調質工藝對G115鋼組織性能的影響

趙 欣,王婷婷

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

燃煤發電是我國電源結構的最主要組成部分,為進一步降低煤耗、提高熱效率和降低排放,630 ℃以上高參數超超臨界電站已成為我國燃煤發電機組未來發展的重要方向[1-4],但耐熱材料一直以來是制約煤電機組向更高參數發展的“卡脖子”問題。隨著蒸汽溫度和蒸汽壓力的提高,超超臨界火電機組對耐熱材料的性能提出了更高的要求,主要表現在以下幾個方面:①更高的高溫持久、蠕變強度;②良好的抗氧化和耐蝕性能;③優異的組織穩定性;④良好的冷、熱加工性能;⑤良好的焊接性能等[5-8]。目前比較成熟的P92可用于620 ℃以下大口徑鍋爐管制造,但當蒸汽溫度升高至630～650 ℃,目前世界范圍內都沒有可選用的成熟材料。為滿足630～650 ℃蒸汽參數超超臨界火電機組的需要,寶鋼和鋼鐵研究總院聯合開發了新型馬氏體耐熱鋼9Cr-3W-3CoVNbCuBN (G115)產品。

馬氏體耐熱鋼的熱處理一般采用正火加高溫回火工藝(詳見GB5310),G115鋼在工業化試制過程中采用這種調質工藝后,沖擊功安全余量小,難以滿足高壓鍋爐用材料長期穩定服役的要求。因此,本文開展了不同調質工藝對G115組織性能的研究,并為獲得G115鋼良好的綜合性能提供數據支撐。

1 試驗方法

本文以G115的φ530 mm規格棒材為研究對象,其主要化學成分見表1,主要生產流程為:40 t電爐+LF+VD→澆注13.5 t鋼錠→鍛造為棒材→調質熱處理。實驗室進行了如表2所示調質工藝,其中1#～3#采用了兩次調質,第一次淬火溫度分別為1 140、1 100和1 050 ℃,完成第一次調質后進行了第二次調質;4#只進行了一次調質,工藝參數同1#～3#的第二次調質,即1 050 ℃×1 h/水冷+780 ℃×3 h/空冷。

從棒材取橫向試樣進行性能檢測及組織分析。室溫拉伸和650 ℃高溫拉伸性能測試分別在SCL233200kN和SCL231200kN試驗機上進行,檢測依據分別為GB/T 228.1和GB/T 228.2。沖擊性能采用JBN-300B設備,根據GB/T 229測試材料的夏比V型缺口沖擊功,試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。微觀組織觀察使用金相顯微鏡和EVO MA25掃描電鏡,采用5 g FeCl3+50 mL HCl+50 mL H2O 溶液進行腐蝕。

表1 G115棒材化學成分

表2 G115棒材調質工藝

2 試驗結果與分析

2.1 調質工藝對性能的影響

調質工藝對G115棒材室溫拉伸和650℃高溫拉伸強度的影響如圖1所示。從圖1(a)中可以看出,采用兩次調質工藝(1#～3#)的室溫屈服強度和抗拉強度均高于一次調質工藝(4#),其中1#～3#的屈服強度比4#高了50～60 MPa,1#～3#的抗拉強度比4#高了60～90MPa;此外,從1#到3#工藝,隨著兩次調質工藝中的第一次淬火溫度從1 140 ℃降至1 050 ℃,室溫屈服強度和抗拉強度均呈一定的下降趨勢。從圖1(b)中可以看出,調質工藝對650℃高溫拉伸強度的影響也有相似的變化規律,1#～3#工藝的650 ℃高溫拉伸屈服強度和抗拉強度均高于4#工藝;從1#到3#工藝,隨著兩次調質工藝中的第一次淬火溫度的降低,屈服強度和抗拉強度也有一定下降趨勢。

圖2給出了不同調質工藝對室溫沖擊功平均值的影響?？梢钥闯?采用兩次調質工藝(1#～3#)的沖擊功均高于一次調質工藝(4#)100 J以上;另外,對比1#～3#沖擊功可發現,1#、2#工藝的沖擊功相當,但當3#工藝的第一次淬火溫度降低至1 050 ℃時,沖擊功開始有一定下降。

從調質工藝對G115性能的影響可以看出,采用兩次調質工藝可以顯著改善G115沖擊功,同時可以使室溫和高溫強度得到一定提升,這對G115鋼的工程應用意義重大,并且提高兩次調質工藝中的第一次淬火溫度對于改善G115性能有更好的效果。

2.2 調質工藝對微觀組織的影響

不同調質工藝對應的金相組織見圖3?？梢钥闯鰞纱握{質工藝(1#～3#)的晶粒度顯著細于一次調質工藝(4#),回火板條組織保留的相比一次調質更加明顯,并且采用兩次調質工藝的碳化物等析出相形貌比一次調質更加細小,分布更加彌散,見圖4。對比1#～3#可以發現,1#的晶粒尺寸略粗于2#和3#,但均勻性更好。兩次調質工藝經過第一次高溫淬火處理,促進了一次MC等大塊析出相溶解、合金元素均勻化,第一次回火處理后可以析出細小而彌散分布的碳化物,從而為第二次調質處理做了良好的顯微組織鋪墊,使得第二次調質時有了更多奧氏體化形核位置,并且細小而彌散分布的碳化物可以釘扎晶界,阻礙奧氏體晶粒的長大以及馬氏體的回復過程,從而使兩次調質后晶粒細化顯著,回火馬氏體板條保留更明顯。這應該是兩次調質工藝(1#～3#)的性能高于一次調質(4#)的主要原因。而兩次調質工藝中,第一次高溫淬火處理溫度越高,析出相溶解越充分,合金元素均勻化程度越高,這也是從1#到3#工藝隨著第一次淬火溫度的降低性能略下降的原因。

3 結論

(1) 采用兩次調質工藝可以使G115棒材強度和沖擊功均有提高,沖擊功的提高尤為顯著。隨著兩次調質工藝第一次淬火溫度的提高,強度、沖擊功等性能呈提高趨勢。

(2) 兩次調質工藝的G115棒材晶粒度顯著細于一次調質工藝的,且回火板條組織保留更明顯,碳化物等析出相形貌更細小、分布更彌散。