鑄態(tài)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的第二相析出規(guī)律

趙廣輝 安紅萍 田香菊(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

加氫反應(yīng)器是現(xiàn)代煉油工業(yè)的重大關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備主要用于石油煉制或重質(zhì)油的加氫裂化、加氫精制以及催化重整、脫硫、脫除重金屬等工藝過(guò)程[1]。目前國(guó)內(nèi)外新近發(fā)展起來(lái)的高溫高壓加氫反應(yīng)器材料是添加釩的改進(jìn)型Cr-Mo鋼(2.25Cr-1Mo-0.25V)。該鋼中加入了鉻、鉬、釩、鈮、鈦、硼等合金元素，加入這些元素的主要目的是產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，獲得它們的碳化物、氮化物或碳氮化物等析出物，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化作用，從而提高鋼的力學(xué)性能及抗氫脆、抗腐蝕等能力[2]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)2.25Cr-lMo-0.25V鋼鍛態(tài)組織中第二相規(guī)律行為已有研究：奧氏體化溫度超過(guò)1 000℃，第二相溶解，釘扎晶界作用消失[3]；1 250℃×20 min固溶處理，900℃應(yīng)變誘導(dǎo)析出[4]。為進(jìn)一步研究2.25Cr-lMo-0.25V鋼鑄態(tài)組織的第二相行為機(jī)理，進(jìn)行了鑄態(tài)組織第二相的析出實(shí)驗(yàn)，為實(shí)際生產(chǎn)工藝的制定提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)的材料是重量為234 t的2.25Cr-1Mo-0.25V解剖鋼錠。其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 2．25Cr-lMo-0．25V鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 2．25Cr-lMo-0．25V steel (mass faction，%)

將取下的材料制成尺寸為12 mm×12 mm×15 mm的試樣，將試樣放入KBF1 400箱式加熱爐里，以30℃/s加熱到1 250℃，保溫90 min，以盡可能的溶解碳化物及碳氮化物粒子[4]，降溫30 min到析出溫度(析出溫度分別為900℃、950℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃和1 150℃)，分別保溫15 min、30 min、45 min，分別以油淬、水淬、10%鹽水不同冷卻介質(zhì)淬火[6]。用試樣砂紙打磨、金相試樣拋光機(jī)PG-2D機(jī)械拋光后，用4%的硝酸酒精腐蝕。第二相析出實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 第二相析出實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖Figure 1 Schematic diagram of the experimental process of the second phase precipitation

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 淬火介質(zhì)對(duì)第二相析出的影響

2.25Cr-1Mo-0.25V鋼在連續(xù)冷卻過(guò)程中，冷卻速度大于 0.5℃/s 時(shí)，組織為粒狀貝氏體組織[6]。在油淬、水淬、鹽水淬中，油淬的冷卻速度最小，最低為20℃/s[7]。試樣的淬火組織都是

粒狀貝氏體，且是下貝氏體。它是由鐵素體和碳化物構(gòu)成的復(fù)相組織，這種貝氏體鐵素體的形態(tài)通常呈板條狀，若干個(gè)平行排列的板條便構(gòu)成一束[8]。隨著冷卻速度的增大，下貝氏體中碳化物少而彌散。鹽水淬比油淬和水淬能更好的保持高溫析出第二相的形貌特點(diǎn)，不受淬火過(guò)程中下貝氏體碳化物轉(zhuǎn)化的影響。圖2是1 050℃保溫45 min后油淬、水淬、鹽水淬的金相圖片。圖2中大而有灰色圓心、黑色圓邊的是高溫第二相，小的黑點(diǎn)是貝氏體碳化物。圖2(a)中第二相比較雜亂，貝氏體中碳化物的析出多。圖2(c)中高溫析出的第二相清晰而明顯。用Micro-image軟件測(cè)量的第二相含量如圖3所示。從圖3可以看出，油淬的第二相百分?jǐn)?shù)最多，鹽水淬最少，亦表明連續(xù)冷卻速度低時(shí)，冷卻過(guò)程中存在碳化物的析出，影響測(cè)量高溫析出第二相，所以應(yīng)采用較大的冷卻速率以保持高溫第二相的形貌特點(diǎn)。

圖2 1 050℃保溫45 min后，不同冷卻方式下的第二相形貌Figure 2 The second phase appearances under different quenching methods after holding for 45 min at 1 050℃

圖3 1 050℃保溫45 min后，不同冷卻方式下的第二相體積含量百分?jǐn)?shù)Figure 3 The volume content percentages of second phase under different quenching methods after holding for 45 min at 1 050℃

2.2 析出時(shí)間對(duì)第二相析出的影響

隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，第二相析出顆粒長(zhǎng)大，且析出物增多[9]。圖4是1 050℃保溫15 min、30 min、45 min后鹽水淬的第二相圖片。圖4顯示出，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，第二相聚集和長(zhǎng)大。圖4(c)保溫時(shí)間最長(zhǎng)，第二相含量多，且分布均勻。用Micro-image軟件測(cè)量的第二相含量如圖5所示，亦顯示保溫15 min第二相含量最少，保溫45 min第二相含量最多，且其增長(zhǎng)速率減緩。

2.3 析出溫度對(duì)第二相析出的影響

溫度越低，合金元素在基體中的溶解度越低，溫度低從而使合金元素易于析出，易于第二相的析出。溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，擴(kuò)散速率越快[10]，利于合金元素的析出和聚集。圖6是900℃、950℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃、1 150℃保溫45 min后鹽水淬的第二相形貌圖。隨著溫度的升高，第二相析出越來(lái)越少。

圖4 1 050℃保溫不同時(shí)間后，鹽水淬的第二相形貌Figure 4 The second phase appearances under brine quenching after different holding times at 1 050℃

溫度低析出第二相多且呈聚集態(tài)勢(shì)。圖6(f)中第二相含量少，且都很小。圖6(a)中第二相多且呈大顆粒狀。用Micro-image軟件測(cè)第二相百分含量，如圖7所示。隨著溫度的升高，第二相百分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)，析出溫度為950℃和1 050℃時(shí)，第二相含量異常，推斷是因?yàn)樵?50℃低溫合金元素Cr易于C元素鍵合，從而大量析出第二相；在1 050℃有高溫合金元素V，Ti易于C元素鍵合，從而大量析出第二相。

圖5 1 050℃不同保溫時(shí)間下的第二相體積含量百分?jǐn)?shù)Figure 5 The volume content percentages of second phaseafter different holding times at 1 050℃

圖6 不同析出溫度下析出45 min后，鹽水淬的第二相形貌Figure 6 The second phase appearances under brine quenching at different precipitation temperatures for 45 min

3 結(jié)論

(1)采用油淬、水淬、鹽水淬，試樣的淬火組織都是粒狀貝氏體，且是下貝氏體，它是由鐵素體和碳化物構(gòu)成的復(fù)相組織。油淬的第二相百分?jǐn)?shù)最多，鹽水淬最少。連續(xù)冷卻速度低時(shí)，冷卻過(guò)程中存在碳化物的析出，影響測(cè)量高溫析出第二相，所以應(yīng)采用鹽水淬以保持高溫第二相的形貌特點(diǎn)。

(2)隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，第二相析出顆粒長(zhǎng)大，且析出物增多。保溫15 min最少，保溫45 min第二相含量最多，且其增長(zhǎng)速率減緩。

圖7 不同析出溫度下析出45 min后，鹽水淬的第二相體積含量百分?jǐn)?shù)Figure 7 The volume content percentages of second phase under brine quenching at different precipitation temperatures for 45 min

(3)隨著溫度的升高，第二相百分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)。析出溫度為950℃和1 050℃時(shí)，第二相含量異常，推斷是因?yàn)樵?50℃低溫合金元素Cr易于C元素鍵合，從而大量析出第二相；在1 050℃有高溫合金元素V，Ti易于C元素鍵合，從而大量析出第二相。

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