回火溫度對(duì)12Cr2Mo1鋼鍛件力學(xué)性能的影響*

蒙 騫，史 偉,3，俄 馨,3，張 平,3，靳海軍

(1.蘭州蘭石檢測(cè)技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730314； 2.甘肅省機(jī)械裝備材料表征與安全評(píng)價(jià)工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730314；3.甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

12Cr2Mo1鋼是一種重要的工業(yè)用低合金鋼，主要用于承壓設(shè)備的制造，如核電設(shè)備、火電設(shè)備、壓力容器以及石化煉油行業(yè)的加氫反應(yīng)器等，由于承壓設(shè)備工作環(huán)境苛刻，需要在高溫高壓條件下服役， 因此要求其具有良好的力學(xué)性能，如具有較高的抗蠕變、抗氫蝕能力、同時(shí)又具有良好的力學(xué)性能和淬透性。試驗(yàn)通過(guò)研究不同回火溫度對(duì)12Cr2Mo1鋼鍛件顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，確定適宜的回火工藝，以期為該材質(zhì)的理論研究和實(shí)際生產(chǎn)提供借鑒。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用12Cr2Mo1鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.12C、0.005S、0.008P、0.02Si、0.45Mn、2.26Cr、0.08Ni、0.98Mo、0.09Cu。鍛件熱處理狀態(tài)為：正火+回火，拉伸試驗(yàn)采用HUT605A 型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，按照國(guó)標(biāo)GB/T229-2007要求制取沖擊試樣(10 mm×10 mm×55 mm)，用2602N-3金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，金相顯微鏡型號(hào)為GX51奧林巴斯倒置式金相顯微鏡。

各試樣淬火溫度均為910 ℃，保溫1.5 h，而回火溫度分別為0 ℃、680 ℃、695 ℃、710 ℃、725 ℃、740 ℃、755 ℃、77 ℃，保溫時(shí)間均為3h，模擬焊后熱處理溫度均為690 ℃，保溫時(shí)間為26 h。如表1所列。

表1 不同編號(hào)試樣回火熱處理工藝

表2是經(jīng)過(guò)不同回火熱處理工藝后力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，從測(cè)試數(shù)據(jù)分析，隨著回火溫度的提高，強(qiáng)度逐漸降低，塑性指標(biāo)變好，低溫沖擊功沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化，當(dāng)溫度超過(guò)740 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求值。塑性和韌性指標(biāo)沒(méi)有呈現(xiàn)較明顯的變化，均符合技術(shù)規(guī)范要求。圖1是不同回火溫度試樣的金相組織分析照片。

表2 不同回火工藝熱處理后力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖1 不同回火溫度試樣顯微組織

試樣經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕，放大倍數(shù)為500×，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#試樣顯微組織均為貝氏體回火組織。8#試樣為貝氏體回火組織+少量鐵素體。除了沒(méi)有經(jīng)過(guò)回火的1#試樣外，隨著回火溫度的增加，貝氏體的板條結(jié)構(gòu)逐漸消失，逐漸向粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變。

2 分析與討論

鉻鉬鋼回火的主要目的是使固溶體中析出細(xì)小而彌散的碳化物相起沉淀強(qiáng)化作用，并使不穩(wěn)定組織趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)使合金元素在α固溶體和碳化物之間合理分配，以便在鋼中進(jìn)一步發(fā)揮有益作用[1-2]。

1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#試樣的顯微組織為均勻的貝氏體回火組織，1#試樣沒(méi)有經(jīng)過(guò)回火而是淬火后直接進(jìn)行了模擬焊后熱處理，貝氏體鐵素體針比較尖銳，隨著回火溫度的增加，板條貝氏體的形態(tài)逐漸消失，貝氏體鐵素體針逐漸粗化、合并，并逐漸向粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變，這與其熱處理工藝是吻合的，但是8#試樣的顯微組織中出現(xiàn)少量的鐵素體，在淬火和模擬焊后熱處理的工藝相同的前提下，說(shuō)明8#試樣在770℃回火時(shí)回火溫度已經(jīng)達(dá)到了12Cr2Mo1鋼的相變溫度，顯微組織中析出了鐵素體，并在隨后的冷卻中保留了下來(lái)，因此12Cr2Mo1鋼的回火溫度不應(yīng)過(guò)高。

1#試樣沒(méi)有經(jīng)過(guò)回火，但是由于隨后進(jìn)行690℃×26 h模擬焊后熱處理。因此其力學(xué)性能相比較于2#、3#、4#試樣，其強(qiáng)度指標(biāo)略高，而塑性、韌性指標(biāo)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化，但在實(shí)際生產(chǎn)中是不允許淬火后不進(jìn)行回火的。5#、6#、7#、8#試樣由于回火溫度較高，強(qiáng)度指標(biāo)出現(xiàn)了明顯下降，6#、7#、8#試樣抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)要求值。所有試樣的塑性指標(biāo)、韌性指標(biāo)變化不大，均符合技術(shù)規(guī)范要求。NB/T 47008-2010《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)要求12Cr2Mo1鋼的回火溫度是680 ℃以上，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析在680～710 ℃內(nèi)回火，均能夠獲得良好的性能指標(biāo)，當(dāng)回火溫度過(guò)高時(shí)，強(qiáng)度指標(biāo)將會(huì)受影響低于標(biāo)準(zhǔn)要求值。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可知，熱處理制度對(duì)12Cr2Mo1鋼的性能有明顯的影響，只有采用合適的回火溫度，才能得到良好的綜合性能。

沒(méi)有經(jīng)過(guò)回火的1#試樣以及在不同溫度下回火的2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#試樣，回火組織均為貝氏體回火組織，其力學(xué)性能有所差異主要是由于碳化物在基體中分布狀態(tài)的不同所導(dǎo)致的[3-4]?；鼗饻囟容^高時(shí)，一方面碳氮化物析出粒子逐漸長(zhǎng)大，并粗化，貝氏體鐵素體基體內(nèi)碳化物析出，碳濃度進(jìn)一步降低，這些碳化物部分分布在鐵素體基體的邊沿，或者分布在原奧氏體的晶界[5]，在這種情況下位錯(cuò)開(kāi)始脫離析出物的釘扎，因而使位錯(cuò)強(qiáng)化、析出強(qiáng)化效果明顯減弱，同時(shí)貝氏體板條也逐漸粗化，板條之間發(fā)生合并，形成多邊形鐵素體，因此強(qiáng)度和硬度則隨之下降[6-7]。因此對(duì)于1#、2#、3#、4#、5#試樣而言，貝氏體板條的粗化及碳化物的析出長(zhǎng)大不明顯，其強(qiáng)度指標(biāo)是滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的，而對(duì)于6#、7#、8#試樣而言，由于回火溫度較高，碳化物的長(zhǎng)大及貝氏體板條的粗化，最終逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w，所以強(qiáng)度指標(biāo)技術(shù)規(guī)范要求。8#試樣由于回火溫度已經(jīng)高于相變溫度，顯微組織中析出鐵素體，但是由于鐵素體的含量較少，因此對(duì)強(qiáng)度的影響機(jī)理與6#、7#試樣是相同的，但如果析出的鐵素體數(shù)量過(guò)多，則會(huì)顯著影響到鋼的強(qiáng)度和沖擊功[8]。

而對(duì)于沖擊功而言，所有試樣的變化不是很明顯，均維持在300 J以上較高的水平上，這是由于隨著回火溫度的升高，板條狀貝氏體向粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變，均能夠得到好的沖擊韌性，但是如果回火溫度足夠高，保溫時(shí)間足夠長(zhǎng)，碳化物過(guò)度長(zhǎng)大或在原奧氏體晶界上析出的碳化物析出相較多的話(huà)，一方面容易導(dǎo)致在低溫情況下位錯(cuò)在較大碳化物前的位錯(cuò)塞積，導(dǎo)致低溫下的解離斷裂[9-10]，另一方面位錯(cuò)強(qiáng)化、析出強(qiáng)化效果明顯減弱[11]，這樣會(huì)嚴(yán)重惡化鋼的沖擊韌性，提高鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，使鋼回火脆性評(píng)定試驗(yàn)不合格，所以在選擇合適回火溫度的同時(shí)，應(yīng)該避免在回火時(shí)對(duì)12Cr2Mo1鋼的長(zhǎng)時(shí)間保溫。

3 結(jié) 論

通過(guò)研究不同回火溫度下12Cr2Mo1鋼鍛件的力學(xué)性能和顯微組織演變，分析了回火溫度對(duì)12Cr2Mo1鋼鍛件力學(xué)性能的影響規(guī)律，找出了12Cr2Mo1鋼鍛件適宜的回火溫度，得出了以下結(jié)論：

(1) 12Cr2Mo1鋼宜選擇在680℃-710℃的溫度區(qū)間進(jìn)行回火，這樣能夠獲得良好的力學(xué)性能。

(2) 12Cr2Mo1鋼在725℃-755℃的溫度區(qū)間進(jìn)行回火時(shí)，由于碳化物的析出長(zhǎng)大及貝氏體板條也逐漸粗化，板條之間發(fā)生合并，形成粒狀貝氏體，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求值。

(3) 12Cr2Mo1鋼在770℃左右回火時(shí)，由于回火溫度高于該鋼的相變溫度，其顯微組織中有鐵素體析出，鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯下降，低于標(biāo)準(zhǔn)要求值。