Nb對(duì)ZG1Cr10MoNiVNbN鋼的組織和性能的影響

劉俊峰　姜文勇　王晨　王麗萍　馮義成

摘要：為了研究Nb合金元素對(duì)ZG1Cr10MoNiVNbN牌號(hào)的耐熱耐腐蝕鋼組織和性能的影響，通過金相觀察、拉伸、沖擊試驗(yàn)和電化學(xué)腐蝕，得到Nb元素對(duì)此牌號(hào)鋼力學(xué)性能和耐腐蝕性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)Nb元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0?15%時(shí)，鋼中的板條狀組織更加細(xì)小，碳化物分布也更加均勻，在力學(xué)性能方面，Nb量為0?15%的鋼的屈服、抗拉強(qiáng)度為864?1、985?7.MPa，伸長(zhǎng)率和沖擊功分別為14?4%和26?9.J，在耐腐蝕性能方面，維頓電流密度和腐蝕電位分別為?3?125.4?E?7.A/cm?2，?-0?161.03?V。

關(guān)鍵詞：

Nb元素;顯微組織;力學(xué)性能;耐腐蝕性能

DOI：10.15938/j.jhust.2019.01.016

中圖分類號(hào)： TG174?4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2019）01-0099-04

Effect of Nb on the Microstructure and Properties?of ZG1Cr10MoNiVNbN Steel

LIU Jun?feng，JIANG Wen?yong，WANG Chen，WANG Li?ping，F(xiàn)ENG Yi?cheng

（School of Material Science and Engineering，Harbin University of Science and Technology， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to study the Nb alloy elements on ZG1Cr10MoNiVNbN brand of the influence of the microstructure and mechanical properties of heat resistant corrosion resisting steel， through metallographic observation， tensile， impact test and electrochemical corrosion， and get the Nb element to this grade of steel mechanical properties and corrosion resistance are studied?The results show that when the content of Nb element is 0?15%， the strip microstructure in the steel is finer and the carbide distribution is more uniform?The yield and tensile strength of the steel with Nb content of 0?15% were 864?1 and 985?7.MPa， the elongation at break and the impact work were 14?4% and 26?9.J，In corrosion resistance， written born current density and corrosion potential were?3?125.4?E?7.A/cm?2，?-0?161.03?V

Keywords：Nb element; microstructure; mechanical property; corrosion resistance

0引言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇，高效率的超超臨界發(fā)電技術(shù)在國際上開始廣泛地應(yīng)用，這使得超超臨界發(fā)電機(jī)組用耐熱鋼的研究和使用發(fā)展迅速，對(duì)其綜合性能要求也越來越高[1-3]。ZG1Cr10MoWVNbN 耐熱鋼是超超臨界汽輪機(jī)高溫用鑄鋼，主要用于超超臨界汽輪機(jī)高中壓汽缸、噴嘴和主汽閥等關(guān)鍵部件，工作溫度為600℃，工作壓力為 25.MPa[4-5]。ZG1Cr10MoWVNbN 耐熱鋼采用了Nb?V復(fù)合沉淀強(qiáng)化和W?Mo復(fù)合固溶強(qiáng)化，具有較好的熱強(qiáng)性能、抗高溫腐蝕和氧化性能[6-10]。國內(nèi)學(xué)者[11-13]研究了馬氏體/鐵素體材料長(zhǎng)時(shí)間在650℃溫度下強(qiáng)度降低的原因主要是馬氏體組織的回復(fù)與長(zhǎng)大，高溫條件下位錯(cuò)的消失，碳化物顆粒變大都會(huì)大大降低材料的高溫蠕變強(qiáng)度。劉俊亮、單愛黨[14]等闡述了12Cr?2?W?0?5?Mo?2?CoCuVN鋼的蠕變機(jī)理。石如星、包漢生等[15-16]研究了含Cr為9%～12%的鋼中δ-鐵素體的形成機(jī)理，為學(xué)者們以后研究材料提供了有利的依據(jù)。殷鳳仕等[17]研究了長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效后低碳和超低碳合金鋼的組織變化。譚舒平博士[18]為了得出一些關(guān)鍵的結(jié)論，系統(tǒng)地研究了S30432 鋼的強(qiáng)化機(jī)理。天津大學(xué)姜運(yùn)建博士[19]研究了對(duì)生產(chǎn)有指導(dǎo)意義的 P92 鋼焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)及對(duì)高溫壽命的影響。胡正飛等[20]研究了馬氏體耐熱鋼的蠕變壽命，為耐熱鋼材料在高溫工作環(huán)境下使用安全做出了貢獻(xiàn)。從目前耐熱鋼的研究中對(duì)ZG1Cr10MoNiVNbN鋼提升的性能并不高，不一定能滿足超超臨界機(jī)組中材料的強(qiáng)度需求，但是這些學(xué)者的探索研究為后來學(xué)者對(duì)新材料研究提供了基礎(chǔ)。本文以ZG1Cr10MoNiVNbN牌號(hào)的耐熱耐腐蝕鋼為基礎(chǔ)，研究了Nb元素的含量變化對(duì)此牌號(hào)鋼組織和性能的影響。

1試驗(yàn)材料及方法

1?1試樣的制備

本試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料主要為工業(yè)純鐵、釩鐵、鈮鐵、鉬鐵、硅鐵，微碳鉻，45號(hào)鋼，電解錳，鎳板，氮化鉻。

當(dāng)Nb為變量時(shí)，同樣其他合金元素為定量，Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0?05%、0?10%、0?15%、0?20%，按照所改變的元素含量計(jì)算后進(jìn)行配料，根據(jù)力學(xué)性能試樣采用澆注梅花試樣獲取，樹脂砂型制備梅花試樣，通過對(duì)配得成分材料進(jìn)行合理的熔融、澆鑄制得試樣。

1?2熱處理及金相試樣的制備

試樣制備后進(jìn)行熱處理，熱處理制度為淬火（油淬）+高溫回火（空冷），依據(jù)測(cè)定的相變點(diǎn)以及標(biāo)準(zhǔn)工藝并參考有關(guān)文獻(xiàn)，確定淬火溫度為?1.100?℃，回火溫度為680℃，其中淬火時(shí)間為2.h，回火2.h。

金相試樣為 10.mm×20.mm 圓柱，金相樣品用常規(guī)的機(jī)械研磨及拋光方法制備，依次用 400#、800#、?1.000?#、?1.500?#的水砂紙精磨，拋光液用Cr?2?O?3?水溶液，金相觀察先在光學(xué)金相顯微鏡上進(jìn)行，腐蝕液配制為10%硝酸水溶液或三氯化鐵飽和水溶液揩拭（用脫脂棉擦試樣表面）。

1?3組織觀察及力學(xué)性能試驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用OLYMPUS?GX71型金相顯微鏡，拍攝顯微組織照片。

拉伸測(cè)試按標(biāo)準(zhǔn) GB/T 228-2002進(jìn)行，測(cè)定抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率，拉伸試樣為圓棒尺寸及試樣，每組材料做3個(gè)拉伸試樣，沖擊試驗(yàn)根據(jù)GB/T18658-2002進(jìn)行，沖擊試樣為夏比V型缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1?4腐蝕性能試驗(yàn)

腐蝕性能測(cè)試方法為電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕試樣尺寸為35×30×30的長(zhǎng)方體試樣，用磨床磨平端面，2000 目砂紙磨平，超聲清洗吹干。采用武漢科斯特儀器CS電化學(xué)工作站，儀器型號(hào)為CS350273A 恒電位儀進(jìn)行電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中工作電極為制備的雙相不銹鋼試樣電極，輔助電極為鉑絲電極，參比電極為飽和甘汞電極。

試驗(yàn)腐蝕介質(zhì)為5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）氯化鈉溶液，試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，掃描速度為 10.mV/s。開路電位穩(wěn)定10.min后，相對(duì)開路電位200.mV開始掃描。當(dāng)電流密度達(dá)到時(shí)2?0.mA/cm?2停止。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

制得金相試樣后利用金相顯微鏡對(duì)其進(jìn)行拍照，觀察Nb元素含量對(duì)其組織的影響，圖1為不同Nb元素的金相組織照片，由圖1中的四組圖片可以看出在Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0?05%時(shí)，可以看到組織中有較大的析出相，且組織中的馬氏體板條較為粗大，此時(shí)的組織整體較為粗大;隨著Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0?05%增加到0?10%時(shí)，組織中較大的析出相已經(jīng)消失，形成的碳化物（NbC）能夠細(xì)化組織中的晶粒，組織中的碳化物顆粒也逐漸變得均勻;Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到0?15%時(shí)，鋼的組織得到明顯的細(xì)化，并且從圖中可以看出板條狀組織的位向從單一位向轉(zhuǎn)變?yōu)槎辔幌?，并且組織中的黑色碳化物也變得越來越細(xì)小，且分布越來與均勻;當(dāng)Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0?15%增加到0?20%時(shí)，板條狀索氏體反而變得粗大，黑色碳化物顆粒也變大，且索氏體的位向變得單一起來，通過以上觀察可以看出當(dāng)Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0?15%時(shí)，鋼的金相組織中板條狀索氏體較為細(xì)小，位向較多，黑色碳化物顆粒較小，所得到的組織較好。

在力學(xué)性能方面，不同Nb含量進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)所的測(cè)得數(shù)據(jù)及曲線如表1和圖2。

由表1和圖2可以看出，當(dāng)Nb元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為從0?05%增加到0?10%時(shí)，鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增加，伸長(zhǎng)率和沖吸收功有所增大，當(dāng)Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0?10%增加到0?15%時(shí)，此時(shí)鋼的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率有所降低，沖擊沖增加明顯。鈮合金元素以碳化物（NbC）的形式存在時(shí)，能夠細(xì)化晶粒，且由于其細(xì)化晶粒的作用，能夠提高鋼的沖擊韌性并降低其脆性轉(zhuǎn)變溫度，所以當(dāng)Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加時(shí)鋼的沖擊韌性增加。而當(dāng)Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到0?20%時(shí)，鋼的強(qiáng)度沒有變化，但伸長(zhǎng)率和沖擊功明顯下降，可以得到在0?20%Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)是鋼中產(chǎn)生的大的未熔相對(duì)鋼的力學(xué)性能有明顯的降低作用，所以Nb持續(xù)增加后反而鋼的力學(xué)性能有所下降。

所以綜合鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊功來比較，我們認(rèn)為在Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0?15%的時(shí)候鋼的綜合力學(xué)性能最佳。

在耐腐蝕方面，通過電化學(xué)腐蝕測(cè)得的極化曲線和擬合數(shù)據(jù)如圖3、表2所示。

從圖3中極化曲線和表2中擬合的數(shù)據(jù)可以得到，隨著Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，在Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0?05%增加到0?15%的時(shí)候，所擬合的極化電流數(shù)值成逐漸遞減的趨勢(shì)，所擬合的腐蝕電位越來越大，通過Nb形成的碳化物（NbC）能夠細(xì)化組織中的晶粒，使鋼的組織更加細(xì)小，從而增加了鋼的耐腐蝕性能，而隨著Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，組織中的Nb與C會(huì)形成（Nb，C）?XFe此類化合物，這種化合物要比NbC變得粗大，Nb所形成的碳化物變得粗大，導(dǎo)致了鋼耐腐蝕性能的下降。當(dāng)Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大至0?20%的時(shí)候，所得到的耐腐蝕性能反而下降，所以當(dāng)Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0?15%的時(shí)候得到的腐蝕性能最好。

3結(jié)論

Nb元素對(duì)鋼的組織和性能影響的規(guī)律如下：

1）在組織方面：當(dāng)Nb元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0?05增加到0?15%時(shí)，可以看到無論是組織中的板條狀馬氏體，還是分布在基體上的碳化物大小都有了明顯的細(xì)化，而隨著Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，鋼中的組織反而粗化，組織中出現(xiàn)了較長(zhǎng)的板條狀馬氏體。

2）在力學(xué)性能方面：隨著Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先上升后下降最后平緩上升，而對(duì)于沖擊功而言變化趨勢(shì)為先上升后下降，含Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0?15%的試樣為最大點(diǎn)，綜合分析可以得出結(jié)論，含Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0?15%的試樣綜合力學(xué)性能最好。

3）在耐腐蝕性能方面：根據(jù)不同Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)所測(cè)得的極化曲線得出的曲線特征值表明當(dāng)Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0?15%時(shí)，維頓電流密度為3?125.4×10?-7?A/cm?2，腐蝕電位為?-0?161.03?V，此時(shí)鋼的耐腐蝕性最好。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]戴佩琨，程鈞培?火力發(fā)電新技術(shù)發(fā)展[J].發(fā)電設(shè)備，2004（1）：1

[2]李君，吳少華，李振中?超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)是我國目前發(fā)展?jié)崈裘喊l(fā)電技術(shù)的優(yōu)先選擇[J]. 中國電力，2004，37（9）： 13

[3]陸燕蓀?從超臨界機(jī)組的發(fā)展透視研發(fā)新材料的緊迫性[J].發(fā)電設(shè)備，2006（3）：149

[4]李榮夫?超臨界汽輪機(jī)汽缸等鑄鋼件材料的選用[J].電站系統(tǒng)工程，2003，19（2）： 59

[5]楊富，李為民，任永寧?超臨界、超超臨界鍋爐用鋼[J].電力設(shè)備，2004，5（10）： 41

[6]SAWADAA K，OHBAB T， KUSHIMAA H， et al?Effect of Microstructure on Elastic Property at High Temperatures in Ferritic Heat Resistant Steels[J]. Materials Science and Engineering，2005A（ 394） ： 36

[7]CHAN?SEO J，SI?YEON B?Creep Rupture Life Andvariation of Micro?structure According to Aging Time and Creep Test Method[J]. Mater Sci Eng A，2007，449/451（ 25） ：155

[8]ABE F?Bainitic and Martensitic Creep?resistant Steels[J].Current O pinion in Solid State and Materials Science，2004，8（3/4）： 305

[9]HIROSE T ，SHIBA K，ANDO M ，et al?Joining Technologies of Reduced Activation Ferritic/martensitic Steel for Blanket Fabrication[J]. Fusion Engineering and Design，2006，81（1-7）： 645

[10]ZEMAN A ，DEBARBERIS L?Microstructural Analysis of Candidate Steels Pre?selected for New Advanced Reactor Systems[J].J Nuclear Mater，2007，362（2/3）： 259

[11]張紅軍， 周榮燦， 唐麗英，等?P92鋼650℃時(shí)效的組織性能研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2009（S1）：174

[12]肖東東， 劉立斌， 易丹青，等?T91鐵素體耐熱鋼相變行為和微觀組織研究[J]. 熱加工工藝， 2012， 41（22）：96

[13]岳增武， 李辛庚?噴丸處理提高奧氏體耐熱鋼抗氧化性能的研究及應(yīng)用[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)， 2013， 34（1）：157

[14]劉俊亮， 單愛黨?新型鐵素體耐熱鋼在650℃的蠕變特性及氧化行為[J]. 機(jī)械工程材料， 2012， 36（6）：52

[15]石如星， 劉正東， 張才明?P92耐熱鋼δ-鐵素體含量的熱力學(xué)計(jì)算與試驗(yàn)分析[J]. 鋼鐵， 2011， 46（11）：89

[16]包漢生， 傅萬堂， 程世長(zhǎng)，等?T122耐熱鋼中氮化硼（BN）化合物的探討[J]. 鋼鐵， 2005， 40（10）：68

[17]殷鳳仕， 劉志良， 薛冰，等?微量碳和氮對(duì)9%Cr耐熱鋼中第二相析出行為的影響[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào)， 2010， 30（4）：258

[18]譚舒平?成分和工藝對(duì)S30432鋼性能的影響及強(qiáng)化機(jī)理研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2009

[19]姜運(yùn)建?P92鋼焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)及對(duì)高溫壽命的影響研究[D]. 天津：天津大學(xué)， 2011

[20]張斌， 胡正飛?9Cr馬氏體耐熱鋼發(fā)展及其蠕變壽命預(yù)測(cè)[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào)， 2010， 22（1）：26