王炳正,賈娜娜,王旭明,李國洲,常富強(qiáng),高大文

(1.蘭州蘭石集團(tuán)有限公司鑄鍛分公司,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心,甘肅 蘭州 730000)

為降低燃料消耗和減少CO2排放,超超臨界機(jī)組(26 MPa/600 ℃)技術(shù)正在向更高的參數(shù)方向發(fā)展。但由于耐熱鋼使用溫度和高溫耐腐蝕性的制約,參數(shù)的進(jìn)一步發(fā)展受到了一定限制。F92是一種新型的馬氏體型耐熱鋼,經(jīng)合金化改良后與其他鉻-鉬耐熱鋼相比,F92鋼的耐高溫腐蝕和氧化性能與9%Cr鋼相似,但材料的高溫強(qiáng)度和蠕變性能得到了進(jìn)一步提高,具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、低的熱膨脹系數(shù)、良好的抗晶間腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕性能,是第二代超臨界機(jī)組(600 ℃/620 ℃/30 MPa)高溫部件優(yōu)良選材,主要用于超超臨界壓力鍋爐中的末級過熱器集箱、末級再熱器集箱的球形封頭和檢查孔管接頭等[1],具有明顯的經(jīng)濟(jì)性及實(shí)操性[2]。但是該材料所生產(chǎn)的產(chǎn)品,材料性能要求極高,因而對熱處理工藝的要求比較苛刻,在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度與沖擊韌性不能同時(shí)滿足性能要求指標(biāo)。因此,本文研究不同的回火溫度對F92新型馬氏體耐熱鋼的微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律,以此提出最佳的熱處理工藝參數(shù),為F92鍛件產(chǎn)品性能的研究提供一定的理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)材料采用10 t EAF-AOD-VD-LF-模注的冶煉工藝路線,經(jīng)過50 MN快鍛壓機(jī)鍛造成直徑為φ500 mm的F92棒材,化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)用F92鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1.2 試驗(yàn)方法

在F92鍛件靠近錠底端部截取尺寸為200 mm×200 mm×150 mm的三組試樣,試樣編號分別為1#、2#和3#。參考相關(guān)文獻(xiàn)可知:Arl=800 ℃,Ac3=900 ℃,Ms=300 ℃,Mf=120 ℃。通過繪制簡略CCT曲線得到F92鋼的正火溫度>950 ℃,為了符合標(biāo)準(zhǔn)ASME SA-182奧氏體化溫度為1040～1095 ℃,選擇1060 ℃作為正火溫度[3]?；鼗饻囟确謩e為730、740和750 ℃,具體熱處理工藝參數(shù)見表2。

表2 熱處理工藝參數(shù)

在不同試樣上切取金相、拉伸和沖擊試樣進(jìn)行試驗(yàn)[4]。將試樣機(jī)械磨拋后,用配比為5 g FeCl3+25 mL HCl+25 mL C2H5OH的混合溶液腐蝕,采用GX51光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》,采用600 kN微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),每組2個(gè)試樣,取平均值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T231．1—2018《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分:試驗(yàn)方法》,采用FEM-8000顯微硬度計(jì)測試試樣的布氏硬度,每個(gè)試樣測試6個(gè)點(diǎn),去掉最高值和最低值取平均值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2020金屬材料《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》,各試樣截取3個(gè)橫向夏比V型缺口沖擊試樣,采用微機(jī)控制擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊性能測試[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 回火溫度對金相組織的影響

F92鍛件熱處理后的金相組織如圖1所示。1#試樣為回火索氏體組織,2#試樣為保持馬氏體位向的細(xì)小回火索氏體,3#試樣為保持馬氏體位向的粗大回火索氏體,并且各試樣組織中均存在小黑點(diǎn)。對小黑點(diǎn)進(jìn)行能譜分析(EDS),結(jié)果見圖2,小黑點(diǎn)主要為BN或硼化物。這是由于F92耐熱鋼成分中含有較高含量的Cr元素及少量的Mo、V、Nb和B等固溶強(qiáng)化元素和晶界強(qiáng)化元素,其會(huì)在晶內(nèi)彌散分布BN第二相以及在晶界析出B元素進(jìn)行晶界強(qiáng)化[6-7]。

由圖1可知,隨著回火溫度的升高,索氏體中碳化物的形貌由點(diǎn)粒狀向片粒狀轉(zhuǎn)變[8-9],730 ℃回火后為正常的回火索氏體組織;740和750 ℃回火后在顆粒碳化物的基體上,馬氏體的輪廓清晰可見。這是由于F92耐熱鋼中合金含量高,高的合金含量提高了馬氏體的回火穩(wěn)定性,具體表現(xiàn)為馬氏體的分解溫度提高,碳化物不容易轉(zhuǎn)變和聚集長大,α基體的回復(fù)與再結(jié)晶溫度提高,因此經(jīng)過高溫回火后,回火索氏體仍能保留清晰的馬氏體位向[10-12]。

2.2 回火溫度對力學(xué)性能的影響

F92鍛件熱處理后的力學(xué)性能測試結(jié)果見表3。隨著回火溫度的升高,試樣硬度逐漸降低,沖擊性能和斷后伸長率逐漸增加。這是因?yàn)殡S著回火溫度的升高,馬氏體的分解越充分,分解產(chǎn)物的長大越充分,回火后α-Fe中固溶的碳明顯減少[13],使得碳固溶強(qiáng)化作用大大減弱,從而表現(xiàn)為硬度降低、沖擊性能及斷后伸長率增加。隨著回火溫度升高,屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均呈先下降后上升的趨勢,且在730 ℃回火時(shí)強(qiáng)度最好。綜上所述,采用1060 ℃×2.5 h正火+750 ℃×2.5 h回火工藝,F92耐熱鋼可得到較好的綜合力學(xué)性能[14]。

表3 不同試樣的力學(xué)性能

3 總結(jié)

1)當(dāng)回火溫度分別為730、740和750 ℃時(shí),F92耐熱鋼的金相組織依次為回火索氏體、保持馬氏體位向的細(xì)小回火索氏體以及保持馬氏體位向的粗大回火索氏體組織。

2)當(dāng)回火溫度在730～750 ℃范圍內(nèi),隨著回火溫度的升高,F92耐熱鋼的硬度下降較為明顯,沖擊韌性和斷后伸長率有所提高。

3)經(jīng)1060 ℃×2.5 h正火+750 ℃×2.5 h回火熱處理后,F92耐熱鋼具有較佳的強(qiáng)韌性配合。