正火冷卻速度對12Cr1MoVG沖擊功影響的研究及應用

趙志明

（太原鍋爐集團有限公司，山西 太原 030008）

0 引言

12Cr1MoVG是一種珠光體低合金熱強鋼，是國內高壓、超高壓、亞臨界電站鍋爐過熱器、集箱和主要蒸汽管道廣泛采用的鋼種。它具有較高的熱強性、抗氧化性和持久塑性，主要用于制造電站鍋爐壁溫≤580℃的受熱面管道，壁溫≤565℃的集箱、蒸汽管道和鍋爐大型鍛件。其工藝性能良好，但對熱處理工藝比較敏感，尤其對奧氏體化后冷卻速度的影響更為敏感。生產實踐證明：厚壁12Cr1MoVG集箱變徑、收口后母材采用“正火＋回火”、“淬火＋回火”的熱處理工藝時，經常出現沖擊韌性值低、沖擊值不均甚至不合格的現象。因此，作者對不同壁厚的12Cr1MoVG合金管母材在不同正火冷卻速度下進行了試驗研究。

1 試驗過程

1.1 不同冷卻方式的力學試驗數據對比

對常用的規格為Φ219×30、Φ377×45、Φ455×40的12Cr1MoVG母材在實驗室進行正火后不同冷卻方式的熱處理試驗，得到的力學試驗數據見表1。

1.2 不同冷卻方式的金相組織分析

表2、圖1～圖6分別為其采用不同冷卻方式后的金相組織對比。

2 工藝改進

根據實際生產情況，選擇最大厚度為30mm的12Cr1MoVG母材進行變徑、收口試驗，根據上述試驗得出的結論及結合產品制造過程的熱處理工藝，在進行變徑、收口時用加熱溫度代替正火溫度，以不同的冷卻方式進行試驗，以產品的退火工藝代替回火，見表3。

沖擊試樣在變徑、收口工藝中分別按圖7、圖8進行取樣，加熱區域在形變開始和結束的位置取樣，過渡區域根據實際測量結果每間隔一定溫度取樣。

冷卻方式改進前、后12Cr1MoVG變徑、收口的沖擊試驗數據見表4。

表1 12Cr1MoVG合金管采用不同冷卻方式后的力學性能

3 驗證結果

（1）通過試驗明確了3種規格分別為Φ219×30、Φ455×40、Φ377×45的正火冷卻方式，填補了標準中關于選擇正火冷卻方法的空白，對于規格為Φ377×45提出了正火水冷＋空冷＋回火的熱處理方式，根據12Cr1MoVG鋼連續冷卻轉變曲線［1］，水冷時不能使鋼管冷透發生馬氏體轉變，而是將鋼管經水冷到一定溫度后再進行空冷，這樣12Cr1MoVG鋼既滿足了750℃～500℃快速冷卻的要求，又得到了由部分奧氏體轉變的貝氏體，通過在750℃～500℃保持大于20℃／min的冷卻速度能夠得到具有良好蠕變強度性能的原始組織［2］。

（2）室溫沖擊吸收功不合格的12Cr1MoVG鋼管有兩種典型的金相組織：一種是“鐵素體＋少量的貝氏體（甚至沒有貝氏體）”，該組織常常出現在壁厚較厚（或直徑／厚度值較小）正火冷卻方式是空冷或風冷的情況中，這種組織狀態的沖擊韌性均較差；另一種是“鐵素體＋粗大的貝氏體團＋珠光體”，由于其組織存在較多的粗大的貝氏體團，回火脆化加劇，造成沖擊值高低不均，很分散［3］。

（3）大直徑壁厚12Cr1MoVG正火后冷卻中，根據12Cr1MoVG等溫轉變曲線，應避開馬氏體轉變區，防止回火時出現回火索氏體組織，增加母材的強度，降低其塑性，這對于鍋爐用材料是非常不利的。

（4）對于長期服役于高溫、高壓條件下的12Cr1MoVG合金鋼管來說：當屈強比在（0.60～0.76）區間且顯微組織為粒狀貝氏體（30%～40%）及（60%～70%）鐵素體或珠光體［4］，具有良好的綜合性能，是最為理想的狀態。

表2 12Cr1MovG采用不同冷卻方式后的性能分析及金相組織

圖1 Φ219×30正火后空冷＋回火

圖2 Φ219×30正火后 風冷＋回火

圖3 Φ455×40正火后風冷＋回火

圖4 Φ455×40正火后 水冷＋回火

4 結論

通過在750℃～500℃獲得較快的冷卻速度，以得到具有良好綜合性能的原始組織。在該溫度范圍內提高正火冷卻速度，可使鋼管金相組織中的鐵素體晶粒度與粒狀貝氏體團的尺寸明顯變小，粒狀貝氏體中島狀物的亞結構亦明顯細化。對于長期服役于高溫、高壓條件下的12Cr1MoVG來說，既得到了較為理想的金相組織“鐵素體＋珠光體＋粒狀貝氏體”，又得到了相對穩定的力學性能和沖擊性能，為制定鍋爐產品中厚壁12Cr1MoVG變徑、收口、彎管的熱處理工藝提供了依據。

圖5 Φ377×45正火后水冷＋回火工藝

圖6 Φ377×45正火后水冷＋空冷＋回火

表3 12Cr1MoVG集箱收口、變徑熱處理試驗

圖7 變徑管沖擊試件取樣示意圖

圖8 球形收口管子沖擊試件取樣示意圖

表4 冷卻方式改進前、后12Cr1MoVG集箱變徑、收口沖擊試驗數據