亞溫淬火和模擬焊后熱處理對(duì)14Cr1Mo鋼組織及力學(xué)性能的影響

李少雨 沈 明 錢文濤 鄧 偉 許 波

(中航卓越鍛造(無(wú)錫)有限公司，江蘇214183)

14Cr1Mo屬于Cr-Mo系低合金耐熱鋼和抗氫鋼，具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、優(yōu)良的焊接性能和抗回火脆性，被廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)的臨氫設(shè)備制造。壓力容器在加工過(guò)程或加工完成后都要進(jìn)行焊后熱處理，以改善焊接區(qū)的顯微組織和力學(xué)性能，降低或消除焊接熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，預(yù)防遲滯裂紋的形成和擴(kuò)展，提高壓力容器焊接部位的可靠性和使用壽命。由于14Cr1Mo在壓力容器生產(chǎn)制造領(lǐng)域使用非常廣泛，且在制造過(guò)程中要進(jìn)行多次焊后熱處理，焊后熱處理的次數(shù)必然對(duì)材料的組織和力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了相關(guān)的研究[1-5]。本文通過(guò)研究不同模擬焊后熱處理制度對(duì)經(jīng)過(guò)常規(guī)熱處理工藝和亞溫淬火工藝的14Cr1Mo鋼鍛件組織和力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料采用電爐(EAF)+精煉爐(LF)+真空脫氣(VD)方式冶煉，對(duì)澆注鋼錠進(jìn)行退火、鍛造開(kāi)坯，并進(jìn)行下料、鍛造、軋制成環(huán)、鍛后熱處理等。從環(huán)件上制取樣環(huán)，并檢測(cè)鍛件化學(xué)成分，如表1所示。材料回火脆化敏感性系數(shù)J系數(shù)和X系數(shù)[1,4]分別按照公式(1)和公式(2)計(jì)算，可知鍛件實(shí)際回火脆化敏感性系數(shù)J=145.6，X=15.9。

回火脆化敏感性系數(shù)

X=(10P+5Sb+4Sn+As)×10-2

(1)

式中元素以×10-6代入，如0.01%應(yīng)以100代入。

J=(Mn+Si)×(P+Sn)×104

(2)

式中元素以質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)代入，如0.15%應(yīng)以0.15代入。

1.2 試驗(yàn)方法

14Cr1Mo材料的Ac1溫度約為750℃，Ac3溫度約為850℃，選擇略低于Ac3溫度的某一溫度作為亞溫淬火溫度，常規(guī)熱處理工藝淬火溫度參考熱處理相關(guān)手冊(cè)溫度范圍。將經(jīng)過(guò)鍛后熱處理的試樣環(huán)分割成多段等尺寸試樣，按照表2所示試驗(yàn)方案進(jìn)行常規(guī)熱處理和亞溫淬火處理，由于試樣尺寸相同，保溫時(shí)間均設(shè)定為2 h。并按GBT 228.1—2010測(cè)試材料的強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率等性能，按GBT 229—2007進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-20℃，按GBT 13298—2015分析各方案下的金相組織。

對(duì)按照表2中兩個(gè)方案處理的試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，并分別按照690℃±14℃保溫4 h進(jìn)行最小模擬焊后熱處理(Min. PWHT)，按照690℃±14℃保溫20 h進(jìn)行最大模擬焊后熱處理(Max. PWHT)，保溫結(jié)束后以50℃h冷卻至300℃出爐。

表1 14Cr1Mo鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 14Cr1Mo steel (mass fraction,%)

表2 14Cr1Mo鋼熱處理方案Table 2 Heat treatment schemes of 14Cr1Mo steel

表3 不同試驗(yàn)制度下14Cr1Mo力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 3 Test results of mechanical properties of 14Cr1Mo steel under different test systems

圖1 淬火+回火態(tài)試樣金相組織Figure 1 Metallographic structure of quenched and tempered samples

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

對(duì)經(jīng)過(guò)不同方案處理的試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果如表3所示。盡管兩種試驗(yàn)方案所得到的力學(xué)性均能滿足技術(shù)要求，但按照方案一只進(jìn)行930℃淬火水冷+720℃回火空冷的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最佳，斷后伸長(zhǎng)伸率較低，-20℃沖擊吸收能量很高，且有一定波動(dòng)。按照方案二在930℃水冷后增加一次亞溫淬火，材料的強(qiáng)度大幅降低，但塑性和-20℃下的沖擊穩(wěn)定性則有所提高，即經(jīng)過(guò)亞溫淬火處理，14Cr1Mo材料的綜合性能優(yōu)于常規(guī)熱處理狀態(tài)下的性能。

2.2 金相組織

圖1為14Cr1Mo材料按照兩種試驗(yàn)方案分別處理后的金相組織。由圖1可知，經(jīng)過(guò)930℃水冷+720℃空冷處理的試樣組織為粒狀貝氏體組織(見(jiàn)圖1a)，但經(jīng)過(guò)930℃水冷+830℃水冷+720℃空冷處理后的試樣組織為粒狀貝氏體+鐵素體組織(見(jiàn)圖1b)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 亞溫淬火對(duì)組織和性能的影響

根據(jù)表1和圖1結(jié)果可知，只進(jìn)行930℃水冷+720℃空冷的試樣強(qiáng)度較高，塑性較差，沖擊性能波動(dòng)稍大，組織為粒狀貝氏體組織，而增加亞溫淬火的試樣其強(qiáng)度有所降低，但塑性有所增加，且沖擊性能波動(dòng)較小，其組織為粒狀貝氏體+鐵素體組織。由于亞溫淬火是一種在Ac1和Ac3之間的兩相區(qū)淬火，其淬火后得到較多的鐵素體組織，而粒狀貝氏體的含量有所降低，使得材料的強(qiáng)度降低較大，塑性和沖擊韌性略有提高[6-8]。14Cr1Mo鋼的常規(guī)淬火處理在生產(chǎn)中已經(jīng)得到了應(yīng)用，但往往伴隨著回火脆性、低溫冷脆等問(wèn)題，特別是當(dāng)回火脆化敏感性參數(shù)J和X數(shù)值較高時(shí)，這種現(xiàn)象尤其明顯[1]。

圖2 常規(guī)熱處理后不同狀態(tài)試樣金相組織Figure 2 Microstructure of samples in different states after conventional heat treatment

圖3 亞溫淬火后不同狀態(tài)試樣金相組織Figure 3 Microstructure of samples in different states after intercritical quenching

3.2 模擬焊后熱處理對(duì)組織和性能的影響

根據(jù)表3結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)最小模擬焊后熱處理和最大模擬焊后熱處理，不管是經(jīng)過(guò)常規(guī)熱處理還是經(jīng)亞溫淬火處理，14Cr1Mo材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有所降低，斷后伸長(zhǎng)率略有增加，且模擬焊后熱處理溫度一定時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，材料的強(qiáng)度呈降低的趨勢(shì)，斷后伸長(zhǎng)率略有變化。但經(jīng)過(guò)常規(guī)熱處理的試樣，其沖擊吸收能量有所降低，且波動(dòng)較大，而經(jīng)過(guò)亞溫淬火處理的試樣，其沖擊吸收能量基本不變，且波動(dòng)較小，但結(jié)果都滿足技術(shù)要求。

圖2為進(jìn)行930℃水冷+720℃空冷處理及其最大模擬焊后熱處理、最小模擬焊后熱處理后的金相組織，圖3為進(jìn)行亞溫淬火處理及其最大模擬焊后熱處理和最小模擬焊后熱處理后的金相組織。由圖2可知，常規(guī)熱處理后的試樣經(jīng)過(guò)模擬焊后熱處理后，盡管14Cr1Mo材料組織仍為粒狀貝氏體組織，但晶界處界面能高，鋼中的合金元素以合金碳化物的形式析出，使晶界處的強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致其強(qiáng)度有所降低。由圖3可知，經(jīng)過(guò)亞溫淬火處理后再進(jìn)行不同程度的模擬焊后熱處理，材料中鐵素體含量基本不變，盡管基體組織為粒狀貝氏體組織，但由于其含量較常規(guī)熱處理狀態(tài)下的貝氏體含量少，盡管伴隨著合金碳化物的析出，但材料的強(qiáng)度、塑韌性對(duì)其敏感性較常規(guī)熱處理狀態(tài)已經(jīng)有較大的降低，這也是經(jīng)過(guò)不同保溫時(shí)間的模擬焊后熱處理，亞溫淬火后的試樣沖擊性能基本不變的主要原因[2-3,5]。

4 結(jié)論

(1)14Cr1Mo鋼經(jīng)過(guò)亞溫淬火處理，材料的強(qiáng)度比常規(guī)熱處理后的強(qiáng)度降低50 MPa左右，但其塑性和低溫沖擊韌性有所提高，且沖擊值波動(dòng)變小，材料的綜合力學(xué)性能優(yōu)于只進(jìn)行常規(guī)熱處理時(shí)的性能。

(2)常規(guī)熱處理時(shí)，14Cr1Mo材料為粒狀貝氏體組織，經(jīng)過(guò)亞溫淬火處理后，基體組織為粒狀貝氏體組織，但組織中含有大量的游離鐵素體。

(3)當(dāng)模擬焊后熱處理溫度一定時(shí)，14Cr1Mo材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度隨著模擬焊后熱處理保溫時(shí)間的延長(zhǎng)呈降低的趨勢(shì)，斷后伸長(zhǎng)率則略有變化。常規(guī)熱處理下的試樣經(jīng)過(guò)模擬焊后熱處理，沖擊吸收能量波動(dòng)較大，而亞溫淬火后的試樣經(jīng)模擬焊后熱處理，沖擊吸收能量波動(dòng)較小。