淬火工藝對2Cr11Mo1VNbN鋼性能及組織的影響

梁剛，黃有為，鐘杰，王虹，武彥榮，石聯(lián)峰，向沖

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

0 引言

2Cr11Mo1VNbN鋼是在Cr12型鋼基礎(chǔ)上為了強(qiáng)化加入了Mo、V、Nb、N等合金元素發(fā)展起來的馬氏體型耐熱鋼，是目前12%Cr系耐熱鋼中性能最好的鋼種之一。由于其優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，較好的抗氧化性能和抗腐蝕性能而被用于汽輪機(jī)葉片、螺栓、銷釘?shù)戎匾慵?。本文主要針?Cr11Mo1VNbN鋼極易出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象，通過研究淬火溫度、保溫時間對其力學(xué)性能、晶粒度的影響而制定出了合理的淬火工藝。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用截面尺寸為60 mm的退火態(tài)葉片毛坯鍛件，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分單位：wt%

表2 材料力學(xué)性能要求

1.2 試驗(yàn)方法

首先選用不同的奧氏體化溫度（1020℃、1040℃、1 060℃、1 080℃和1 100℃）對試塊進(jìn)行淬火處理，通過分析對比淬火溫度對2Cr11Mo1VNbN鋼力學(xué)性能和晶粒度的影響選取合理的淬火溫度。

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，為保證材料力學(xué)性能合格和晶粒度不易粗化，進(jìn)行降低溫度奧氏體化后再升溫至淬火溫度保溫后進(jìn)行淬火試驗(yàn)及在不同保溫時間試驗(yàn)，選取較為合理的奧氏體化溫度和保溫時間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 淬火溫度對性能及晶粒度的影響

為了研究淬火溫度對2Cr11Mo1VNbN鋼力學(xué)性能及微觀組織的影響，試驗(yàn)選用不同淬火溫度1 020℃、1 040℃、1 060℃、1 080℃和1 100℃淬火，并經(jīng)650℃×240 min回火后的室溫力學(xué)性能、高溫持久性能及晶粒度的變化如圖1～3所示。

圖2 淬火溫度對塑、韌性的影響

圖3 淬火溫度對高溫性能及晶粒度的影響

奧氏體是一種高溫相，奧氏體晶粒為了減小界面能，晶粒長大是一個自發(fā)過程，隨著淬火溫度的升高，晶粒呈現(xiàn)粗化趨勢，特別是淬火溫度達(dá)到1 100℃后2Cr11Mo1VNbN鋼的晶粒急劇粗化至1、2級水平。但不同溫度淬火后微觀組織變化不大，均為保持馬氏體位向分布的回火索氏體組織，如圖4～8所示。

圖4 1 020℃淬火組織（7級）

圖5 1 040℃淬火組織（8級）

圖6 1 060℃淬火組織（7級）

圖7 1 080℃淬火組織（6級）

圖8 1 100℃淬火組織 （2級）

隨著淬火溫度的升高，殘留碳化物的量減少，鋼中合金元素的固溶強(qiáng)化作用加強(qiáng)，另外奧氏體成分和淬火后組織均勻性增加，2Cr11Mo1VNbN鋼的室溫強(qiáng)度和硬度略有提高，但沖擊功卻由于淬火溫度升高導(dǎo)致的晶粒粗化而呈下降趨勢。

合金元素只有溶入基體才能發(fā)揮其作用，當(dāng)淬火溫度低于1 080℃時強(qiáng)碳化物不能充分溶解至奧氏體，導(dǎo)致鋼的淬透性降低而影響淬火效果。奧氏體化過程中碳化物溶解不充分，故在回火過程中析出彌散強(qiáng)化效果減弱，同時Mo2C在基體中的溶解度將直接影響材料的高溫持久性能，故淬火溫度低于1 080℃材料的高溫持久性能全不合格。

2.2 奧氏體化溫度對性能及晶粒度的影響

基于2.1試驗(yàn)結(jié)果，分別在960℃、990℃、1 020℃和1 050℃進(jìn)行基體奧氏體轉(zhuǎn)變，再升溫至1 080℃并保溫完成碳化物溶解后淬火，圖9～11為奧氏體化溫度對2Cr11Mo1VNbN鋼力學(xué)性能及晶粒度的影響。

圖9 奧氏體化溫度對強(qiáng)度硬度的影響

圖10 奧氏體化溫度對塑韌性的影響

圖11 奧氏體化溫度對高溫性能及晶粒度的影響

采用在960～1 050℃溫度區(qū)間完成基體奧氏體化，再升溫至1 080℃并保溫完成碳化物溶解的淬火工藝和直接升溫至1 080℃保溫后淬火試樣的力學(xué)性能基本相當(dāng)。降低奧氏體化溫度后由于Mo2C、VC等碳化物未溶解于奧氏體基體，作為第二相在奧氏體晶界上起到了釘扎作用，有效防止晶粒急劇長大。材料在1 020℃完成基體奧氏體化后升溫至1 080℃并保溫過程中VC、Mo2C充分溶解于基體將有助于材料高溫性能的提高和室溫強(qiáng)度、硬度的提升。

2.3 保溫時間對性能及晶粒度的影響

基于2.2試驗(yàn)結(jié)果，為了掌握材料在1 080℃保溫過程中由于第二相的溶解使釘扎作用減弱對晶粒長大的影響，采用在1 020℃保溫完成基體奧氏體轉(zhuǎn)變后升溫至1 080℃分別保溫15 min、30 min、45 min、60 min和90 min的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，圖12～14為保溫時間對2Cr11Mo1VNbN鋼力學(xué)性能及晶粒度的影響。

圖12 保溫時間對強(qiáng)度硬度的影響

圖13 保溫時間對塑韌性的影響

圖14 保溫時間對高溫性能及晶粒度的影響

2Cr11Mo1VNbN采用1 020℃完成奧氏體化并升溫至1 080℃保溫不同時間試驗(yàn)結(jié)果表明，其室溫強(qiáng)度、硬度和高溫持久性能相當(dāng)，根據(jù) “溶解越充分析出越充分”的原理，在1 080℃保溫15～90 min均可以完成VC、Mo2C等碳化物的溶解。但從晶粒度和沖擊功結(jié)果來看，隨著保溫時間的增加碳化物逐漸溶解于基體使其在晶界處的 “釘扎作用”降低甚至消失，呈現(xiàn)出晶粒緩慢長大和沖擊功下降的趨勢。

3 試驗(yàn)結(jié)論

（1）淬火溫度對晶粒尺寸有較大影響，當(dāng)淬火溫度達(dá)到1 100℃時晶粒發(fā)生長大，組織粗大，同時奧氏體化時間的增加會引起第二相的溶解使“釘扎作用”減弱也會導(dǎo)致晶粒長大。

（2）淬火溫度對2Cr11Mo1VNbN耐熱鋼力學(xué)性能影響顯著，隨著淬火溫度的升高，合金元素的固溶強(qiáng)化作用及回火后碳、氮化物的沉淀強(qiáng)化作用增強(qiáng)導(dǎo)致其室溫強(qiáng)度、硬度和高溫持久性能提升，但淬火溫度升高引起組織長大會導(dǎo)致沖擊功降低。

（3）2Cr11Mo1VNbN耐熱鋼采用1 020℃完成基體奧氏體化后升溫至1 080℃保溫30～60 min淬火工藝，并經(jīng)650℃回火后得到保持馬氏體位向分布的回火索氏體組織，具有較好的綜合力學(xué)性能。