冷卻速度對12Cr2Mo1鋼顯微組織和硬度的影響

王麗艷，李興東，黃 亮，馬新博(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司， 哈爾濱 150046)

12Cr2Mo1是一種貝氏體耐熱鋼，主要用于制造蒸汽溫度為510 ℃的汽輪機(jī)高中壓管道和導(dǎo)汽管，以及管壁溫度為550 ℃的過熱器管等[1]，是電力、石油化工等工業(yè)部門應(yīng)用于高溫條件下的重要材料[2-4]。它不僅具有良好的抗氧化性，還有較好的抗硫和抗氫腐蝕性能，并且合金元素含量少，具有較好的工藝性能和物理性能，在500～550 ℃使用時(shí)具有較好的熱強(qiáng)性[5-6]。當(dāng)使用溫度大于550 ℃時(shí)，其熱強(qiáng)性能顯著降低[7-9]。熱處理是改善耐熱鋼性能的一種常見的重要手段，其中冷卻速度是控制耐熱鋼微觀組織及力學(xué)性能的重要工藝參數(shù)[10]。本研究旨在通過分析不同冷卻速度對12Cr2Mo1鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響，探索出最佳的工藝參數(shù)，為12Cr2Mo1鋼的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)所選用的12Cr2Mo1鋼的主要化學(xué)成分如表1所示。采用的熱處理工藝是在10 min內(nèi)將材料加熱至980 ℃，保溫30 min后，分別以不同速度冷卻至室溫，冷卻速度分別為0.05 K/s、0.5 K/s、1 K/s、5 K/s、20 K/s和100 K/s。

表1 12Cr2Mo1鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

采用DIL805快速相變儀進(jìn)行相變試驗(yàn)，相變試樣為直徑4 mm，長度10 mm，表面粗糙度不高于1.6 μm的小圓柱。用Axiovert 40 MAT型倒置光學(xué)顯微鏡和德國蔡司SUPRA 55高能場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察12Cr2Mo1鋼的顯微組織。用HB3000型硬度計(jì)測試12Cr2Mo1鋼的維氏硬度，選用載荷為300 g，保載時(shí)間為15 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 12Cr2Mo1鋼熱處理熱膨脹試驗(yàn)

圖1為12Cr2Mo1鋼在10 min內(nèi)加熱至980 ℃，保溫30 min后，按照不同速度冷卻至室溫的相變曲線。從圖1(a)中可以看出，當(dāng)冷卻速度為0.05 K/s時(shí)，冷卻過程發(fā)生兩次相轉(zhuǎn)變，分別在680 ℃至800 ℃之間和350 ℃至433 ℃之間，這說明冷卻過程中先后發(fā)生了鐵素體析出和貝氏體轉(zhuǎn)變。當(dāng)冷卻速度大于0.5 K/s時(shí)，只發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，幾次試驗(yàn)的相變開始點(diǎn)均在400～500 ℃，為貝氏體轉(zhuǎn)變。

(a) 冷卻速度為0.05 K/s

(b) 冷卻速度為0.5 K/s

(c) 冷卻速度為1K/s

(d) 冷卻速度為5K/s

(e) 冷卻速度為20 K/s

圖1 12Cr2Mo1不同冷卻速度的相變曲線

2.2 12Cr2Mo1鋼熱處理后的組織

圖2為不同熱處理工藝處理后12Cr2Mo1鋼的金相組織圖。各種熱處理工藝過程中僅冷卻速度不同。從圖2中可以看出，隨著冷卻速度的增加，12Cr2Mo1鋼的金相組織中鐵素體的相對含量減少，珠光體的相對含量逐漸增加。當(dāng)冷卻速度大于1 K/s時(shí)，12Cr2Mo1鋼的金相組織主要由貝氏體組成。

(a) 冷卻速度為0.05 K/s

(b) 冷卻速度為0.5 K/s

(c) 冷卻速度為1 K/s

(b) 冷卻速度為0.5 K/s

(e) 冷卻速度為20 K/s

圖2 12Cr2Mo1鋼經(jīng)不同速度冷卻后的金相組織

圖3是12Cr2Mo1鋼經(jīng)不同速度冷卻后的掃描電鏡照片。以0.05 K/s冷卻到室溫的12Cr2Mo1鋼主要由鐵素體和粒狀貝氏體組成。隨著冷卻速度升高，鐵素體減少，貝氏體含量增加。當(dāng)冷卻速度為0.5 K/s時(shí)，組織主要為粒狀貝氏體；隨著冷卻速度增大，組織由粒狀貝氏體向板條狀貝氏體轉(zhuǎn)變，直至獲得全部下貝氏體組織。

(a) 冷卻速率為0.05 K/s

(b) 冷卻速率為0.5 K/s

(c) 冷卻速率為1 K/s

(d) 冷卻速率為 5K/s

(e) 冷卻速率為20 K/s

圖3 不同速度冷卻后12Cr2Mo1鋼的掃描電鏡照片

2.3 12Cr2Mo1鋼熱處理后的硬度

圖4是12Cr2Mo1鋼維氏硬度與冷卻速度之間的關(guān)系。可見，隨著冷卻速度的加快，12Cr2Mo1鋼的維氏硬度逐漸升高。隨著冷卻速度的增加，先析出的鐵素體逐漸減少消失，下貝氏體含量逐漸增加，同時(shí)顯微組織逐漸由粒狀貝氏體變?yōu)榘鍡l狀下貝氏體。由于下貝氏體是12Cr2Mo1鋼中的強(qiáng)化相，因此，粒狀貝氏體的減少和板條狀下貝氏體含量的增加，是其硬度一直增加的主要原因。

圖4 不同速度冷卻后12Cr2Mo1的維氏硬度

3 結(jié) 論

本文采用熱膨脹儀分析相變點(diǎn)的方法，對不同速度冷卻后12Cr2Mo1鋼的組織性能進(jìn)行了觀察研究，分析認(rèn)為隨著熱處理工藝中冷卻速度的增加，12Cr2Mo1鋼中鐵素體逐漸減少，貝氏體逐漸增加，同時(shí)組織形貌由粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀下貝氏體，并逐漸變粗。以上顯微組織的變化導(dǎo)致鋼的維氏硬度隨著冷卻速度的增加而一直升高。希望本文的工作能夠?yàn)?2Cr2Mo1鋼的工業(yè)熱處理工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。