B含量对SA-336-F11 CL3钢淬透性和组织的影响

张彩红 于海涛 王浩强

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

SA-336-F11 CL3钢属于高温承压用合金钢，主要用于锅炉、压力容器等设备。锻件需要长期工作在高温、高压、临氢甚至是有毒环境下，其使用条件十分苛刻，对材料性能要求极高[1]。传统材料受淬透性和制造技术的制约，已无法满足使用要求，因此急需在现有基础上对材料化学成分进行优化设计。B元素是钢中的“维生素”，能极大的提高钢的淬透性，增加钢的硬度和抗张力。本文通过在SA-336-F11 CL3钢原有材料的基础上加入不同含量的B，分析不同B含量对于钢淬透性和组织的影响。

1 冶炼钢锭的成分

设计并冶炼了三种不同成分的钢锭，成分见表1。D1中没有加入B元素，D2中的B含量较D3中的多，其余成分相差不大。

表1 三种钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of three kinds ofsteel(mass fraction,%)

2 钢的临界点和CCT曲线

利用膨胀仪测定三种钢的临界点，结果见表2。合金元素的综合作用使得钢的Ac1点基本相同；含B钢的Ac3相对较高，因B为缩小γ相区的元素，能使Ac3点升高。

表2 三种钢临界点的测量结果(℃)Table 2 Measurement results of critical points of three kinds of steel(℃)

测试不同冷却速度下试样的膨胀量-温度曲线，根据该曲线确定不同冷却速度下相转变开始点和结束点，绘制三种不同成分钢的CCT曲线，见图1。从图1中可以看出，D1钢临界冷速为300℃min，D3钢临界冷速为300℃min，D2钢临界冷速为120℃min，因此B含量较多(0.0023%)时，大大提高钢的淬透性；B含量较少(0.0008%)时，对淬透性影响不大。这是由于适量的B在奥氏体晶界发生偏聚，使奥氏体分解时新相在晶界处形核困难，造成奥氏体孕育期增长，使淬透性提高。有文献指出，B含量在0.002%～0.003%之间时，对钢的淬透性影响较大。

3 模拟热处理工艺

模拟热处理工艺中退火温度一般应在Ac3以上，根据临界点测试结果，同时考虑D2、D3钢中含有B元素，B元素在较高的温度下会促使奥氏体晶粒的长大，因此D1、D2和D3钢的退火温度(*)分别设置为960℃、960℃和970℃。钢的模拟热处理工艺如图2所示。

(a)D1钢(b)D2钢(c)D3钢

图1 三种钢的CCT曲线
Figure1 CCT curves of three kinds of steel

4 金相组织

图3和表3为D1、D2和D3钢经模拟热处理后的金相组织。从图3中可看出，D1钢在960℃退火可得到较细的晶粒组织，但组织主要是铁素体和珠光体；D3钢经970℃退火后得到铁素体和贝氏体组织，铁素体含量仍较大，但其晶粒相对比较粗大，原因可能是D3的退火温度设置的偏高，B元素在相对较高的退火温度下会促使晶粒长大；D2钢B含量较高(0.0023%)，其淬透性大大增加，在较低的冷速下(退火炉冷冷速约为2℃min)即可得到大量的贝氏体组织，铁素体含量较低，原因是适量的B含量可以比较明显的抑制钢中铁素体在奥氏体晶界上的形核，且D2钢CCT曲线中没有珠光体的析出，贝氏体转变曲线变得扁平，这些都有利于贝氏体的析出。

图2 模拟热处理工艺曲线Figure 2 Simulated heat treatment process curve

(a)D1钢,退火温度960℃(b)D2钢,退火温度960℃(c)D3钢,退火温度970℃

图3 三种钢不同温度退火后的金相组织Figure 3 Microstructures of three steels after annealing at different temperatures

5 结论

(1)SA-336-F11 CL3钢中B含量较少时，对淬透性影响不大；B含量较高(0.0023%)时，能大大提高钢的淬透性。

(2)SA-336-F11 CL3钢中B含量较高(0.0023%)时，在较低的冷速下可得到大量的贝氏体组织。