冷却速度对12Cr2Mo1钢显微组织和硬度的影响
2019-10-16王丽艳李兴东马新博哈尔滨汽轮机厂有限责任公司哈尔滨150046
王丽艳，李兴东，黄 亮，马新博(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司， 哈尔滨 150046)
12Cr2Mo1是一种贝氏体耐热钢，主要用于制造蒸汽温度为510 ℃的汽轮机高中压管道和导汽管，以及管壁温度为550 ℃的过热器管等[1]，是电力、石油化工等工业部门应用于高温条件下的重要材料[2-4]。它不仅具有良好的抗氧化性，还有较好的抗硫和抗氢腐蚀性能，并且合金元素含量少，具有较好的工艺性能和物理性能，在500～550 ℃使用时具有较好的热强性[5-6]。当使用温度大于550 ℃时，其热强性能显著降低[7-9]。热处理是改善耐热钢性能的一种常见的重要手段，其中冷却速度是控制耐热钢微观组织及力学性能的重要工艺参数[10]。本研究旨在通过分析不同冷却速度对12Cr2Mo1钢微观组织和力学性能的影响，探索出最佳的工艺参数，为12Cr2Mo1钢的应用提供理论指导。
1 试验材料及方法
本试验所选用的12Cr2Mo1钢的主要化学成分如表1所示。采用的热处理工艺是在10 min内将材料加热至980 ℃，保温30 min后，分别以不同速度冷却至室温，冷却速度分别为0.05 K/s、0.5 K/s、1 K/s、5 K/s、20 K/s和100 K/s。
表1 12Cr2Mo1钢的化学成分(质量分数%)
采用DIL805快速相变仪进行相变试验，相变试样为直径4 mm，长度10 mm，表面粗糙度不高于1.6 μm的小圆柱。用Axiovert 40 MAT型倒置光学显微镜和德国蔡司SUPRA 55高能场发射扫描电子显微镜观察12Cr2Mo1钢的显微组织。用HB3000型硬度计测试12Cr2Mo1钢的维氏硬度，选用载荷为300 g，保载时间为15 s。
2 试验结果及分析
2.1 12Cr2Mo1钢热处理热膨胀试验
图1为12Cr2Mo1钢在10 min内加热至980 ℃，保温30 min后，按照不同速度冷却至室温的相变曲线。从图1(a)中可以看出，当冷却速度为0.05 K/s时，冷却过程发生两次相转变，分别在680 ℃至800 ℃之间和350 ℃至433 ℃之间，这说明冷却过程中先后发生了铁素体析出和贝氏体转变。当冷却速度大于0.5 K/s时，只发生贝氏体转变，几次试验的相变开始点均在400～500 ℃，为贝氏体转变。
(a) 冷却速度为0.05 K/s
(b) 冷却速度为0.5 K/s
(c) 冷却速度为1K/s
(d) 冷却速度为5K/s
(e) 冷却速度为20 K/s
图1 12Cr2Mo1不同冷却速度的相变曲线
2.2 12Cr2Mo1钢热处理后的组织
图2为不同热处理工艺处理后12Cr2Mo1钢的金相组织图。各种热处理工艺过程中仅冷却速度不同。从图2中可以看出，随着冷却速度的增加，12Cr2Mo1钢的金相组织中铁素体的相对含量减少，珠光体的相对含量逐渐增加。当冷却速度大于1 K/s时，12Cr2Mo1钢的金相组织主要由贝氏体组成。
(a) 冷却速度为0.05 K/s
(b) 冷却速度为0.5 K/s
(c) 冷却速度为1 K/s
(b) 冷却速度为0.5 K/s
(e) 冷却速度为20 K/s
图2 12Cr2Mo1钢经不同速度冷却后的金相组织
图3是12Cr2Mo1钢经不同速度冷却后的扫描电镜照片。以0.05 K/s冷却到室温的12Cr2Mo1钢主要由铁素体和粒状贝氏体组成。随着冷却速度升高，铁素体减少，贝氏体含量增加。当冷却速度为0.5 K/s时，组织主要为粒状贝氏体；随着冷却速度增大，组织由粒状贝氏体向板条状贝氏体转变，直至获得全部下贝氏体组织。
(a) 冷却速率为0.05 K/s
(b) 冷却速率为0.5 K/s
(c) 冷却速率为1 K/s
(d) 冷却速率为 5K/s
(e) 冷却速率为20 K/s
图3 不同速度冷却后12Cr2Mo1钢的扫描电镜照片
2.3 12Cr2Mo1钢热处理后的硬度
图4是12Cr2Mo1钢维氏硬度与冷却速度之间的关系。可见，随着冷却速度的加快，12Cr2Mo1钢的维氏硬度逐渐升高。随着冷却速度的增加，先析出的铁素体逐渐减少消失，下贝氏体含量逐渐增加，同时显微组织逐渐由粒状贝氏体变为板条状下贝氏体。由于下贝氏体是12Cr2Mo1钢中的强化相，因此，粒状贝氏体的减少和板条状下贝氏体含量的增加，是其硬度一直增加的主要原因。
图4 不同速度冷却后12Cr2Mo1的维氏硬度
3 结 论
本文采用热膨胀仪分析相变点的方法，对不同速度冷却后12Cr2Mo1钢的组织性能进行了观察研究，分析认为随着热处理工艺中冷却速度的增加，12Cr2Mo1钢中铁素体逐渐减少，贝氏体逐渐增加，同时组织形貌由粒状贝氏体转变为板条状下贝氏体，并逐渐变粗。以上显微组织的变化导致钢的维氏硬度随着冷却速度的增加而一直升高。希望本文的工作能够为12Cr2Mo1钢的工业热处理工艺设计及应用提供参考。
