釩微合金化對(duì)12Cr2Mo1R厚板組織和性能的影響

(1.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110819；2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

0 引言

12Cr2Mo1R鋼由于具有非常好的高溫強(qiáng)度、高溫抗氧化性能和高溫抗氫腐蝕性能等[1-2]，而成為一種廣泛應(yīng)用在石油、電力、化工等能源行業(yè)核心壓力容器設(shè)備的材料[3-7]。能源生產(chǎn)設(shè)備的大型化和高參數(shù)化是未來能源行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)備的高參數(shù)化意味著設(shè)備需要在更高的工作溫度和更高的壓力下運(yùn)行。能源行業(yè)對(duì)設(shè)備的要求不斷提高，同時(shí)設(shè)備設(shè)計(jì)和制造單位對(duì)材料的性能也提出了更高的要求，具體包括提升12Cr2Mo1R厚板的室溫及高溫強(qiáng)度、同時(shí)盡量保證鋼板的低溫沖擊韌性不下降。

通常，在鋼中進(jìn)行Nb,V等的微合金化處理，可以通過固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)制，達(dá)到提升鋼板強(qiáng)度和韌性的效果。以前的工作，通過對(duì)Nb微合金化12Cr2Mo1R鋼板的組織和性能的研究[8]，已經(jīng)知道Nb微合金化后可以細(xì)化12Cr2Mo1R鋼的原奧氏體晶粒，從而提升12Cr2Mo1R鋼板的強(qiáng)度和韌性。

V改進(jìn)型12Cr2Mo1R鋼由于具有良好的力學(xué)性能，引起了廣泛的關(guān)注和研究。柳曾典等[9]曾對(duì)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器開發(fā)與制造中的一些問題進(jìn)行了探討。中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)及蘭石機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司使用V改進(jìn)型12Cr2Mo1R鋼鍛件制造了加氫反應(yīng)器[10-11]；中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司研制了V改進(jìn)型12Cr2Mo1R鋼鍛件產(chǎn)品[12]，并研究了該鋼種奧氏體晶粒長(zhǎng)大的規(guī)律[13]；李輝等[14]對(duì)該鋼的焊接性能和抗氫試驗(yàn)進(jìn)行了研究。縱觀已有的研究?jī)?nèi)容，有以下特點(diǎn)：(1)這些研究大多側(cè)重于V改進(jìn)型12Cr2Mo1R鋼鍛件產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用，而對(duì)于厚板產(chǎn)品研究較少；(2)對(duì)V改進(jìn)型鋼的應(yīng)用技術(shù)研究較多，而對(duì)V微合金化強(qiáng)韌化機(jī)理的研究較少。

本文主要通過向12Cr2Mo1R厚板中添加不同含量的V，研究不同V含量對(duì)12Cr2Mo1R厚板產(chǎn)品的微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，探討V微合金化12Cr2Mo1R鋼的強(qiáng)化和韌化機(jī)理。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 材料

在某公司制造的500 kg真空感應(yīng)爐冶煉V微合金化12Cr2Mo1R鋼，澆注成150 kg方錠，不同V含量鋼的熔煉成分見表1。將鋼錠軋制成厚度為50 mm的厚板，在920 ℃保溫4 h后，出爐水淬，在回火爐中回火處理，回火溫度720 ℃，回火保溫時(shí)間150 min，出爐后空冷。熱處理試驗(yàn)所用正火熱處理爐為溫度精度±10 ℃的RX4-48-11型高溫箱式電阻爐，回火熱處理爐為溫度精度±5 ℃的RX4-45-7箱式回火電阻爐。

表1 試驗(yàn)用鋼的熔煉成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》要求，從軋制態(tài)、淬火態(tài)及淬火+回火態(tài)鋼板上制備拉伸試樣，在淬火+回火態(tài)鋼板制取夏比沖擊試樣。按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，按GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。用LEICA MEF4A光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡(Carl Zeiss SMT EVO MA 25多功能掃描電子顯微鏡)進(jìn)行金相組織及析出相觀察。

維氏硬度試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備為日本生產(chǎn)的FV-700型號(hào)的維氏硬度計(jì)。硬度試驗(yàn)加載力10 kg，加載時(shí)間15 s。在每個(gè)試樣1/4厚度位置測(cè)量3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的維氏硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織觀察

圖1為不同V含量12Cr2Mo1R鋼板的光學(xué)金相顯微照片。從金相組織可以看出，不同V含量12Cr2Mo1R鋼板的金相組織類型均為回火貝氏體組織。圖1(a)的組織為不添加V時(shí)，12Cr2Mo1R鋼板的組織，其晶粒較為粗大，晶粒范圍為25～60 μm，碳化物析出相粗大。圖1(b)為添加0.15%V后鋼板的金相組織，與不加V鋼板相比，該金相組織的晶粒有所細(xì)化，晶粒范圍為20～50 μm，原奧氏體晶界(Prior Austenite Grain Boundaries，簡(jiǎn)稱PAGBs)與不含V鋼板相比更加明顯，且原奧氏體晶內(nèi)可見明顯的貝氏體板條束，析出相明顯增多且細(xì)小，分布在原奧氏體晶界和奧氏體晶內(nèi)的板條束之間。添加V含量為0.30%時(shí)(見圖1(c))，金相組織顯示原奧氏體晶粒比加0.15%V時(shí)更加細(xì)小，晶粒范圍約為10～40 μm；奧氏體晶內(nèi)貝氏體板條清晰，板條尺寸細(xì)化，析出相較多。當(dāng)V的添加量增大到0.45%時(shí)(見圖1(d))，鋼板的晶粒度又有長(zhǎng)大趨勢(shì)，晶粒范圍為25～65 μm，與添加V含量為0.15%和0.30%時(shí)相比，析出相數(shù)量有所減少。

(a)不添加V

(b)添加0.15%V

(c)添加0.30%V

(d)添加0.45%V

圖1 不同V含量12Cr2Mo1R鋼板的金相組織 500×

2.2 析出相觀察

通過掃描電鏡2 000倍的放大倍數(shù)進(jìn)一步觀察了不同V含量12Cr2Mo1R鋼板析出相的情況，如圖2所示?？梢钥闯觯患覸鋼和加V量為0.45%時(shí)析出相的數(shù)量和密度較小，而加V量為0.15%和0.30%時(shí)，析出相數(shù)量和密度較多，其中V含量為0.30%時(shí)，析出相的密度和數(shù)量最多。

(a)不添加V

(b)添加0.15%V

(c)添加0.30%V

(d)添加0.45%V

2.3 硬度試驗(yàn)

圖3示出不同V含量12Cr2Mo1R鋼板的維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 不同V含量12Cr2Mo1R鋼板的維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

從圖3可以看出，隨著V添加量不斷地增加，鋼板的HV10維氏硬度值在不斷地增大。不同V含量鋼板的3個(gè)維氏硬度數(shù)據(jù)較為均勻，但是，加V量為0.45%時(shí)，硬度數(shù)值的波動(dòng)范圍增大。

2.4 不同狀態(tài)鋼板的拉伸強(qiáng)度

2.4.1 軋制態(tài)鋼板的拉伸性能

如表2和圖4(a)所示，添加0.15%的V微合金化后，12Cr2Mo1R軋制態(tài)鋼板的屈服強(qiáng)度增加了184 MPa。隨著添加V含量增加到0.30%，軋制態(tài)鋼板的屈服強(qiáng)度比未添加V時(shí)增加了189 MPa；而添加0.45%V后，軋制態(tài)鋼板屈服強(qiáng)度比未添加V時(shí)增加了195 MPa。根據(jù)上述分析，隨著V含量增加，軋制態(tài)鋼板的屈服強(qiáng)度增加，但是V含量為0.15%時(shí)屈服強(qiáng)度的增加量與V含量為0.30%和0.45%時(shí)屈服強(qiáng)度的增加量差別很小，只有約10 MPa。

表2 不同V含量軋制態(tài)鋼板的常規(guī)拉伸性能

添加V元素后，軋制態(tài)鋼板的斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率均有所增加，但并沒有隨著V含量的進(jìn)一步增加而明顯提升。

2.4.2 淬火態(tài)鋼板的拉伸性能

如表3和圖4(b)所示，920 ℃淬火后，0.15%V微合金化鋼的屈服強(qiáng)度比未添加V的屈服強(qiáng)度下降了66 MPa；而添加0.30%V后，屈服強(qiáng)度與未合金化態(tài)的屈服強(qiáng)度相同;V含量增加到0.45%時(shí)，屈服強(qiáng)度又比未采用V微合金化時(shí)下降了43 MPa?？梢钥闯?，添加V后，未能提高920 ℃淬火態(tài)鋼板的屈服強(qiáng)度。

(a)軋制態(tài)

(b)淬火態(tài)

(c)QT態(tài)室溫拉伸

(d)QT態(tài)500 ℃高溫拉伸

圖4 不同V含量12Cr2Mo1R鋼板的拉伸性能

920 ℃淬火后，與不含V鋼板相比，隨著V含量的增加、鋼板的抗拉強(qiáng)度有所增加，V增加0.15%時(shí)，抗拉強(qiáng)度增加了73 MPa;添加0.30%V時(shí)，抗拉強(qiáng)度增加106 MPa;添加0.45%V時(shí)，抗拉強(qiáng)度增加了32 MPa。

隨著V元素的添加，淬火態(tài)鋼板的斷后伸長(zhǎng)率基本不變，斷面收縮率稍有下降。

2.4.3 回火態(tài)鋼板的常規(guī)拉伸性能

如表4和圖4(c)所示，加V量為0.15%的淬火+回火態(tài)(QT態(tài))鋼板的屈服強(qiáng)度比不加V時(shí)提高了69 MPa，抗拉強(qiáng)度提高了61 MPa；增加V含量到0.30%時(shí)，屈服強(qiáng)度比不加V時(shí)提高了135 MPa，抗拉強(qiáng)度提高了116 MPa；在增加V的含量到0.45%時(shí)，對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的提高，效果已經(jīng)不明顯，與加0.30%V時(shí)相比屈服強(qiáng)度僅提高了6 MPa，抗拉強(qiáng)度只提高了17 MPa。

表4 不同V含量回火態(tài)鋼板的常規(guī)拉伸性能

隨著V含量的增加，少量添加V元素時(shí)，回火態(tài)鋼板的斷后伸長(zhǎng)率呈逐漸下降趨勢(shì)，而當(dāng)加V量增加到0.45%時(shí)，鋼板的斷后伸長(zhǎng)率急劇下降到11%。隨著加V量的增加，斷面收縮率開始變化不大，在加V量達(dá)到0.45%時(shí)，急劇下降到39%。故鋼中V添加量為0.45%時(shí)，鋼板的塑性指標(biāo)惡化嚴(yán)重，其斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率已經(jīng)不能滿足工程用鋼的使用要求。

2.4.4 回火態(tài)鋼板的高溫拉伸性能

如表5 和圖4(d)所示，添加0.15%V，鋼板500 ℃高溫屈服強(qiáng)度比不加V鋼提高了39 MPa，抗拉強(qiáng)度提高了21 MPa，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的提高幅度不大；當(dāng)V含量增加到0.30%時(shí)，500 ℃高溫屈服強(qiáng)度比不加V鋼提高了84 MPa，高溫抗拉強(qiáng)度提高了64 MPa;當(dāng)V含量增加到0.45%時(shí)，500 ℃高溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度數(shù)值比V含量為0.30%時(shí)，分別提高了17 MPa和12 MPa，提高的強(qiáng)度非常有限。

表5 不同V含量回火態(tài)鋼板的500 ℃高溫拉伸性能

2.5 沖擊性能

如表6和圖5所示，隨著V含量的增加，鋼板的-60 ℃沖擊韌性逐漸升高，添加0.15%V后，鋼板的-60 ℃低溫沖擊性能比不含V時(shí)增加49 J;隨著V含量增加到0.30%，沖擊吸收能量KV2比添加0.15%V時(shí)增加了11 J，即加V量0.30%時(shí)，12Cr2Mo1R鋼的-60 ℃沖擊吸收能量比不加V鋼增加了60 J;當(dāng)繼續(xù)增加V含量到0.45%時(shí)，鋼板的沖擊吸收能量?jī)H比V含量為0.30%時(shí)增加了3 J。圖5中沖擊吸收能量平均值直線的斜率隨著V含量的增加而逐漸減小，也說明了這一點(diǎn)。上述結(jié)果表明，當(dāng)12Cr2Mo1R鋼板中的V含量增加到一定程度時(shí)，隨著V含量的增加，其低溫沖擊性能不再大幅度增加，此時(shí)，多余的V含量對(duì)提升鋼板的低溫韌性不起作用。

表6 不同V含量回火態(tài)鋼板的-60 ℃低溫沖擊性能

圖5 不同V含量12Cr2Mo1R鋼板的-60 ℃低溫沖擊性能

結(jié)合V含量對(duì)12Cr2Mo1R鋼板的拉伸性能的影響規(guī)律，可以確定，合適的V的添加量約為0.30%。

2.6 沖擊試樣斷口觀察

不同V含量的12Cr2Mo1R鋼板的-60 ℃低溫沖擊試樣斷口形貌見圖6?？梢钥闯觯?個(gè)鋼板低溫沖擊式樣的斷口都是韌性斷裂。加V鋼的斷口主要由韌窩組成，其中V含量為0.45%的鋼的沖擊斷口出現(xiàn)了較大的韌窩，這可能是由于較大的晶粒存在而形成的。在不加V鋼的斷口中，可見一些解理斷口形貌。

(a)不添加V

(b)添加0.15%V

(c)添加0.30%V

(d)添加0.45%V

圖6 不同V含量12Cr2Mo1R鋼板的-60 ℃低溫沖擊試樣斷口形貌

3 討論

3.1 V微合金化對(duì)12Cr2Mo1R鋼板的微觀組織影響

根據(jù)金相觀察結(jié)果(見圖1)和SEM觀察結(jié)果(見圖2)，添加V元素后，12Cr2Mo1R鋼板的組織類型仍然為回火貝氏體組織。在鋼板正火熱處理時(shí)，部分V元素會(huì)固溶于奧氏體晶粒中，從而一定程度上提高了鋼板的淬透性，與不加V鋼相比，添加V元素后，鋼板組織中回火貝氏體板條細(xì)化。12Cr2Mo1R鋼中添加V進(jìn)行微合金化后，部分V會(huì)與鋼中的C元素結(jié)合生成VC析出相，使原奧氏體晶粒度有所細(xì)化，但是晶粒細(xì)化的效果沒有添加Nb元素后細(xì)化效果明顯?；鼗鹭愂象w板條細(xì)化和奧氏體晶粒的細(xì)化對(duì)提高鋼板的強(qiáng)度和韌性都是有利的。隨著12Cr2Mo1R中添加的V含量增加到0.45%，鋼板的奧氏體晶粒反而出現(xiàn)了一定程度的增大，這可能與鋼中的析出相粗大化有關(guān)。圖3中，添加0.45%含量的V鋼板的維氏硬度波動(dòng)較大，可能也是奧氏體晶粒粗大化造成的。從圖6(d)斷口觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)了大的斷裂韌窩，也反映出鋼板中確實(shí)出現(xiàn)了較大的奧氏體晶粒。

3.2 V微合金化對(duì)12Cr2Mo1R鋼板的析出相的影響

V是一種強(qiáng)碳化物形成元素[15]，極易與鋼中的C元素結(jié)合生成VC析出相。V元素也可以與鋼中的N元素結(jié)合形成VN析出相，或者同時(shí)與C和N結(jié)合形成V(CN)析出相。由于本試驗(yàn)中使用的12Cr2Mo1R鋼中N元素含量極少，所以鋼中形成的主要析出相是VC，而不會(huì)形成含N的析出相。

由金相試驗(yàn)結(jié)果(見圖1)和SEM試驗(yàn)結(jié)果(見圖2)可知，含V鋼的析出相的尺寸得到了細(xì)化，析出相的數(shù)量和密度呈現(xiàn)出先增加、后減小的規(guī)律，即在添加0.15%V和0.30%V時(shí)，鋼板中的析出相的數(shù)量和密度增加明顯，當(dāng)V含量增加到0.45%時(shí)，鋼板中的析出相數(shù)量和密度出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。這個(gè)現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是：鋼中添加V元素以后，鋼板中就存在著Fe,Cr,Mo和V四種碳化物形成元素，F(xiàn)e元素可以與C元素形成M3C和M23C6析出相，Cr元素的含量較大，其形成的析出相類型為M7C3，V元素則可以形成MC型析出相。而鋼中的C含量是一定的，在Fe，Cr元素與C元素結(jié)合形成析出相以后，鋼中能與V元素結(jié)合形成VC的C含量是有限的。在添加0.45%的V時(shí)鋼中已經(jīng)沒有足夠的C與V結(jié)合，此時(shí)，多余的V元素可能會(huì)溶解于其他析出相(例如M23C6)中，促進(jìn)其他碳化物的長(zhǎng)大，而使得析出相的數(shù)量和密度減小，但是析出相尺寸增加。而析出相粗化后，其釘扎奧氏體長(zhǎng)大的作用會(huì)被明顯削弱，最終導(dǎo)致部分晶粒粗化。

3.3 V微合金化對(duì)12Cr2Mo1R鋼板的力學(xué)性能的影響

鋼中添加V元素后，回火態(tài)鋼板的常規(guī)拉伸性能和500 ℃高溫拉伸性能，包括屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)，但是當(dāng)加V量超過0.30%以后，鋼板的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增加的量非常有限，鋼板的硬度試驗(yàn)也再次驗(yàn)證了這個(gè)變化規(guī)律。當(dāng)V添加量為0.45%時(shí)，回火態(tài)鋼板的斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率都出現(xiàn)了斷崖式下跌。這種情況出現(xiàn)的主要原因可能是V添加過量后，析出相粗大和晶粒變大造成的，對(duì)添加V含量為0.45%的鋼板沖擊試樣斷口觀察時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了晶粒粗大形成的尺寸較大的韌窩結(jié)構(gòu)。

鋼中添加V元素后，鋼板的-60 ℃低溫沖擊性能呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)，與強(qiáng)度變化規(guī)律類似，加V量超過0.45%后，鋼板的低溫韌性提升幅度已經(jīng)很小。

綜上所述，12Cr2Mo1R鋼板添加V元素后，鋼板的強(qiáng)度和韌性都可得到一定程度的提升，考慮鋼板的綜合性能，最佳的V添加量為0.30%。

4 結(jié)論

(1)通過V微合金化，可以提高12Cr2Mo1R鋼板的室溫拉伸強(qiáng)度、高溫拉伸強(qiáng)度以及鋼板的低溫沖擊性能。鋼板的組織仍然是回火貝氏體組織，析出相數(shù)量和密度均比不添加V鋼有所增加，析出相尺寸細(xì)化。

(2)12Cr2Mo1R鋼中合適的V的添加量為0.30%。添加0.30%的V微合金化后，回火態(tài)V改進(jìn)型鋼的常規(guī)拉伸性能屈服強(qiáng)度可以提高約135 MPa，抗拉強(qiáng)度提高116 MPa；500 ℃高溫屈服強(qiáng)度提高84 MPa，抗拉強(qiáng)度提高64 MPa；-60 ℃低溫沖擊韌性提高60 J。

(3)V改進(jìn)型12Cr2Mo1R鋼的強(qiáng)韌化機(jī)理是析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化，其中，析出相數(shù)量增加以及析出相的細(xì)小化和彌散化是鋼板強(qiáng)度和韌性提高的最主要原因。