回火溫度對F92耐熱鋼性能的影響

王炳正,賈娜娜,王旭明,李國洲,常富強,高大文

(1.蘭州蘭石集團有限公司鑄鍛分公司,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅省高端鑄鍛件工程技術研究中心,甘肅 蘭州 730000)

為降低燃料消耗和減少CO2排放,超超臨界機組(26 MPa/600 ℃)技術正在向更高的參數(shù)方向發(fā)展。但由于耐熱鋼使用溫度和高溫耐腐蝕性的制約,參數(shù)的進一步發(fā)展受到了一定限制。F92是一種新型的馬氏體型耐熱鋼,經(jīng)合金化改良后與其他鉻-鉬耐熱鋼相比,F92鋼的耐高溫腐蝕和氧化性能與9%Cr鋼相似,但材料的高溫強度和蠕變性能得到了進一步提高,具有優(yōu)良的導熱性、低的熱膨脹系數(shù)、良好的抗晶間腐蝕和抗應力腐蝕性能,是第二代超臨界機組(600 ℃/620 ℃/30 MPa)高溫部件優(yōu)良選材,主要用于超超臨界壓力鍋爐中的末級過熱器集箱、末級再熱器集箱的球形封頭和檢查孔管接頭等[1],具有明顯的經(jīng)濟性及實操性[2]。但是該材料所生產(chǎn)的產(chǎn)品,材料性能要求極高,因而對熱處理工藝的要求比較苛刻,在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)強度與沖擊韌性不能同時滿足性能要求指標。因此,本文研究不同的回火溫度對F92新型馬氏體耐熱鋼的微觀組織及力學性能的影響規(guī)律,以此提出最佳的熱處理工藝參數(shù),為F92鍛件產(chǎn)品性能的研究提供一定的理論指導。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗材料采用10 t EAF-AOD-VD-LF-模注的冶煉工藝路線,經(jīng)過50 MN快鍛壓機鍛造成直徑為φ500 mm的F92棒材,化學成分見表1。

表1 試驗用F92鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)

1.2 試驗方法

在F92鍛件靠近錠底端部截取尺寸為200 mm×200 mm×150 mm的三組試樣,試樣編號分別為1#、2#和3#。參考相關文獻可知:Arl=800 ℃,Ac3=900 ℃,Ms=300 ℃,Mf=120 ℃。通過繪制簡略CCT曲線得到F92鋼的正火溫度>950 ℃,為了符合標準ASME SA-182奧氏體化溫度為1040～1095 ℃,選擇1060 ℃作為正火溫度[3]?；鼗饻囟确謩e為730、740和750 ℃,具體熱處理工藝參數(shù)見表2。

表2 熱處理工藝參數(shù)

在不同試樣上切取金相、拉伸和沖擊試樣進行試驗[4]。將試樣機械磨拋后,用配比為5 g FeCl3+25 mL HCl+25 mL C2H5OH的混合溶液腐蝕,采用GX51光學金相顯微鏡進行金相組織觀察。根據(jù)標準GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》,采用600 kN微機控制電液伺服萬能試驗機進行拉伸試驗,每組2個試樣,取平均值。根據(jù)標準GB/T231．1—2018《金屬材料布氏硬度試驗第1部分:試驗方法》,采用FEM-8000顯微硬度計測試試樣的布氏硬度,每個試樣測試6個點,去掉最高值和最低值取平均值。根據(jù)標準GB/T 229—2020金屬材料《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》,各試樣截取3個橫向夏比V型缺口沖擊試樣,采用微機控制擺錘沖擊試驗機進行沖擊性能測試[5]。

2 結果與分析

2.1 回火溫度對金相組織的影響

F92鍛件熱處理后的金相組織如圖1所示。1#試樣為回火索氏體組織,2#試樣為保持馬氏體位向的細小回火索氏體,3#試樣為保持馬氏體位向的粗大回火索氏體,并且各試樣組織中均存在小黑點。對小黑點進行能譜分析(EDS),結果見圖2,小黑點主要為BN或硼化物。這是由于F92耐熱鋼成分中含有較高含量的Cr元素及少量的Mo、V、Nb和B等固溶強化元素和晶界強化元素,其會在晶內(nèi)彌散分布BN第二相以及在晶界析出B元素進行晶界強化[6-7]。

由圖1可知,隨著回火溫度的升高,索氏體中碳化物的形貌由點粒狀向片粒狀轉(zhuǎn)變[8-9],730 ℃回火后為正常的回火索氏體組織;740和750 ℃回火后在顆粒碳化物的基體上,馬氏體的輪廓清晰可見。這是由于F92耐熱鋼中合金含量高,高的合金含量提高了馬氏體的回火穩(wěn)定性,具體表現(xiàn)為馬氏體的分解溫度提高,碳化物不容易轉(zhuǎn)變和聚集長大,α基體的回復與再結晶溫度提高,因此經(jīng)過高溫回火后,回火索氏體仍能保留清晰的馬氏體位向[10-12]。

2.2 回火溫度對力學性能的影響

F92鍛件熱處理后的力學性能測試結果見表3。隨著回火溫度的升高,試樣硬度逐漸降低,沖擊性能和斷后伸長率逐漸增加。這是因為隨著回火溫度的升高,馬氏體的分解越充分,分解產(chǎn)物的長大越充分,回火后α-Fe中固溶的碳明顯減少[13],使得碳固溶強化作用大大減弱,從而表現(xiàn)為硬度降低、沖擊性能及斷后伸長率增加。隨著回火溫度升高,屈服強度與抗拉強度均呈先下降后上升的趨勢,且在730 ℃回火時強度最好。綜上所述,采用1060 ℃×2.5 h正火+750 ℃×2.5 h回火工藝,F92耐熱鋼可得到較好的綜合力學性能[14]。

表3 不同試樣的力學性能

3 總結

1)當回火溫度分別為730、740和750 ℃時,F92耐熱鋼的金相組織依次為回火索氏體、保持馬氏體位向的細小回火索氏體以及保持馬氏體位向的粗大回火索氏體組織。

2)當回火溫度在730～750 ℃范圍內(nèi),隨著回火溫度的升高,F92耐熱鋼的硬度下降較為明顯,沖擊韌性和斷后伸長率有所提高。

3)經(jīng)1060 ℃×2.5 h正火+750 ℃×2.5 h回火熱處理后,F92耐熱鋼具有較佳的強韌性配合。