汽轮机用Cr- Mo- V耐热钢的热处理

吴铁明

(上海宏钢电站设备铸锻有限公司，上海 200240)

Cr- Mo- V钢属于低合金耐热钢，目前上海宏钢电站设备铸锻有限公司生产的铸件中，此类材料一共有3种，分别是10315AP、ZG15Cr1Mo1V和ZG17Cr1Mo1V(G17CrMoV5- 10)。这3种材料来源于不同标准，虽然化学成分基本相同(见表1)，但热处理方式不同(见表2)，最终的性能要求也各异(见表3)。

表1 10315AP、ZG15Cr1Mo1V和ZG17Cr1Mo1V钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of the 10315AP, ZG15Cr1Mo1V and ZG17Cr1Mo1V steels (mass fraction) %

ZG15Cr1Mo1V钢若采用不同的热处理工艺，力学性能则差异较大(见表4)，尤其表现在冲击韧性上。

表2 10315AP、ZG15Cr1Mo1V和ZG17Cr1Mo1V钢的热处理工艺Table 2 Heat treatment processes of the 10315AP, ZG15Cr1Mo1V and ZG17Cr1Mo1V steels

表3 10315AP、ZG15Cr1Mo1V和ZG17Cr1Mo1V钢的力学性能要求Table 3 Mechanical properties requirements of the 10315AP, ZG15Cr1Mo1V and ZG17Cr1Mo1V steels

表4 ZG15Cr1Mo1V钢采用不同热处理工艺得到的力学性能Table 4 Mechanical properties of ZG15Cr1Mo1V steels under different heat treatment processes

2013年底宏钢发生了中压内缸(材料为10315AP)铸钢件总装前的泵水测试崩裂事故，为了分析事故原因，对试块和本体取样进行附加试验，结果显示，V型缺口试样的冲击吸收能量只有个位数(平均7 J)，材料组织中存在大量的块状铁素体(见图1)。

图1 中压内缸本体显微组织Fig.1 Microstructure of intermediate pressure inner casing

2016年某电厂的新型超临界汽轮机机组关键部件型号的高中压主调阀壳(材料为10315AP)运行半年后发生漏气，虽然最终查明原因，并非材料性能不满足标准，但在本体取样进行附加试验时，发现本体材料组织基本是铁素体与珠光体(见图2)。

上述两个案例充分说明：冲击韧性对材料的制造及使用都会产生很大影响。因此，本文主要研究了热处理工艺对Cr- Mo- V钢的显微组织和力学性能的影响，以期找出Cr- Mo- V钢的最佳热处理工艺。

1 试验材料与方法

试验选取了两块化学成分相差不大(见表5)的铸件本体试块A和B，材料牌号为10315AP。将两组试块均分成3等份，各获得3块尺寸约200 mm×90 mm×30 mm的小试块，分别标为A1、A2、A3、B1、B2、B3。两组共6件试块分别经不同方式的热处理，具体热处理工艺见表6。

图2 阀壳漏气处所取试样的显微组织Fig.2 Microstructures of the specimen taking from the leakage of valve

表5 铸件本体试块的化学成分Table 5 Chemical compositions of the test specimen taking from casting itself

表6 铸件本体试块的热处理工艺Table 6 Heat treatments of the test specimen taking from casting itself

2 试验结果

由表6可见，3种热处理的回火温度和时间都相同，主要差异在于回火前的正(淬)火方式。由表7可见，3种热处理工艺获得的抗拉强度基本相同，均在650～690 MPa。两次正火+回火试块的冲击吸收能量略高于一次正火+回火试块的，调质试块的冲击吸收能量最高，这在B组试块中更明显。

表7 铸件本体试块经不同工艺热处理后的力学性能Table 7 Mechanical properties of the test specimen from casting itself under different heat treatment processes

不同热处理的6件试块的显微组织基本相同，如图3所示，基本为先共析铁素体+贝氏体，铁素体基体上分布着细小的点球状碳化物，贝氏体则呈长条形或小块状，或聚集呈现，或散布在铁素体之间。但晶粒大小和相的相对含量等略有差异(见表8)。

图3 试样(a)A1、(b)A2、(c)A3、(d)B1、(e)B2、(f)B3的显微组织Fig.3 Microstructures of specimens (a) A1, (b) A2, (c) A3, (d) B1, (e) B2, (f) B3

表8 不同工艺热处理试样的显微组织特征统计Table 8 Statistical characteristics of microstructure of specimens with different heat treatments

根据10315AP钢的CCT曲线(见图4)，得出试验材料的Ar3温度为829 ℃左右，Ac3温度为881 ℃左右。因此结合本文试验结果，可得出：

(a)正火温度较高[1- 3]，晶粒度越大(一般正火温度取Ac3+30～50 ℃)。

(b)高温阶段冷速不足导致先共析铁素体的析出量较大。

上述3种材料10315AP、ZG15Cr1Mo1V和ZG17Cr1Mo1V的热处理工艺是否可以相互替代，一直存在着争议。标准对于工艺的指导作用固然十分重要，但是在已知有更为优越的热处理工艺而不能用，只得依循标准下的旧版工艺以至于材料无法跟上现今日益提高的性能需求。

图4 JMatPro软件计算得到10315AP材料的CCT曲线Fig.4 CCT curve of 10315AP material calculated by JMatPro software

这一方面需要标准制定者的与时俱进，另一方面同样需要工艺开发者能够突破过时标准的束缚，在保证产品性能的前提下进行工艺创新，使材料的性能得到更好的发挥。

3 结论

(1)10315AP钢经调质后获得了细小均匀的铁素体+贝氏体组织，综合性能最好，具有较高的屈强比和冲击韧性。

(2)晶粒度和组织均匀性是保证材料获得良好冲击性能的关键。

(3)从性能结果来看，10315AP、ZG15Cr1Mo1V、ZG17Cr1Mo1V(G17CrMoV5- 10)这3种材料的热处理方式是可以相互替换的，并在调质状态下可以获得最优的综合性能，不推荐使用1 050 ℃下的一次正火+回火工艺。

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