楊易坤

(中國第一重型機(jī)械股份公司核電石化事業(yè)部，遼寧116113)

2.25Cr-1M o-0.25V鋼厚壁鍛件性能熱處理研究

楊易坤

(中國第一重型機(jī)械股份公司核電石化事業(yè)部，遼寧116113)

對(duì)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的性能熱處理工藝進(jìn)行總結(jié)，歸納出工藝參數(shù)，并指出保證淬火冷卻速度是確保鍛件力學(xué)性能的要點(diǎn)。

2.25Cr-1Mo-0.25V鋼;性能熱處理;力學(xué)性能

高溫臨氫條件下的壓力容器用Cr-Mo鋼，如1Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo、2.25Cr-1Mo等得到了廣泛的應(yīng)用［1］。它們具有足夠的常溫和高溫(＜500℃)強(qiáng)度，優(yōu)良的韌性和低的回火脆性傾向，良好的抗氧化性(耐熱性)，以及優(yōu)越的抗氫腐蝕和抗氫脆性能。各種Cr-Mo鋼中，2.25Cr-1Mo型鋼在石油煉制的催化裂解、加氫、重整及核反應(yīng)堆等高溫高壓臨氫容器上應(yīng)用越來越廣。

隨著壓力容器向大型化發(fā)展，壁厚大大增加，對(duì)壓力容器用鋼提出了更高的要求，因此具有更高強(qiáng)度、更高韌性和更好抗氫性的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼逐漸運(yùn)用于厚壁加氫反應(yīng)器［2］。但對(duì)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的性能熱處理方面，其它文獻(xiàn)介紹較少，現(xiàn)對(duì)此鋼進(jìn)行這方面的研究總結(jié)。

1 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼厚壁鍛件性能熱處理

厚壁容器材料的各種性能主要依靠鋼中C和各種合金元素來保證。鋼的化學(xué)成分確定后，熱處理對(duì)性能起決定性作用。特別是對(duì)厚截面鋼件的韌性，合理的熱處理制度可以滿足相應(yīng)的性能指標(biāo)。

在2.25Cr-1Mo鋼中添加0.25%的V，可顯著改善鋼的耐氫侵蝕性，這是因?yàn)閺?qiáng)碳化物V元素與C形成的穩(wěn)定的碳化物改善了耐氫侵蝕性，而通過V的微細(xì)化增加了氫的格柵部位，來抑制氫脆化。添加V的鋼中，熱處理過程中釩的碳化物彌散析出分布在基體上，阻礙位錯(cuò)滑移，從而增加其抗拉強(qiáng)度。厚壁加氫用鍛板鍛造后經(jīng)多次正回火細(xì)化奧氏體晶粒后，鍛板隨后在950～1 000℃進(jìn)行熱成形。成形后的封頭進(jìn)行調(diào)質(zhì)性能熱處理。

1.1 奧氏體化溫度的選擇

2.25 Cr-1Mo-0.25V鋼的奧氏體晶粒開始長大溫度約為960℃，高于1 000℃后晶粒尺寸會(huì)迅速增大，因此一般選擇870～950℃進(jìn)行奧氏體化。通常選擇940℃作為2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的淬火溫度。為了提高厚壁鍛件的淬透性而提高奧氏體化溫度，其結(jié)果會(huì)增加材料的抗拉強(qiáng)度，而對(duì)其回火脆性無任何大的改變。也不能用提高淬火溫度來減少厚壁鍛件轉(zhuǎn)變后鐵素體的含量，因?yàn)槟菢訒?huì)使晶粒尺寸變大，鋼的韌性降低。

1.2 淬火冷卻

奧氏體化后的冷卻速度越大，獲得的馬氏體或貝氏體組織回火后的沖擊韌性與強(qiáng)度越好。當(dāng)采用水淬時(shí)，按照鍛件壁厚選擇冷卻時(shí)間。淬火的冷卻過程主要由水的溫度和流動(dòng)狀態(tài)決定其效果。淬火時(shí)規(guī)定對(duì)冷卻水要用循環(huán)水，并確保水槽的容積和循環(huán)水量足夠，工件淬火前水溫不超過18℃，出水后水溫不超過35℃，且工件從出爐到入水的時(shí)間應(yīng)控制在3min之內(nèi)，否則空冷，重新熱處理。這樣能夠最大程度的保證熱處理的效果。

封頭淬火時(shí)，應(yīng)注意封頭底部的冷卻效果，宜采用封頭大端朝下。必要時(shí)采用螺旋攪拌或噴射水、或封頭上下竄動(dòng)，以加強(qiáng)內(nèi)壁的冷卻。在封頭頂部開?200 mm左右的工藝孔，可以加快封頭底部的冷卻。

1.3 回火

按照ASME標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，SA336 F22V鋼的最低回火溫度為675℃?？紤]焊后熱處理Larson-Miller參數(shù)(PT=T(20+lgτ)×10-3)對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響，就必須把淬火后的回火同焊接中的消氫處理及焊后消應(yīng)力熱處理的作用綜合起來。2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊后要求在705℃退火最大時(shí)間為32 h，其PT=21.03，其最佳回火參數(shù)要求PT≤21，所以淬火后通常采用690℃作為2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的回火溫度。

2 分析和討論

2.25 Cr-1Mo-0.25V鋼的調(diào)質(zhì)熱處理工藝較為成熟，根據(jù)C成分的高低工藝作出微調(diào)，但總的來說，淬火溫度為940℃，回火溫度為690℃?，F(xiàn)場應(yīng)當(dāng)注意的是鍛件的冷卻速度問題，確保厚壁鍛件淬火時(shí)得到足夠的冷卻速度。淬火的冷卻速度不夠時(shí)，易造成力學(xué)性能偏低。

圖1為2.25Cr-1Mo-0.25V鋼940℃淬火、冷卻速度不足、690℃回火后再經(jīng)過705℃ ×32 h Max.PWHT模擬焊后熱處理后的金相顯微組織。圖2為淬火溫度正常、冷卻速度足夠的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼淬火+回火+705℃ ×32 h Max. PWHT后的金相組織。從圖1可以看出，淬火冷卻速度不足的鋼中金相組織盡管仍為粒狀貝氏體，但島嶼狀富碳奧氏體在冷卻及回火過程中，碳化物沒能充分析出，塊狀鐵素體較大，因而鋼的強(qiáng)韌性較差。圖2中得到的顯微組織為典型粒狀貝氏體，此粒狀貝氏體形成于上貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)上限溫度范圍內(nèi)，由塊狀鐵素體或針狀鐵素體和高碳奧氏體組成。由于粒狀貝氏體中的顆?；蜥槧铊F素體基體中分布著許多小島，小島內(nèi)的碳化物起到復(fù)合強(qiáng)化作用，因此得到的組織具有良好的強(qiáng)韌性。兩者的力學(xué)性能比較如表1和表2所示。

由以上分析可知，在2.25Cr-1Mo-0.25V鋼調(diào)質(zhì)工藝較為穩(wěn)定和成熟的情況下，應(yīng)注意調(diào)質(zhì)時(shí)冷卻速度的監(jiān)控，確保淬火冷卻水保持循環(huán)流動(dòng)，水溫符合工藝的要求。在淬火工藝得到保證的情況下，回火時(shí)碳化物充分析出，確保鍛件得到良好的力學(xué)性能。

圖1 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼金相顯微組織(冷卻速度不足)Figure 1 Metallographic microstructure of 2.25Cr-1Mo-0.25V(under-speed cooling)

表1 常溫力學(xué)性能Table 1 M echanical properties at normal tem perature

表2 高溫力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties at high tem perature

對(duì)表1和表2力學(xué)性能不合格的鍛件，補(bǔ)救方案應(yīng)先進(jìn)行熱處理工藝的模擬，采用不同工藝并做相應(yīng)的力學(xué)性能檢測和金相分析，從而優(yōu)化返修的熱處理工藝，以期返修得到最佳的力學(xué)性能效果。熱處理工藝模擬方案如表3所示。力學(xué)性能做拉伸性能和沖擊性能試驗(yàn)。第一組和第二組方案增加了一次高溫正火，其目的是為了使鍛造組織的晶粒得到細(xì)化，原先較粗大的晶粒重新奧氏體化形成細(xì)小晶粒。

表3 返修熱處理工藝模擬方案Table 3 Rework heat treatment process simulation proposal

表4 模擬熱處理后常溫力學(xué)性能Table 4 M echanical properties at normal tem perature after simulated heat treatm ent

圖2 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼金相顯微組織(冷卻速度足夠)(100×)Figure 2 Metallographic microstructure of 2.25Cr-1Mo-0.25V(sufficient cooling speed)(100×)

圖3 模擬返修熱處理的金相組織(500×)Figure 3 Metallographic structure of simulated rework heat treatment(500×)

圖4 第二組模擬熱處理拉伸斷口的宏觀形貌Figure 4 Macroscopic appearance of simulated heat treatment tensile fracture of the second set

圖5 第二組模擬熱處理拉伸斷口的微觀形貌Figure 5 Macroscopic appearance of simulated heat treatment tensile fracture of the second set

在試驗(yàn)條件下，三組試驗(yàn)的拉伸性能和沖擊性能相差無幾，見表4。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用第三組工藝方案雖然在減少一次正火工藝過程的條件下，試樣的性能可以滿足要求，但仍建議采用第二組工藝方案，增加一次正火細(xì)化粗大鍛造組織的工藝，使大壁厚鍛件的晶粒組織得到細(xì)化，為淬火做準(zhǔn)備。經(jīng)940℃淬火+705℃回火后，金相組織如圖3所示。與先前冷卻速度不足的金相組織相比，晶粒得到了較大程度的細(xì)化，晶粒內(nèi)的析出物更為充分，塊狀的鐵素體經(jīng)過相變得到回火粒狀貝氏體，因而能夠提高試樣的力學(xué)性能。

對(duì)三組拉伸試樣進(jìn)行斷口掃描電鏡分析。經(jīng)SEM掃描電鏡分析，第二組的拉伸斷口均呈杯錐狀，如圖4所示。微觀形貌呈韌窩狀，如圖5所示，斷裂方式為韌性斷裂。在端口的杯錐底部發(fā)現(xiàn)一處尺寸約為1.89mm的夾雜物，如圖6(a)所示。夾雜物的微觀形貌如圖6(b)所示。經(jīng)能譜成分分析，該夾雜物為MnS，如圖7所示。該夾雜物的存在會(huì)導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度有一定的降低，但由于杯錐區(qū)較寬，基體其他部位無超尺寸的夾雜物，且均為韌性斷裂，故拉伸強(qiáng)度為正常值。

圖6 第二組模擬熱處理拉伸斷口處夾雜物形貌Figure 6 Inclusion appearance of simulated heat treatment tensile fracture of the second set

圖7 夾雜物能譜成分分析Figure 7 Energy spectrum composition analysis of inclusion

3 結(jié)論

本文對(duì)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件調(diào)質(zhì)熱處理工藝進(jìn)行了一些研究總結(jié)，在其熱處理工藝制度較為成熟的情況下，應(yīng)該注意的細(xì)節(jié)如下:

(1)確保鍛件從出爐到入水的時(shí)間，入水后采用循環(huán)水，必要時(shí)水里加冰塊，加大循環(huán)水流量等措施以確保鍛件心部T/2處的冷卻速度。

(2)鍛件熱處理后性能不合格時(shí)進(jìn)行返修，通常采用模擬熱處理方式得到返修方案，以確保鍛件返修時(shí)能夠得到正確的工藝制度，一次返修成功。

［1］ 張繼良.熱壁加氫反應(yīng)器的材料及其應(yīng)用［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，1994，23(5):41-44.

［2］ 張文輝，劉同湖，戴世杰.2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件的研制［J］.壓力容器，2001，18(增刊):42-44.

編輯 杜青泉

Research on Mechanical Properties Heat Treatment for Heavy Wall Forgings of 2.25Cr-1Mo-0.25V Steel

Yang Yikun

This paper summarizes themechanical properties heat treatment for the 2.25Cr-1Mo-0.25V steel，technological parameters are concluded，and it is indicated thatassuring the quench cooling speed is the key point to ensure themechanical properties.

2.25Cr-1Mo-0.25V steel;mechanical property heat treatment;mechanical property

TG156

A

2013—07—22