淬火温度对ZG1Cr10M oWVNbN耐热钢铸件组织和性能的影响

刘 越，傅 勇，张雅静

（东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819）

淬火温度对ZG1Cr10M oWVNbN耐热钢铸件组织和性能的影响

刘 越，傅 勇，张雅静

（东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819）

研究了淬火温度对ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢铸件微观组织和力学性能的影响，结果表明:淬火温度对强度和冲击功有较大影响，1 100℃前强度随淬火温度升高快速增加，1 100℃后冲击功随淬火温度升高迅速降低。经1 100℃×2 h空冷+730℃×3 h炉冷至300℃出炉空冷后得到保持马氏体位向分布的回火索氏体组织，具有较好的综合力学性能.

ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢;淬火温度;微观组织;晶粒尺寸;力学性能

随着能源危机和环境污染的加剧，高效率的超超临界（ultra－super critical，USC）发电技术在国际上开始广泛地应用，这使得超超临界发电机组用耐热钢的研究和使用发展迅速，对其综合性能要求也越来越高［1～3］.

ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢是超超临界汽轮机高温用铸钢，主要用于超超临界汽轮机高中压汽缸、喷嘴和主汽阀等关键部件，工作温度为600℃，工作压力为 25 MPa［4，5］.ZG1Cr10MoWVNbN 耐热钢采用了Nb－V复合沉淀强化和W－Mo复合固溶强化，具有较好的热强性能、抗高温腐蚀和氧化性能［6～10］.鉴于目前很少见到有关该材料的热处理工艺与组织和性能之间关系方面的详细资料，因此有必要对其进行系统的研究.本文重点探讨淬火温度对ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢铸件微观组织和力学性能的影响，为优化该材料的热处理工艺参数提供实验依据.

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为火电机组用ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢主汽阀铸件，化学成分见表1.冶炼方式为碱性电弧炉冶炼，钢包精炼.浇注温度约为1 560℃.

1.2 试验方法

为了研究淬火温度对ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢铸件微观组织和力学性能的影响，试验选用不同的奥氏体化温度对试块进行淬火处理，以获得不同的微观组织结构和力学性能.淬火工艺:加热至奥氏体化温度（1 040、1 070、1 100、1 130和1 160℃）保温2 h空冷淬火;回火工艺:730℃保温3 h，炉冷至300℃出炉空冷至室温.

表1 ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chem ical composition of ZG1Cr10MoWVNbN heat resistant steel（mass fraction） %

将热处理后的试样经磨平、抛光和腐蚀后在OLYMPUSGX51型倒置式金相显微镜上观察微观组织、晶粒尺寸.采用两种不同方法制备金相试样:（1）10%苦味酸水溶液+1.6 A电流电解腐蚀观察微观组织;（2）10%苦味酸水溶液+2.0 A电流电解腐蚀后再抛光观察晶粒尺寸.

在WE－600万能材料试验机上进行拉伸力学性能试验;在INSTRON－Dynatup 9250HV型落锤式冲击试验机上进行冲击试验;在HB－3000型布氏硬度试验机上进行硬度测试，其中所用压头为F5 mm，加载为250 kg.

2 实验结果与讨论

2.1 淬火温度对微观组织的影响

由 于 含 有 Cr、B 和 V 等 元 素，ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢具有良好的淬透性，空冷条件下就能获得完全的马氏体组织.另外还有W、Mo等元素，使得马氏体板条具有较好的高温回火抗性，在一定高温回火后，马氏体组织仍不会分解.

图1为不同淬火温度下的试验钢微观组织.可以看出，不同淬火温度下的微观组织变化不大，均为保持马氏体位向分布的回火索氏体组织.在1 040～1 100℃温度范围内，随着淬火温度的不断升高，奥氏体成分以及热处理后组织均匀性增加;当淬火温度进一步升高，奥氏体晶粒长大导致热处理后的组织粗大.

2.2 淬火温度对晶粒尺寸的影响

奥氏体是一种高温相，在连续的加热转变过程中，奥氏体化温度对奥氏体晶粒大小影响明显，而奥氏体晶粒的大小又对热处理冷却时的组织转变和热处理后钢的强度与韧性均有较大影响，因此奥氏体晶粒大小是衡量热处理工艺是否适当的重要指标之一.

图2为铸态试样经1 040～1 160℃不同温度淬火+730℃回火热处理后的奥氏体晶粒组织.可以看出，随着淬火温度的升高，奥氏体晶粒逐渐地长大.其中在1 040、1 070℃淬火时，原奥氏体晶粒尺寸细小均匀.随着淬火温度的升高，在1 100℃时，晶粒有所长大，但并未发生明显的异常长大.当温度升到1 130℃时，晶粒已经明显粗大，晶粒尺寸大小不均.表2为试样在不同温度淬火后的奥氏体晶粒度.

表2 不同淬火温度下的奥氏体晶粒度*Table 2 Austenite grain size at differentquenching tem perature

为了进一步研究分析奥氏体晶粒的长大行为，对不同温度淬火后的试样进行了TEM观察.图3为铸态试样经1 040、1 100、1 160℃ 淬火后的TEM照片，从中可以看出，随着淬火温度的升高，黑色针状M7C3碳化物数量逐渐变少，尺寸逐渐变小.可以看出，随着淬火温度的不断升高，M7C3碳化物颗粒不断的溶解，对奥氏体晶粒长大的阻碍作用逐渐减弱，奥氏体晶粒逐渐长大.

图3 不同温度淬火后的透射照片Fig.3 TEM picture under different quenching tem perature（a）—1 040℃;（b）—1 100℃;（c）—1 160℃

2.3 淬火温度对力学性能的影响

表3为不同淬火温度下试验钢的力学性能.可以看出，试验钢在1 040～1 160℃温度范围内淬火，其力学性能均能满足要求.其中屈服强度、抗拉强度以及冲击功受淬火温度变化的影响较大，而延伸率、截面收缩率以及硬度随淬火温度变化的影响较小.

试验钢的屈服强度、抗拉强度和冲击功与淬火温度之间的关系如图4所示.可以看出，在试验温度范围内，屈服强度、抗拉强度随淬火温度的升高而增加，冲击功随淬火温度的升高而降低.

表3 不同淬火温度下的力学性能Table 3 Mechanical properties at different quenching temperature

图4 淬火温度对屈服强度、抗拉强度和冲击功的影响Fig.4 Effect of quenching tem perature on yield strength，tensile strength and impact energy

在1 100℃之前，屈服强度、抗拉强度随淬火温度的升高快速增加，而在1 100℃后，其增幅明显减弱，基本上趋于稳定.冲击功随淬火温度的升高不断下降，其中以1 100℃到1130℃间下降幅度最大.当淬火温度高于1130℃后，冲击功降至最低，基本趋于稳定.

由此可知，随淬火温度的升高，残留碳化物的量减少，钢中合金元素的固溶强化作用加强，另外奥氏体成分和淬火后的组织均匀性增加，钢的强度能快速上升.但随着温度的升高，晶粒粗化以及残余奥氏体的增多，由此导致的强度下降会在很大程度上的抵消合金元素的固溶强化作用，因此强度增加幅度会大大减弱.钢的冲击功随淬火温度的变化趋势与强度正好相反，其中主要是因为淬火温度升高，晶粒长大所致.

3 结论

（1）ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢经1 100℃×2 h空冷+730℃ ×3 h炉冷至300℃出炉空冷后得到保持马氏体位向分布的回火索氏体组织，具有较好的综合力学性能.

（2）淬火温度对晶粒尺寸有较大影响.当淬火温度低于1 100℃时，晶粒细小均匀;当淬火温度高于1 100℃时，晶粒发生异常长大，组织粗大.

（3）淬火温度对力学性能的影响显著.1040～1 100℃范围内，随着淬火温度的升高，合金元素的固溶强化作用以及回火后碳氮化物的沉淀强化作用增强导致屈服强度、抗拉强度快速增加;1 100～1 160℃范围内，随着淬火温度的升高，晶粒长大、组织粗大导致冲击功快速降低.

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

LIU Yue，FU 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.

刘越 （1960—），男、辽宁沈阳人，东北大学教授，E－mail:dbdxfhcl@yahoo.cn.