9Cr-3W-0.2V 鋼熱處理工藝研究

梁剛， 向沖， 王琨， 連漪， 覃文杰， 田蜜洋

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 引言

9-12Cr 馬氏體耐熱鋼由于優良的性能和抗氧化性通常被用于汽輪機轉子和鍋爐管道， 但隨著機組參數提高， 特別是當蒸汽溫度達到600 ℃后，在長時間服役過程中蠕變強度快速降低已成為技術難題， 極限溫度僅能用于620 ℃。 為了提高9-12Cr 鋼的服役溫度， 在其成分基礎上進一步添加Co、 W 元素， 調整Cr、 B、 V 元素， 控制Ni 元素含量而獲得的9Cr-3W-0.2V 新型馬氏體耐熱鋼解決了溫度超過620 ℃蠕變強度快速降低的問題，可用于630 ℃及以上機組的轉子部件和管道。

1 9Cr-3W-0.2V 鋼簡介

9Cr-3W-0.2V 鋼是研究Cr、 W 對鋼性能的影響和控制Ni、 V 含量而發展起來的新型馬氏體耐熱鋼。 經查閱相關文獻、 資料， 9Cr 鋼在650 ℃，98 MPa 應力條件下的斷裂時間最長， 對持久強度試樣微觀組織分析可知， 9Cr 鋼在經過長時間時效后基體中彌散析出V（C、 N）及M23C6， 有效阻止組織粗化和高蠕變強度降低。 9Cr 鋼中添加的W 在奧氏體化過程中起到了固溶強化作用， 同時在回火時析出強化作用也提升了室溫強度和蠕變強度，但隨著W 含量增加沖擊韌性呈現降低趨勢， 特別是韌脆轉變溫度FATT50急劇升高。 該鋼中降低Ni含量用以抑制M23C6的粗化， 提高V 含量以增加VX 的析出以細化、 強化基體。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

試驗采用有效截面尺寸為100 mm 的鍛件毛坯試塊進行性能熱處理試驗， 其化學成分如表1 所示， 材料性能要求如表2 所示。

表1 試驗件化學成分 wt%

表2 材料力學性能要求

2.2 試驗方法

計算得到的9Cr-3W-0.2V 鋼相圖中奧氏體溫度區間如圖1 所示。 試驗選用1 030 ℃、 1 070 ℃和1 110 ℃進行淬火試驗， 通過分析奧氏體化溫度對材料組織和性能的影響制定出最佳淬火參數。在此試驗基礎上進行660～720 ℃不同回火溫度試驗， 根據回火溫度對組織和性能的影響確定最佳回火溫度。 通過對9Cr-3W-0.2V 鋼堆焊Cr-Mo 層后分別進行660 ℃、 680 ℃和700 ℃的焊后熱處理， 通過對比母材、 接頭性能， 化學元素分布以及接頭硬度制定合理的焊后熱處理工藝。

圖1 9Cr-3W-0.2V 鋼平衡相圖

3 試驗結果分析

3.1 淬火試驗

9Cr-3W-0.2V 鋼在1 030～1 110 ℃完成奧氏體轉變和碳化物溶解， 經油淬并回火后其室溫強度、硬度和高溫持久強度相當， 見圖2（a）。馬氏體耐熱鋼在高溫下奧氏體組織為了減小界面能， 晶粒長大是一個自發過程， 見圖3～5， 當溫度超過1 100℃后9Cr-3W-0.2V 鋼晶粒粗化至2 級， 沖擊性能也呈下降趨勢， 見圖2 （b）。 不同溫度淬火并回火后微觀組織變化不大， 均為保持馬氏體位向的回火索氏體。 綜合力學性能和微觀組織結果， 選取1 070℃作為9Cr-3W-0.2V 鋼的淬火溫度較為合理。

圖2 淬火溫度對9Cr-3W-0.2V 鋼性能的影響

圖3 1 030 ℃淬火組織

圖4 1 070 ℃淬火組織

圖5 1 110 ℃淬火組織

3.2 回火試驗

9Cr-3W-0.2V 鋼用1 070 ℃保溫后油淬， 在660～720 ℃回火后組織均為回火索氏體組織， 晶粒度等級為4 級。 回火時由于從淬火馬氏體中逐漸析出穩定碳化物而使基體碳含量減少， 所以隨著回火溫度的升高， 材料的室溫強度、 硬度逐漸降低， 塑韌性略有增加。 但該材料降低了Ni 含量用以抑制M23C6粗化， 同時為了提高鋼的抗回火性，加入的V 元素增加了VX 的析出以細化和強化基體， 所以在660～720 ℃回火后室溫強度和硬度降低幅度并不大， 高溫短時持久性能也未降低。

圖6 回火溫度對9Cr-3W-0.2V 鋼性能的影響

基于以上試驗結論，9Cr-3W-0.2V 在1 070 ℃淬火，700～720 ℃回火可得到優良的綜合力學性能。

3.3 焊后熱處理試驗

從圖7～8 的試驗結果來看， 660 ℃/680 ℃/700℃3 種溫度進行焊后熱處理后母材室溫性能均合格且相當， 接頭強度和硬度隨著焊后熱處理溫度的增加呈下降趨勢， 達到700 ℃后， 接頭的強度低于要求值， 塑性指標、 沖擊韌性及彎曲性能均可滿足要求。 如圖9 所示， 當堆焊厚度達到4 mm時， 焊縫中Cr 含量已低于2.5%， 精加工表面處Cr含量在1.3%以下， 滿足要求。

圖7 去應力溫度對母材及接頭強度的影響

圖8 去應力溫度對接頭硬度的影響

圖9 去應力溫度堆焊層化學元素分布影響

綜合來看， 680 ℃作為N-FB2 材料堆焊后的焊后熱處理溫度較為合理。

4 試驗結論

（1）9Cr-3W-0.2V 鋼是在9Cr 鋼的基礎上了添加W、 Co 等合金元素發展起來的馬氏體型耐熱鋼。 W 在奧氏體化過程中固溶強化和回火時析出強化以提高室溫強度和蠕變強度， V 用以增加VX的析出細化和強化基體， 同時降低Ni 含量用以抑制M23C6的粗化。

（2）9Cr-3W-0.2V 鋼采用1 070 ℃奧氏體化后油冷， 并經700 ℃后油冷并回火后得到具有馬氏體位向分布的回火索氏體組織， 晶粒度等級4 級，具有優良的綜合力學性能。

（3）9Cr-3W-0.2V 在堆焊Cr-Mo 層后進行680℃的焊后熱處理， 可保證母材性能不降低的情況下保證接頭強度和塑性、 韌性指標達到要求， 同時表面Cr 含量符合要求。