增大,δ5和ψ没有变化。随回火温度的升高,σ0.2和σb显著降低,δ5和ψ略有增大。对强塑性的这种变化所作t统计检验(表2)表明,随正火温度的升高,σ0.2和σb虽有增大的趋势,但在1040℃～1100℃的温度范围内,这种变化尚未达到显著差异的程度。而在740℃～800℃温度范围,随回火温度的升高,σ0.2和σb降低的变化则达到了显著差异的程度,δ5和ψ略有增大的变化也是显著的。这表明,回火温度是影响试验钢力学性能的首要工艺因素,而正火温度的影响尚小。2.4575℃的持久强度575℃持久强度试验结果见图5,此时试验钢5个试样的塑性平均值和标准偏差分别是δ10的为23.08%和1.34%,ψ的为87.00%和0.98%。本研究发现,该试验钢的持久强度曲线不仅在双对数坐标上有着很好的线性关系:lgσ=2.34-0.07lgt(相关系数r=0.9900),而且在半对数坐标上有着更好的线性关系:σ=208.36-24.19lgt(相关系数r=0.9967),显然,试验钢的热稳定性非常好。尽管如此,该持久强度还是在147.10MPa(483.4h)和137.29MPa(803.6h)之间发生了轻微的转折,这是组织结构在热和力的作用下存在轻微的不稳定性所造成的。尽管试验钢的热稳定性非常好,但占1/3量的铁素体的存在毕竟降低了钢的持久强度,铁素体量的控制尚需作进一步研究。3钢的强度和塑性由以上结果可以得出试验钢适宜的热处理工艺为:正火和高温回火,其具体工艺参量为:正火温度1070℃～1100℃,这时钢的强度较高,也是保证固溶强化效果和热强性所必须的;回火温度则取决于强度的需要,取740℃～770℃或760℃～790℃,前者强度较高,后者塑性较好,但都保证了钢的强度和塑性的良好配合,也确保了马氏体板条碎化的多边化回复的形成,并能使操作温度的上限距钢的A1相变点(约为830℃)足够远,防止回火操作失误而达到A1相变点温度的危险。经上述推荐的热处理工艺参量处理后(回火温度取后者),该钢的室温强塑性能σ0.2、σb、δ5和ψ,取12个试样的平均值分别为627.59MPa、782.43MPa、20.30%和65.16%,它们的标准偏差分别为64.03MPa、53.00MPa、2.00%和1.16%。4碳化物颗粒的热稳定性在水-汽临界点以上的超临界状态使用的管用热强钢,长期承受着高温高压蒸汽的高应力载荷,因此管用热强钢多采用导热良好和热膨胀系数小的马氏体类或铁素体类钢,其合金化和热处理应遵守的原则是,保证钢在获得足够强度和塑性时,具有组织结构在高温高应力状态的稳定性。管用热强钢的固溶强化主要使用Cr(同时提高耐蚀性)、W与Mo元素。热处理获得回火板条马氏体或回火板条马氏体与铁素体的聚合型双相组织结构,又实现了界面强化、位错强化、颗粒强化、板条马氏体强化的复合。组织结构不稳定的热力学驱动力为众所周知的自由能,这些强化均导致热力学的不稳定;但不稳定的动力学转变速率则受控于界面和扩散,只要转变速率足够地慢,慢到在使用寿命期内所发生的组织结构变化在许可的范围之内,便是获得了成功。因此,组织结构稳定性的问题归结为保证固溶合金元素分布的热稳定性,保证回火马氏体组织结构和碳化物颗粒的热稳定性,以及保证铁素体中位错组态的热稳定性。固溶强化合金元素分布的热稳定性受控于它在α-Fe中的扩散迁移,α-Fe中Cr、W、Mo的扩散激活能依次减小,它们分别为QCr=343kJ/mol,QW=293kJ/mol,QMo≈200kJ/mol,因此固溶强化时,Mo的热稳定性较差,W和Cr较好。本文所研究的试验钢12Cr-2W-Mo-V-Nb-N-B正是以Cr和W为主,Mo为辅作为固溶元素的,其固溶强化的热稳定性得到了保证。元素B存在于晶界,降低了晶界能,减小了晶界迁移不稳定性的驱动力,因而有助于热稳定性的提高。铁素体中的位错在高温回火时由正火的高能缠结胞组态(图2c)降解规整为低能丛聚组态(图3c),提高了铁素体的热稳定性。回火马氏体组织结构的热稳定性取决于马氏体的多边化回复或再结晶的发生。试验钢12Cr-2W-Mo-V-Nb-N-B淬火马氏体的相变应力和晶格畸变储存能在高温回火时因发生马氏体板条碎化的多边化回复而释放,马氏体中的位错由缠结组态(图2b)转化为网络组态(图3b),这是位错的亚稳态,从而维持碎化板条亚晶结构的热强性和热稳定性,致使在相变点A1以下因驱动力不足而不能发生马氏体解体的再结晶,这就保证了在低于高温回火温度的较高温度(例如600℃左右)使用时,已多边化回复的板条马氏体具有足够的热强性和热稳定性,使采用强化效果优异的马氏体强化得以实现。碳化物颗粒的热稳定性是Ostwald熟化问题,熟化过程主要受控于碳化物组成原子在基体α-Fe与碳化物之间的交换。众所周知,碳原子在α-Fe中的扩散是很快的,因此必须尽可能降低钢的碳含量(这正好满足了管用热强钢弯管的塑性成型性和可焊性的工艺性需要),并且要尽可能将碳原子牢牢地固定在碳化物中,于是加入强碳化物形成元素进行补充合金化,常用的元素有V、Nb、Zr、Ti等,它们对碳化物热稳定性的影响为同一量级,这些元素的碳化物形成热分别为QVC=207kJ/mol,QZrC=243kJ/mol,QTiC240=kJ/mol。与之相比较,QFe3C=37kJ/mol,QCr4C=67kJ/mol,QCr3C2=36kJ/mol,QMo2C=18kJ/mol,显然,Mo、Cr不利于碳化物的热稳定性,高温工作时它们容易从基体向碳化物中转移,而发生碳化物颗粒的Ostwald熟化。因此,12Cr-2W-Mo-V-Nb-N-B钢中加入足够的强碳化物形成元素V和Nb进行固碳合金化以稳定碳化物和阻止Mo、Cr向碳化物中转移而延缓Ostwald熟化过程是适当的。12Cr-2W-Mo-V-Nb-N-B钢具备了上述热强性和热稳定性的诸要素。5正火退火试验钢的性能(1)12Cr-2W-Mo-V-Nb-N-B钢经高温正火和高温回火后为回火板条马氏体和块状铁素体聚合型双相组织。随正火温度的变化,双相组织中块状铁素体的量有所变化,但晶粒尺寸不变。在高温回火时,板条马氏体发生由位错缠结规整成位错网的板条碎化的多边化回复,回火温度高于780℃时可能出现碳化物的Ostwald熟化,铁素体中的位错缠结胞规整为丛聚态,但不发生板条马氏体解体的再结晶。(2)在1040℃～1100℃温度范围,随正火温度的升高,试验钢的强度有略为升高的趋势,而塑性