淬火工艺对2Cr11Mo1VNbN钢性能及组织的影响

2018-11-02梁刚黄有为钟杰王虹武彦荣石联峰向冲

东方汽轮机 2018年3期

梁刚，黄有为，钟杰，王虹，武彦荣，石联峰，向冲

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

0 引言

2Cr11Mo1VNbN钢是在Cr12型钢基础上为了强化加入了Mo、V、Nb、N等合金元素发展起来的马氏体型耐热钢，是目前12%Cr系耐热钢中性能最好的钢种之一。由于其优良的综合力学性能，较好的抗氧化性能和抗腐蚀性能而被用于汽轮机叶片、螺栓、销钉等重要零件。本文主要针对2Cr11Mo1VNbN钢极易出现晶粒粗大现象，通过研究淬火温度、保温时间对其力学性能、晶粒度的影响而制定出了合理的淬火工艺。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料选用截面尺寸为60 mm的退火态叶片毛坯锻件，其化学成分如表1所示。

表1 试验材料化学成分单位：wt%

表2 材料力学性能要求

1.2 试验方法

首先选用不同的奥氏体化温度（1020℃、1040℃、1 060℃、1 080℃和1 100℃）对试块进行淬火处理，通过分析对比淬火温度对2Cr11Mo1VNbN钢力学性能和晶粒度的影响选取合理的淬火温度。

基于上述试验结果，为保证材料力学性能合格和晶粒度不易粗化，进行降低温度奥氏体化后再升温至淬火温度保温后进行淬火试验及在不同保温时间试验，选取较为合理的奥氏体化温度和保温时间。

2 试验结果与讨论

2.1 淬火温度对性能及晶粒度的影响

为了研究淬火温度对2Cr11Mo1VNbN钢力学性能及微观组织的影响，试验选用不同淬火温度1 020℃、1 040℃、1 060℃、1 080℃和1 100℃淬火，并经650℃×240 min回火后的室温力学性能、高温持久性能及晶粒度的变化如图1～3所示。

图2 淬火温度对塑、韧性的影响

图3 淬火温度对高温性能及晶粒度的影响

奥氏体是一种高温相，奥氏体晶粒为了减小界面能，晶粒长大是一个自发过程，随着淬火温度的升高，晶粒呈现粗化趋势，特别是淬火温度达到1 100℃后2Cr11Mo1VNbN钢的晶粒急剧粗化至1、2级水平。但不同温度淬火后微观组织变化不大，均为保持马氏体位向分布的回火索氏体组织，如图4～8所示。

图4 1 020℃淬火组织（7级）

图5 1 040℃淬火组织（8级）

图6 1 060℃淬火组织（7级）

图7 1 080℃淬火组织（6级）

图8 1 100℃淬火组织（2级）

随着淬火温度的升高，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组织均匀性增加，2Cr11Mo1VNbN钢的室温强度和硬度略有提高，但冲击功却由于淬火温度升高导致的晶粒粗化而呈下降趋势。

合金元素只有溶入基体才能发挥其作用，当淬火温度低于1 080℃时强碳化物不能充分溶解至奥氏体，导致钢的淬透性降低而影响淬火效果。奥氏体化过程中碳化物溶解不充分，故在回火过程中析出弥散强化效果减弱，同时Mo2C在基体中的溶解度将直接影响材料的高温持久性能，故淬火温度低于1 080℃材料的高温持久性能全不合格。

2.2 奥氏体化温度对性能及晶粒度的影响

基于2.1试验结果，分别在960℃、990℃、1 020℃和1 050℃进行基体奥氏体转变，再升温至1 080℃并保温完成碳化物溶解后淬火，图9～11为奥氏体化温度对2Cr11Mo1VNbN钢力学性能及晶粒度的影响。

图9 奥氏体化温度对强度硬度的影响

图10 奥氏体化温度对塑韧性的影响

图11 奥氏体化温度对高温性能及晶粒度的影响

采用在960～1 050℃温度区间完成基体奥氏体化，再升温至1 080℃并保温完成碳化物溶解的淬火工艺和直接升温至1 080℃保温后淬火试样的力学性能基本相当。降低奥氏体化温度后由于Mo2C、VC等碳化物未溶解于奥氏体基体，作为第二相在奥氏体晶界上起到了钉扎作用，有效防止晶粒急剧长大。材料在1 020℃完成基体奥氏体化后升温至1 080℃并保温过程中VC、Mo2C充分溶解于基体将有助于材料高温性能的提高和室温强度、硬度的提升。

2.3 保温时间对性能及晶粒度的影响

基于2.2试验结果，为了掌握材料在1 080℃保温过程中由于第二相的溶解使钉扎作用减弱对晶粒长大的影响，采用在1 020℃保温完成基体奥氏体转变后升温至1 080℃分别保温15 min、30 min、45 min、60 min和90 min的参数进行试验，图12～14为保温时间对2Cr11Mo1VNbN钢力学性能及晶粒度的影响。

图12 保温时间对强度硬度的影响

图13 保温时间对塑韧性的影响

图14 保温时间对高温性能及晶粒度的影响

2Cr11Mo1VNbN采用1 020℃完成奥氏体化并升温至1 080℃保温不同时间试验结果表明，其室温强度、硬度和高温持久性能相当，根据 “溶解越充分析出越充分”的原理，在1 080℃保温15～90 min均可以完成VC、Mo2C等碳化物的溶解。但从晶粒度和冲击功结果来看，随着保温时间的增加碳化物逐渐溶解于基体使其在晶界处的 “钉扎作用”降低甚至消失，呈现出晶粒缓慢长大和冲击功下降的趋势。