铸态2.25Cr-1Mo-0.25V钢的第二相析出规律

赵广辉 安红萍 田香菊(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

加氢反应器是现代炼油工业的重大关键设备，该设备主要用于石油炼制或重质油的加氢裂化、加氢精制以及催化重整、脱硫、脱除重金属等工艺过程[1]。目前国内外新近发展起来的高温高压加氢反应器材料是添加钒的改进型Cr-Mo钢(2.25Cr-1Mo-0.25V)。该钢中加入了铬、钼、钒、铌、钛、硼等合金元素，加入这些元素的主要目的是产生固溶强化，获得它们的碳化物、氮化物或碳氮化物等析出物，产生弥散强化作用，从而提高钢的力学性能及抗氢脆、抗腐蚀等能力[2]。目前，国内外对2.25Cr-lMo-0.25V钢锻态组织中第二相规律行为已有研究：奥氏体化温度超过1 000℃，第二相溶解，钉扎晶界作用消失[3]；1 250℃×20 min固溶处理，900℃应变诱导析出[4]。为进一步研究2.25Cr-lMo-0.25V钢铸态组织的第二相行为机理，进行了铸态组织第二相的析出实验，为实际生产工艺的制定提供依据。

1 试验材料和方法

实验的材料是重量为234 t的2.25Cr-1Mo-0.25V解剖钢锭。其主要化学成分见表1。

表1 2．25Cr-lMo-0．25V钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of 2．25Cr-lMo-0．25V steel (mass faction，%)

将取下的材料制成尺寸为12 mm×12 mm×15 mm的试样，将试样放入KBF1 400箱式加热炉里，以30℃/s加热到1 250℃，保温90 min，以尽可能的溶解碳化物及碳氮化物粒子[4]，降温30 min到析出温度(析出温度分别为900℃、950℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃和1 150℃)，分别保温15 min、30 min、45 min，分别以油淬、水淬、10%盐水不同冷却介质淬火[6]。用试样砂纸打磨、金相试样抛光机PG-2D机械抛光后，用4%的硝酸酒精腐蚀。第二相析出实验过程示意图见图1。

图1 第二相析出实验过程示意图Figure 1 Schematic diagram of the experimental process of the second phase precipitation

2 实验结果与分析

2.1 淬火介质对第二相析出的影响

2.25Cr-1Mo-0.25V钢在连续冷却过程中，冷却速度大于 0.5℃/s 时，组织为粒状贝氏体组织[6]。在油淬、水淬、盐水淬中，油淬的冷却速度最小，最低为20℃/s[7]。试样的淬火组织都是

粒状贝氏体，且是下贝氏体。它是由铁素体和碳化物构成的复相组织，这种贝氏体铁素体的形态通常呈板条状，若干个平行排列的板条便构成一束[8]。随着冷却速度的增大，下贝氏体中碳化物少而弥散。盐水淬比油淬和水淬能更好的保持高温析出第二相的形貌特点，不受淬火过程中下贝氏体碳化物转化的影响。图2是1 050℃保温45 min后油淬、水淬、盐水淬的金相图片。图2中大而有灰色圆心、黑色圆边的是高温第二相，小的黑点是贝氏体碳化物。图2(a)中第二相比较杂乱，贝氏体中碳化物的析出多。图2(c)中高温析出的第二相清晰而明显。用Micro-image软件测量的第二相含量如图3所示。从图3可以看出，油淬的第二相百分数最多，盐水淬最少，亦表明连续冷却速度低时，冷却过程中存在碳化物的析出，影响测量高温析出第二相，所以应采用较大的冷却速率以保持高温第二相的形貌特点。

图2 1 050℃保温45 min后，不同冷却方式下的第二相形貌Figure 2 The second phase appearances under different quenching methods after holding for 45 min at 1 050℃

图3 1 050℃保温45 min后，不同冷却方式下的第二相体积含量百分数Figure 3 The volume content percentages of second phase under different quenching methods after holding for 45 min at 1 050℃

2.2 析出时间对第二相析出的影响

随着保温时间的延长，第二相析出颗粒长大，且析出物增多[9]。图4是1 050℃保温15 min、30 min、45 min后盐水淬的第二相图片。图4显示出，随着保温时间的延长，第二相聚集和长大。图4(c)保温时间最长，第二相含量多，且分布均匀。用Micro-image软件测量的第二相含量如图5所示，亦显示保温15 min第二相含量最少，保温45 min第二相含量最多，且其增长速率减缓。

2.3 析出温度对第二相析出的影响

温度越低，合金元素在基体中的溶解度越低，温度低从而使合金元素易于析出，易于第二相的析出。温度越高，扩散系数越大，扩散速率越快[10]，利于合金元素的析出和聚集。图6是900℃、950℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃、1 150℃保温45 min后盐水淬的第二相形貌图。随着温度的升高，第二相析出越来越少。

图4 1 050℃保温不同时间后，盐水淬的第二相形貌Figure 4 The second phase appearances under brine quenching after different holding times at 1 050℃

温度低析出第二相多且呈聚集态势。图6(f)中第二相含量少，且都很小。图6(a)中第二相多且呈大颗粒状。用Micro-image软件测第二相百分含量，如图7所示。随着温度的升高，第二相百分数呈下降趋势，析出温度为950℃和1 050℃时，第二相含量异常，推断是因为在950℃低温合金元素Cr易于C元素键合，从而大量析出第二相；在1 050℃有高温合金元素V，Ti易于C元素键合，从而大量析出第二相。

图5 1 050℃不同保温时间下的第二相体积含量百分数Figure 5 The volume content percentages of second phaseafter different holding times at 1 050℃

图6 不同析出温度下析出45 min后，盐水淬的第二相形貌Figure 6 The second phase appearances under brine quenching at different precipitation temperatures for 45 min

3 结论

(1)采用油淬、水淬、盐水淬，试样的淬火组织都是粒状贝氏体，且是下贝氏体，它是由铁素体和碳化物构成的复相组织。油淬的第二相百分数最多，盐水淬最少。连续冷却速度低时，冷却过程中存在碳化物的析出，影响测量高温析出第二相，所以应采用盐水淬以保持高温第二相的形貌特点。

(2)随着保温时间的延长，第二相析出颗粒长大，且析出物增多。保温15 min最少，保温45 min第二相含量最多，且其增长速率减缓。

图7 不同析出温度下析出45 min后，盐水淬的第二相体积含量百分数Figure 7 The volume content percentages of second phase under brine quenching at different precipitation temperatures for 45 min

(3)随着温度的升高，第二相百分数呈下降趋势。析出温度为950℃和1 050℃时，第二相含量异常，推断是因为在950℃低温合金元素Cr易于C元素键合，从而大量析出第二相；在1 050℃有高温合金元素V，Ti易于C元素键合，从而大量析出第二相。

[1] 肖福仁，等.3Cr-1Mo-1/4钢的组织与性能[J].钢铁,2001(10):47-50.

[2] S. G. Hong, K.B.Kang, C.G.Park.Strain-induced Precipitation of NbC in Nb and Nb-Ti Microalloyed HSLA Steels.Scripta Materialia 46(2002):163-168

[3] 周维海，王存宇，张文辉,等. 2.25Cr-1Mo-0.25V钢的晶粒长大规律[J].金属热处理,2005,30(11):35-37.

[4] 王存宇. 2.25Cr-1Mo-0.25V钢热变形行为及应变诱导析出规律的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2006.

[5] 焦永振. 铸态2.25Cr-1Mo-0.25V钢热变形过程中组织演变的研究[D].太原：太原科技大学，2012.

[6] 郭建. 2.25Cr-1Mo-0.25V钢的组织和性能[D].秦皇岛：燕山大学，2004.

[7] 蔡红.实用钢铁热处理手册[M].上海：上海科学教育出版社，1998:43-51.

[8] 胡光立，谢希文.钢的热处理[M].西安：西北工业大学出版社，1996:118-119.

[9] 范少强，杨善武，武会宾，等.多元微合金钢的应变诱导复合析出[J].北京科技大学学报,2003,25(5):415-417.

[10] 恒钧，等.材料科学基础[M].北京：北京工业大学出版社，2001:131-132.