汽輪機用Cr- Mo- V耐熱鋼的熱處理

吳鐵明

(上海宏鋼電站設備鑄鍛有限公司，上海 200240)

Cr- Mo- V鋼屬于低合金耐熱鋼，目前上海宏鋼電站設備鑄鍛有限公司生產(chǎn)的鑄件中，此類材料一共有3種，分別是10315AP、ZG15Cr1Mo1V和ZG17Cr1Mo1V(G17CrMoV5- 10)。這3種材料來源于不同標準，雖然化學成分基本相同(見表1)，但熱處理方式不同(見表2)，最終的性能要求也各異(見表3)。

表1 10315AP、ZG15Cr1Mo1V和ZG17Cr1Mo1V鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical compositions of the 10315AP, ZG15Cr1Mo1V and ZG17Cr1Mo1V steels (mass fraction) %

ZG15Cr1Mo1V鋼若采用不同的熱處理工藝，力學性能則差異較大(見表4)，尤其表現(xiàn)在沖擊韌性上。

表2 10315AP、ZG15Cr1Mo1V和ZG17Cr1Mo1V鋼的熱處理工藝Table 2 Heat treatment processes of the 10315AP, ZG15Cr1Mo1V and ZG17Cr1Mo1V steels

表3 10315AP、ZG15Cr1Mo1V和ZG17Cr1Mo1V鋼的力學性能要求Table 3 Mechanical properties requirements of the 10315AP, ZG15Cr1Mo1V and ZG17Cr1Mo1V steels

表4 ZG15Cr1Mo1V鋼采用不同熱處理工藝得到的力學性能Table 4 Mechanical properties of ZG15Cr1Mo1V steels under different heat treatment processes

2013年底宏鋼發(fā)生了中壓內(nèi)缸(材料為10315AP)鑄鋼件總裝前的泵水測試崩裂事故，為了分析事故原因，對試塊和本體取樣進行附加試驗，結果顯示，V型缺口試樣的沖擊吸收能量只有個位數(shù)(平均7 J)，材料組織中存在大量的塊狀鐵素體(見圖1)。

圖1 中壓內(nèi)缸本體顯微組織Fig.1 Microstructure of intermediate pressure inner casing

2016年某電廠的新型超臨界汽輪機機組關鍵部件型號的高中壓主調(diào)閥殼(材料為10315AP)運行半年后發(fā)生漏氣，雖然最終查明原因，并非材料性能不滿足標準，但在本體取樣進行附加試驗時，發(fā)現(xiàn)本體材料組織基本是鐵素體與珠光體(見圖2)。

上述兩個案例充分說明：沖擊韌性對材料的制造及使用都會產(chǎn)生很大影響。因此，本文主要研究了熱處理工藝對Cr- Mo- V鋼的顯微組織和力學性能的影響，以期找出Cr- Mo- V鋼的最佳熱處理工藝。

1 試驗材料與方法

試驗選取了兩塊化學成分相差不大(見表5)的鑄件本體試塊A和B，材料牌號為10315AP。將兩組試塊均分成3等份，各獲得3塊尺寸約200 mm×90 mm×30 mm的小試塊，分別標為A1、A2、A3、B1、B2、B3。兩組共6件試塊分別經(jīng)不同方式的熱處理，具體熱處理工藝見表6。

圖2 閥殼漏氣處所取試樣的顯微組織Fig.2 Microstructures of the specimen taking from the leakage of valve

表5 鑄件本體試塊的化學成分Table 5 Chemical compositions of the test specimen taking from casting itself

表6 鑄件本體試塊的熱處理工藝Table 6 Heat treatments of the test specimen taking from casting itself

2 試驗結果

由表6可見，3種熱處理的回火溫度和時間都相同，主要差異在于回火前的正(淬)火方式。由表7可見，3種熱處理工藝獲得的抗拉強度基本相同，均在650～690 MPa。兩次正火+回火試塊的沖擊吸收能量略高于一次正火+回火試塊的，調(diào)質(zhì)試塊的沖擊吸收能量最高，這在B組試塊中更明顯。

表7 鑄件本體試塊經(jīng)不同工藝熱處理后的力學性能Table 7 Mechanical properties of the test specimen from casting itself under different heat treatment processes

不同熱處理的6件試塊的顯微組織基本相同，如圖3所示，基本為先共析鐵素體+貝氏體，鐵素體基體上分布著細小的點球狀碳化物，貝氏體則呈長條形或小塊狀，或聚集呈現(xiàn)，或散布在鐵素體之間。但晶粒大小和相的相對含量等略有差異(見表8)。

圖3 試樣(a)A1、(b)A2、(c)A3、(d)B1、(e)B2、(f)B3的顯微組織Fig.3 Microstructures of specimens (a) A1, (b) A2, (c) A3, (d) B1, (e) B2, (f) B3

表8 不同工藝熱處理試樣的顯微組織特征統(tǒng)計Table 8 Statistical characteristics of microstructure of specimens with different heat treatments

根據(jù)10315AP鋼的CCT曲線(見圖4)，得出試驗材料的Ar3溫度為829 ℃左右，Ac3溫度為881 ℃左右。因此結合本文試驗結果，可得出：

(a)正火溫度較高[1- 3]，晶粒度越大(一般正火溫度取Ac3+30～50 ℃)。

(b)高溫階段冷速不足導致先共析鐵素體的析出量較大。

上述3種材料10315AP、ZG15Cr1Mo1V和ZG17Cr1Mo1V的熱處理工藝是否可以相互替代，一直存在著爭議。標準對于工藝的指導作用固然十分重要，但是在已知有更為優(yōu)越的熱處理工藝而不能用，只得依循標準下的舊版工藝以至于材料無法跟上現(xiàn)今日益提高的性能需求。

圖4 JMatPro軟件計算得到10315AP材料的CCT曲線Fig.4 CCT curve of 10315AP material calculated by JMatPro software

這一方面需要標準制定者的與時俱進，另一方面同樣需要工藝開發(fā)者能夠突破過時標準的束縛，在保證產(chǎn)品性能的前提下進行工藝創(chuàng)新，使材料的性能得到更好的發(fā)揮。

3 結論

(1)10315AP鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后獲得了細小均勻的鐵素體+貝氏體組織，綜合性能最好，具有較高的屈強比和沖擊韌性。

(2)晶粒度和組織均勻性是保證材料獲得良好沖擊性能的關鍵。

(3)從性能結果來看，10315AP、ZG15Cr1Mo1V、ZG17Cr1Mo1V(G17CrMoV5- 10)這3種材料的熱處理方式是可以相互替換的，并在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下可以獲得最優(yōu)的綜合性能，不推薦使用1 050 ℃下的一次正火+回火工藝。

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