二次回火溫度對(duì)GX23CrMoV12-1耐熱鋼組織與力學(xué)性能的影響

李 林,馬 越,鮮 廣,范洪遠(yuǎn),孫 蘭,肖章玉,楊曉兵

(1.四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610065; 2.二重(德陽)重型裝備有限公司,四川 德陽 618013)

燃?xì)廨啓C(jī)是21世紀(jì)動(dòng)力設(shè)備的核心,被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”。燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用在發(fā)電、航空和船舶等重要領(lǐng)域。耐熱鋼是制備燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組鑄件的重要基礎(chǔ)材料。近些年,隨著燃?xì)廨啓C(jī)工作溫度的不斷提高,整機(jī)制造對(duì)耐熱鋼鑄件的性能提出了更高要求。為滿足燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的需求,開發(fā)新型高性能耐熱鋼[1-3]、優(yōu)化鑄件的鑄造工藝和熱處理工藝[4-6]及對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)零件進(jìn)行表面強(qiáng)化處理[7]成為燃?xì)廨啓C(jī)制造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

馬氏體耐熱鋼具有高的蠕變強(qiáng)度、耐蝕性和熱強(qiáng)性,是制備燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組鑄件的主要材料之一[8]。傳統(tǒng)馬氏體耐熱鋼主要以Cr13和9Cr-Mo-V系列鋼為主,但這類鋼的最高使用溫度一般不超過560 ℃,只能滿足亞臨界機(jī)組用鋼的使用要求[9-10]。根據(jù)鋼中合金成分的特點(diǎn),近幾十年馬氏體耐熱鋼已從第一代發(fā)展到了第四代,目前超臨界和超超臨界發(fā)電機(jī)組鑄件廣泛采用第三代馬氏體耐熱鋼[11-13]。

GX23CrMoV12-1鋼是我國在Cr12不銹鋼的基礎(chǔ)上研制而成,且已用于燃?xì)廨啓C(jī)核心鑄件的一種新型耐熱鋼,該鋼執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)EN 10213:2007《承壓鑄鋼件技術(shù)條件》,與標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16253—2019《承壓鋼鑄件》中的ZG23Cr12MoV鋼相當(dāng)。目前,該耐熱鋼鑄件采用的熱處理工藝為1050 ℃×4 h油冷淬火+740 ℃×6 h爐冷回火,盡管該工藝下獲得的力學(xué)性能可滿足燃?xì)廨啓C(jī)鑄件的使用要求,但在塑性指標(biāo)上并不富余[14-15]。而且有關(guān)該鋼的相關(guān)熱處理工藝與組織性能的研究報(bào)道較少。因此本文開展二次回火工藝對(duì)GX23CrMoV12-1耐熱鋼組織與力學(xué)性能影響的研究,探究鋼的微觀組織、強(qiáng)度、塑性和韌性與二次回火溫度之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為二重(德陽)重型裝備有限公司提供的某燃?xì)廨啓C(jī)鑄件用GX23CrMoV12-1耐熱鋼,一次回火態(tài)下材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為793和596 MPa,延伸率為18.3%,沖擊吸收能為46 J,化學(xué)成分見表1,微觀組織如圖1所示。

(a) OM;(b) SEM

表1 GX23CrMoV12-1耐熱鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

采用自制的高溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試材料從室溫至1150 ℃的線膨脹量,結(jié)果如圖2所示。在824 ℃時(shí)材料的線膨脹量出現(xiàn)逆勢(shì)下降,說明該溫度附近有相變發(fā)生,二次回火溫度需低于此溫度。本試驗(yàn)二次回火溫度分別設(shè)置為710、720、730和740 ℃,保溫6 h,冷卻方式為空冷。二次回火后將材料加工成φ10 mm×12 mm的金相試樣;按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》加工成55 mm×10 mm×10 mm的夏比V型缺口沖擊試樣;按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》加工成寬度為10 mm及厚度為2 mm的短比例片狀拉伸試樣。

圖2 GX23CrMoV12-1耐熱鋼在不同溫度下的線膨脹量Fig.2 Linear expansion of GX23CrMoV12-1 heat-resistant steel at different temperature

采用德國蔡司OLYMPUS GX51型倒置式金相顯微鏡觀察材料的顯微組織,采用日本電子JSM-IT500HR型掃描電子顯微鏡觀察材料的微觀組織結(jié)構(gòu),并利用電鏡附帶的OxFord能譜儀檢測(cè)微區(qū)組織的化學(xué)成分。采用德國布魯克D8 ADVANCE型X射線衍射儀分析材料的物相組成,靶材為Cu 靶,X射線波長(zhǎng)為0.15406 nm,工作電流和電壓分別為40 mA和40 kV,掃描速度2°/min,2θ范圍為30°～100°。采用RGM-4300電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的強(qiáng)度和塑性,采用HR-150A型洛氏硬度計(jì)檢測(cè)材料的硬度,采用JBW-300B型沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的沖擊吸收能,力學(xué)性能指標(biāo)均測(cè)量3次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 組織分析

圖3為GX23CrMoV12-1耐熱鋼經(jīng)二次回火處理后的顯微組織。從圖3可知,不同二次回火溫度下材料的組織與一次回火后的組織相同,均為細(xì)小的板條馬氏體,二次回火溫度對(duì)顯微組織無明顯影響。

(a) 710 ℃; (b) 720 ℃; (c) 730 ℃; (d) 740 ℃

圖4是GX23CrMoV12-1耐熱鋼分別在720 ℃和740 ℃溫度條件下二次回火處理后的微觀組織形貌。從圖4可知,馬氏體板條界、原奧氏體晶界處以及馬氏體板條內(nèi)均分布大量的點(diǎn)狀析出物。相比而言,原奧氏體晶界處的析出相連續(xù)分布呈鏈狀,且尺寸較大;馬氏體板條界面位置的析出相尺寸次之,馬氏體板條內(nèi)的析出相尺寸最小。通過EDS能譜檢測(cè)不同位置析出物和馬氏體板條組織的成分如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)析出物的主要組成元素為C和Cr,另還有少量V和Mo,說明這些析出相主要是碳化鉻及少量碳化釩和碳化鉬。A. Fedoseeva等人[16]的研究結(jié)果表明,面心立方結(jié)構(gòu)的MC(M為V、Ta、Nb)相主要在馬氏體板條內(nèi)析出,尺寸較小;復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)的M23C6(M為Cr、Fe、W)相主要在原奧氏體晶界和馬氏體板條界面位置析出,尺寸較大,尤其是原奧氏體晶界處的析出相尺寸最大,這與本試驗(yàn)結(jié)果相一致。相較于740 ℃二次回火,720 ℃二次回火處理后耐熱鋼組織中存在較多的大尺寸的析出相。圖5為GX23CrMoV12-1耐熱鋼在720 ℃和740 ℃溫度條件下二次回火處理后的XRD衍射圖。從圖5可知,二次回火處理后GX23CrMoV12-1耐熱鋼的衍射圖譜中只有α′相,未檢測(cè)到Cr23C6、Fe23C6、VC和Mo2C等碳化物析出相,這應(yīng)該是析出相的體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)太低所致。

(a) 720 ℃; (b) 740 ℃

圖5 不同二次回火溫度下GX23CrMoV12-1耐熱鋼的X射線衍射圖譜Fig.5 XRD patterns of GX23CrMoV12-1 heat-resistant steel at different secondary tempering temperatures

2.2 強(qiáng)度和塑性

圖6為GX23CrMoV12-1耐熱鋼經(jīng)二次回火處理后的強(qiáng)度和延伸率。從圖6可知,與一次回火后的抗拉強(qiáng)度值相比,二次回火后材料的抗拉強(qiáng)度大幅降低。隨著二次回火溫度的升高,抗拉強(qiáng)度呈緩慢下降趨勢(shì)。在710 ℃溫度條件下二次回火后材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大,為684 MPa。其屈服強(qiáng)度隨著二次回火溫度的升高呈先增大再降低的變化規(guī)律,730 ℃二次回火后的屈服強(qiáng)度最大,為415.1 MPa。與一次回火后材料的延伸率相比,二次回火后材料的延伸率并未出現(xiàn)增加,反而有所降低。在720 ℃溫度條件下出現(xiàn)了最低的延伸率,這可能與組織中存在較多的大尺寸的析出相有關(guān)。耐熱鋼的延伸率隨二次回火溫度的升高呈增加的趨勢(shì),在740 ℃溫度條件下延伸率最大,達(dá)到18.5%,說明在該溫度條件下二次回火后材料塑性最好。

圖6 二次回火處理后GX23CrMoV12-1耐熱鋼的強(qiáng)度和延伸率Fig.6 Strength and elongation rate of GX23CrMoV12-1 heat-resistant steel after secondary tempering treatment

2.3 硬度和韌性

圖7為GX23CrMoV12-1耐熱鋼經(jīng)二次回火處理后的硬度和沖擊吸收能。與一次回火后的硬度值相比,二次回火后材料的硬度明顯降低。隨著二次回火溫度的升高,硬度總體呈降低趨勢(shì),尤其是在二次回火溫度升高至740 ℃時(shí),材料的硬度大幅降低。二次回火后材料的沖擊吸收能較一次回火狀態(tài)材料的沖擊吸收能有大幅提高。其沖擊吸收能隨二次回火溫度的升高呈先降低后增大的趨勢(shì),720 ℃溫度條件下材料的沖擊韌性最低,沖擊吸收能為66 J;740 ℃溫度條件下材料的沖擊韌性最大,其沖擊吸收能為71.8 J。GX23CrMoV12-1耐熱鋼韌性的增加與馬氏體的回復(fù)和析出相的形態(tài)有關(guān)。二次回火后,由于馬氏體的回復(fù)大角度平均晶界密度增大,裂紋擴(kuò)展功增加[17-18];同時(shí)碳化物析出相的粗化和球化能夠降低裂紋的萌生和擴(kuò)展,因而韌性增加[19]。

圖7 二次回火處理后GX23CrMoV12-1耐熱鋼的硬度和沖擊吸收能Fig.7 Hardness and impact absorption energy of GX23CrMoV12-1 heat-resistant steel after secondary tempering treatment

3 結(jié)論

1)二次回火后GX23CrMoV12-1耐熱鋼的組織仍為細(xì)小板條馬氏體,原奧氏體晶界、馬氏體板條界和板條內(nèi)分布大量的第二相析出物。在720 ℃溫度條件下二次回火處理后,GX23CrMoV12-1耐熱鋼的原奧氏體晶界和晶內(nèi)出現(xiàn)了較多的粗大析出相。

2)相比一次回火,二次回火后GX23CrMoV12-1耐熱鋼的強(qiáng)度和硬度均大幅降低,延伸率也降低。隨著二次回火溫度從710 ℃升高至740 ℃,材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈緩慢下降趨勢(shì),延伸率呈增大趨勢(shì)。

3)二次回火后GX23CrMoV12-1耐熱鋼的沖擊韌性較一次回火狀態(tài)有顯著提升。在740 ℃溫度條件下二次回火后材料的沖擊吸收能高達(dá)71.8 J,較一次回火態(tài)提高56%。