淬火溫度對(duì)ZG1Cr10M oWVNbN耐熱鋼鑄件組織和性能的影響

劉 越，傅 勇，張雅靜

（東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819）

淬火溫度對(duì)ZG1Cr10M oWVNbN耐熱鋼鑄件組織和性能的影響

劉 越，傅 勇，張雅靜

（東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819）

研究了淬火溫度對(duì)ZG1Cr10MoWVNbN耐熱鋼鑄件微觀組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明:淬火溫度對(duì)強(qiáng)度和沖擊功有較大影響，1 100℃前強(qiáng)度隨淬火溫度升高快速增加，1 100℃后沖擊功隨淬火溫度升高迅速降低。經(jīng)1 100℃×2 h空冷+730℃×3 h爐冷至300℃出爐空冷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.

ZG1Cr10MoWVNbN耐熱鋼;淬火溫度;微觀組織;晶粒尺寸;力學(xué)性能

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇，高效率的超超臨界（ultra－super critical，USC）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］.鑒于目前很少見到有關(guān)該材料的熱處理工藝與組織和性能之間關(guān)系方面的詳細(xì)資料，因此有必要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的研究.本文重點(diǎn)探討淬火溫度對(duì)ZG1Cr10MoWVNbN耐熱鋼鑄件微觀組織和力學(xué)性能的影響，為優(yōu)化該材料的熱處理工藝參數(shù)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為火電機(jī)組用ZG1Cr10MoWVNbN耐熱鋼主汽閥鑄件，化學(xué)成分見表1.冶煉方式為堿性電弧爐冶煉，鋼包精煉.澆注溫度約為1 560℃.

1.2 試驗(yàn)方法

為了研究淬火溫度對(duì)ZG1Cr10MoWVNbN耐熱鋼鑄件微觀組織和力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)選用不同的奧氏體化溫度對(duì)試塊進(jìn)行淬火處理，以獲得不同的微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能.淬火工藝:加熱至奧氏體化溫度（1 040、1 070、1 100、1 130和1 160℃）保溫2 h空冷淬火;回火工藝:730℃保溫3 h，爐冷至300℃出爐空冷至室溫.

表1 ZG1Cr10MoWVNbN耐熱鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chem ical composition of ZG1Cr10MoWVNbN heat resistant steel（mass fraction） %

將熱處理后的試樣經(jīng)磨平、拋光和腐蝕后在OLYMPUSGX51型倒置式金相顯微鏡上觀察微觀組織、晶粒尺寸.采用兩種不同方法制備金相試樣:（1）10%苦味酸水溶液+1.6 A電流電解腐蝕觀察微觀組織;（2）10%苦味酸水溶液+2.0 A電流電解腐蝕后再拋光觀察晶粒尺寸.

在WE－600萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸力學(xué)性能試驗(yàn);在INSTRON－Dynatup 9250HV型落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn);在HB－3000型布氏硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行硬度測(cè)試，其中所用壓頭為F5 mm，加載為250 kg.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 淬火溫度對(duì)微觀組織的影響

由 于 含 有 Cr、B 和 V 等 元 素，ZG1Cr10MoWVNbN耐熱鋼具有良好的淬透性，空冷條件下就能獲得完全的馬氏體組織.另外還有W、Mo等元素，使得馬氏體板條具有較好的高溫回火抗性，在一定高溫回火后，馬氏體組織仍不會(huì)分解.

圖1為不同淬火溫度下的試驗(yàn)鋼微觀組織.可以看出，不同淬火溫度下的微觀組織變化不大，均為保持馬氏體位向分布的回火索氏體組織.在1 040～1 100℃溫度范圍內(nèi)，隨著淬火溫度的不斷升高，奧氏體成分以及熱處理后組織均勻性增加;當(dāng)淬火溫度進(jìn)一步升高，奧氏體晶粒長大導(dǎo)致熱處理后的組織粗大.

2.2 淬火溫度對(duì)晶粒尺寸的影響

奧氏體是一種高溫相，在連續(xù)的加熱轉(zhuǎn)變過程中，奧氏體化溫度對(duì)奧氏體晶粒大小影響明顯，而奧氏體晶粒的大小又對(duì)熱處理冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變和熱處理后鋼的強(qiáng)度與韌性均有較大影響，因此奧氏體晶粒大小是衡量熱處理工藝是否適當(dāng)?shù)闹匾笜?biāo)之一.

圖2為鑄態(tài)試樣經(jīng)1 040～1 160℃不同溫度淬火+730℃回火熱處理后的奧氏體晶粒組織.可以看出，隨著淬火溫度的升高，奧氏體晶粒逐漸地長大.其中在1 040、1 070℃淬火時(shí)，原奧氏體晶粒尺寸細(xì)小均勻.隨著淬火溫度的升高，在1 100℃時(shí)，晶粒有所長大，但并未發(fā)生明顯的異常長大.當(dāng)溫度升到1 130℃時(shí)，晶粒已經(jīng)明顯粗大，晶粒尺寸大小不均.表2為試樣在不同溫度淬火后的奧氏體晶粒度.

表2 不同淬火溫度下的奧氏體晶粒度*Table 2 Austenite grain size at differentquenching tem perature

為了進(jìn)一步研究分析奧氏體晶粒的長大行為，對(duì)不同溫度淬火后的試樣進(jìn)行了TEM觀察.圖3為鑄態(tài)試樣經(jīng)1 040、1 100、1 160℃ 淬火后的TEM照片，從中可以看出，隨著淬火溫度的升高，黑色針狀M7C3碳化物數(shù)量逐漸變少，尺寸逐漸變小.可以看出，隨著淬火溫度的不斷升高，M7C3碳化物顆粒不斷的溶解，對(duì)奧氏體晶粒長大的阻礙作用逐漸減弱，奧氏體晶粒逐漸長大.

圖3 不同溫度淬火后的透射照片F(xiàn)ig.3 TEM picture under different quenching tem perature（a）—1 040℃;（b）—1 100℃;（c）—1 160℃

2.3 淬火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

表3為不同淬火溫度下試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能.可以看出，試驗(yàn)鋼在1 040～1 160℃溫度范圍內(nèi)淬火，其力學(xué)性能均能滿足要求.其中屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及沖擊功受淬火溫度變化的影響較大，而延伸率、截面收縮率以及硬度隨淬火溫度變化的影響較小.

試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和沖擊功與淬火溫度之間的關(guān)系如圖4所示.可以看出，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度隨淬火溫度的升高而增加，沖擊功隨淬火溫度的升高而降低.

表3 不同淬火溫度下的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties at different quenching temperature

圖4 淬火溫度對(duì)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和沖擊功的影響Fig.4 Effect of quenching tem perature on yield strength，tensile strength and impact energy

在1 100℃之前，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度隨淬火溫度的升高快速增加，而在1 100℃后，其增幅明顯減弱，基本上趨于穩(wěn)定.沖擊功隨淬火溫度的升高不斷下降，其中以1 100℃到1130℃間下降幅度最大.當(dāng)淬火溫度高于1130℃后，沖擊功降至最低，基本趨于穩(wěn)定.

由此可知，隨淬火溫度的升高，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的組織均勻性增加，鋼的強(qiáng)度能快速上升.但隨著溫度的升高，晶粒粗化以及殘余奧氏體的增多，由此導(dǎo)致的強(qiáng)度下降會(huì)在很大程度上的抵消合金元素的固溶強(qiáng)化作用，因此強(qiáng)度增加幅度會(huì)大大減弱.鋼的沖擊功隨淬火溫度的變化趨勢(shì)與強(qiáng)度正好相反，其中主要是因?yàn)榇慊饻囟壬?，晶粒長大所致.

3 結(jié)論

（1）ZG1Cr10MoWVNbN耐熱鋼經(jīng)1 100℃×2 h空冷+730℃ ×3 h爐冷至300℃出爐空冷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.

（2）淬火溫度對(duì)晶粒尺寸有較大影響.當(dāng)淬火溫度低于1 100℃時(shí)，晶粒細(xì)小均勻;當(dāng)淬火溫度高于1 100℃時(shí)，晶粒發(fā)生異常長大，組織粗大.

（3）淬火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響顯著.1040～1 100℃范圍內(nèi)，隨著淬火溫度的升高，合金元素的固溶強(qiáng)化作用以及回火后碳氮化物的沉淀強(qiáng)化作用增強(qiáng)導(dǎo)致屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度快速增加;1 100～1 160℃范圍內(nèi)，隨著淬火溫度的升高，晶粒長大、組織粗大導(dǎo)致沖擊功快速降低.

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Effect of quenching tem perature on m icrostructure and properties of ZG1Cr10M oWVNbN heat－resistant steel

LIU Yue，F(xiàn)U Yong，ZHANG Ya-jing
（School of Materials＆Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

Effect ofquenching temperature onm icrostructure andmechanicalpropertiesof ZG1Cr10MoWVNbN heat－resistant steel were studied in this paper，experimental results indicate that the quenching temperature has great influence on mechanical properties.The intensity improved evidently before 1 100℃，else the impact energy declined evidently after 1 100℃.the tempered sorbite which keep the orientation of martensite can be obtained after quenching at1 100℃ for 2 h and cooling in air，tempering at730℃ for3 h and cooling in furnace，then cooling in air from 300 ℃ to room temperature，the comprehensive propertiesare well.

ZG1Cr10MoWVNbN heat－resistant steel;quenching temperature;m icrostructure;grain size;mechanical properties

TG 142.73

A

1671-6620（2011）04-0273-05

2011-09-20.

劉越 （1960—），男、遼寧沈陽人，東北大學(xué)教授，E－mail:dbdxfhcl@yahoo.cn.