Nb对ZG1Cr10MoNiVNbN钢的组织和性能的影响

刘俊峰　姜文勇　王晨　王丽萍　冯义成

摘要：为了研究Nb合金元素对ZG1Cr10MoNiVNbN牌号的耐热耐腐蚀钢组织和性能的影响，通过金相观察、拉伸、冲击试验和电化学腐蚀，得到Nb元素对此牌号钢力学性能和耐腐蚀性能的影响规律。结果表明：当Nb元素质量分数为0 15%时，钢中的板条状组织更加细小，碳化物分布也更加均匀，在力学性能方面，Nb量为0 15%的钢的屈服、抗拉强度为864 1、985 7.MPa，伸长率和冲击功分别为14 4%和26 9.J，在耐腐蚀性能方面，维顿电流密度和腐蚀电位分别为 3 125.4 E 7.A/cm 2， -0 161.03 V。

关键词：

Nb元素;显微组织;力学性能;耐腐蚀性能

DOI：10.15938/j.jhust.2019.01.016

中图分类号： TG174 4

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2019）01-0099-04

Effect of Nb on the Microstructure and Properties of ZG1Cr10MoNiVNbN Steel

LIU Jun feng，JIANG Wen yong，WANG Chen，WANG Li ping，FENG Yi cheng

（School of Material Science and Engineering，Harbin University of Science and Technology， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to study the Nb alloy elements on ZG1Cr10MoNiVNbN brand of the influence of the microstructure and mechanical properties of heat resistant corrosion resisting steel， through metallographic observation， tensile， impact test and electrochemical corrosion， and get the Nb element to this grade of steel mechanical properties and corrosion resistance are studied The results show that when the content of Nb element is 0 15%， the strip microstructure in the steel is finer and the carbide distribution is more uniform The yield and tensile strength of the steel with Nb content of 0 15% were 864 1 and 985 7.MPa， the elongation at break and the impact work were 14 4% and 26 9.J，In corrosion resistance， written born current density and corrosion potential were 3 125.4 E 7.A/cm 2， -0 161.03 V

Keywords：Nb element; microstructure; mechanical property; corrosion resistance

0引言

随着能源危机和环境污染的加剧，高效率的超超临界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]。国内学者[11-13]研究了马氏体/铁素体材料长时间在650℃温度下强度降低的原因主要是马氏体组织的回复与长大，高温条件下位错的消失，碳化物顆粒变大都会大大降低材料的高温蠕变强度。刘俊亮、单爱党[14]等阐述了12Cr 2 W 0 5 Mo 2 CoCuVN钢的蠕变机理。石如星、包汉生等[15-16]研究了含Cr为9%～12%的钢中δ-铁素体的形成机理，为学者们以后研究材料提供了有利的依据。殷凤仕等[17]研究了长时间时效后低碳和超低碳合金钢的组织变化。谭舒平博士[18]为了得出一些关键的结论，系统地研究了S30432 钢的强化机理。天津大学姜运建博士[19]研究了对生产有指导意义的 P92 钢焊接残余应力场及对高温寿命的影响。胡正飞等[20]研究了马氏体耐热钢的蠕变寿命，为耐热钢材料在高温工作环境下使用安全做出了贡献。从目前耐热钢的研究中对ZG1Cr10MoNiVNbN钢提升的性能并不高，不一定能满足超超临界机组中材料的强度需求，但是这些学者的探索研究为后来学者对新材料研究提供了基础。本文以ZG1Cr10MoNiVNbN牌号的耐热耐腐蚀钢为基础，研究了Nb元素的含量变化对此牌号钢组织和性能的影响。

1试验材料及方法

1 1试样的制备

本试验的实验材料主要为工业纯铁、钒铁、铌铁、钼铁、硅铁，微碳铬，45号钢，电解锰，镍板，氮化铬。

当Nb为变量时，同样其他合金元素为定量，Nb的质量分数分别为0 05%、0 10%、0 15%、0 20%，按照所改变的元素含量计算后进行配料，根据力学性能试样采用浇注梅花试样获取，树脂砂型制备梅花试样，通过对配得成分材料进行合理的熔融、浇铸制得试样。

1 2热处理及金相试样的制备

试样制备后进行热处理，热处理制度为淬火（油淬）+高温回火（空冷），依据测定的相变点以及标准工艺并参考有关文献，确定淬火温度为 1.100 ℃，回火温度为680℃，其中淬火时间为2.h，回火2.h。

金相试样为 10.mm×20.mm 圆柱，金相样品用常规的机械研磨及抛光方法制备，依次用 400#、800#、 1.000 #、 1.500 #的水砂纸精磨，抛光液用Cr 2 O 3 水溶液，金相观察先在光学金相显微镜上进行，腐蚀液配制为10%硝酸水溶液或三氯化铁饱和水溶液揩拭（用脱脂棉擦试样表面）。

1 3组织观察及力学性能试验

本次实验采用OLYMPUS GX71型金相显微镜，拍摄显微组织照片。

拉伸测试按标准 GB/T 228-2002进行，测定抗拉强度、屈服强度、伸长率，拉伸试样为圆棒尺寸及试样，每组材料做3个拉伸试样，冲击试验根据GB/T18658-2002进行，冲击试样为夏比V型缺口标准试样。

1 4腐蚀性能试验

腐蚀性能测试方法为电化学腐蚀电化学腐蚀试样尺寸为35×30×30的长方体试样，用磨床磨平端面，2000 目砂纸磨平，超声清洗吹干。采用武汉科斯特仪器CS电化学工作站，仪器型号为CS350273A 恒电位仪进行电化学实验，其中工作电极为制备的双相不锈钢试样电极，辅助电极为铂丝电极，参比电极为饱和甘汞电极。

试验腐蚀介质为5%（质量分数）氯化钠溶液，试验在室温下进行，扫描速度为 10.mV/s。开路电位稳定10.min后，相对开路电位200.mV开始扫描。当电流密度达到时2 0.mA/cm 2停止。

2试验结果及分析

制得金相试样后利用金相显微镜对其进行拍照，观察Nb元素含量对其组织的影响，图1为不同Nb元素的金相组织照片，由图1中的四组图片可以看出在Nb质量分数为0 05%时，可以看到组织中有较大的析出相，且组织中的马氏体板条较为粗大，此时的组织整体较为粗大;随着Nb质量分数从0 05%增加到0 10%时，组织中较大的析出相已经消失，形成的碳化物（NbC）能够细化组织中的晶粒，组织中的碳化物颗粒也逐渐变得均匀;Nb质量分数继续增加到0 15%时，钢的组织得到明显的细化，并且从图中可以看出板条状组织的位向从单一位向转变为多位向，并且组织中的黑色碳化物也变得越来越细小，且分布越来与均匀;当Nb质量分数从0 15%增加到0 20%时，板条状索氏体反而变得粗大，黑色碳化物颗粒也变大，且索氏体的位向变得单一起来，通过以上观察可以看出当Nb质量分数为0 15%时，钢的金相组织中板条状索氏体较为细小，位向较多，黑色碳化物颗粒较小，所得到的组织较好。

在力学性能方面，不同Nb含量进行拉伸和冲击试验所的测得数据及曲线如表1和图2。

由表1和图2可以看出，当Nb元素质量分数为从0 05%增加到0 10%时，钢的屈服强度和抗拉强度增加，伸长率和冲吸收功有所增大，当Nb质量分数从0 10%增加到0 15%时，此时钢的强度和伸长率有所降低，冲击冲增加明显。铌合金元素以碳化物（NbC）的形式存在时，能够细化晶粒，且由于其细化晶粒的作用，能够提高钢的冲击韧性并降低其脆性转变温度，所以当Nb质量分数继续增加时钢的冲击韧性增加。而当Nb质量分数继续增加到0 20%时，钢的强度没有变化，但伸长率和冲击功明显下降，可以得到在0 20%Nb质量分数是钢中产生的大的未熔相对钢的力学性能有明显的降低作用，所以Nb持续增加后反而钢的力学性能有所下降。

所以综合钢的屈服强度、抗拉强度、伸长率、冲击功来比较，我们认为在Nb的质量分数为0 15%的时候钢的综合力学性能最佳。

在耐腐蚀方面，通过电化学腐蚀测得的极化曲线和拟合数据如图3、表2所示。

从图3中极化曲线和表2中拟合的数据可以得到，隨着Nb质量分数的增加，在Nb质量分数从0 05%增加到0 15%的时候，所拟合的极化电流数值成逐渐递减的趋势，所拟合的腐蚀电位越来越大，通过Nb形成的碳化物（NbC）能够细化组织中的晶粒，使钢的组织更加细小，从而增加了钢的耐腐蚀性能，而随着Nb质量分数的继续增加，组织中的Nb与C会形成（Nb，C） XFe此类化合物，这种化合物要比NbC变得粗大，Nb所形成的碳化物变得粗大，导致了钢耐腐蚀性能的下降。当Nb质量分数继续增大至0 20%的时候，所得到的耐腐蚀性能反而下降，所以当Nb质量分数为0 15%的时候得到的腐蚀性能最好。

3结论

Nb元素对钢的组织和性能影响的规律如下：

1）在组织方面：当Nb元素质量分数从0 05增加到0 15%时，可以看到无论是组织中的板条状马氏体，还是分布在基体上的碳化物大小都有了明显的细化，而随着Nb质量分数继续增加，钢中的组织反而粗化，组织中出现了较长的板条状马氏体。

2）在力学性能方面：随着Nb质量分数的增加，抗拉强度和屈服强度先上升后下降最后平缓上升，而对于冲击功而言变化趋势为先上升后下降，含Nb质量分数为0 15%的试样为最大点，综合分析可以得出结论，含Nb质量分数为0 15%的试样综合力学性能最好。

3）在耐腐蚀性能方面：根据不同Nb质量分数所测得的极化曲线得出的曲线特征值表明当Nb质量分数为0 15%时，维顿电流密度为3 125.4×10 -7 A/cm 2，腐蚀电位为 -0 161.03 V，此时钢的耐腐蚀性最好。

参 考 文 献：

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