1  前言

　　我国电力工业总的装机容量虽多，但机组结构形式不合理，小机组占多数，效率低下，致使火电工业高煤耗，低效率，污染严重。为了使我国电力工业步入良性发展轨道，必须加快调整电力工业建设结构步伐，加快以大机组代替小机组的进度。因此电站锅炉必然朝着高参数、大容量、低煤耗和高发电效率的方向发展^[1,2,3]，对锅炉用钢的要求越来越高，用量越来越大。提高锅炉参数是必然的，如提高蒸汽压力和温度等^[4]。增大蒸汽压力要求使用高温强度更高的钢材，否则必然使构件的壁厚成倍增大，增加蒸汽温度则要求钢材能在更高温度下保持高的强度，可见电力技术的发展在很大程度上依赖于材料技术的发展水平^[5,6]。
　　耐热钢和耐热合金的发展是高温下工作的动力机械的需要，如火电厂的蒸汽锅炉、蒸汽涡轮，航空工业的喷气发动机等高温部件，它们须在高温下承受各种载荷，如拉伸、弯曲、扭转、疲劳和冲击等^[7]。此外，它们还与高温蒸汽、空气或燃气接触，表面易发生高温氧化或气体腐蚀。在高温下工作，钢和合金将发生原子扩散过程，并引起组织转变，因此耐热钢和耐热合金必须具有良好的高温强度和化学稳定性^[8]。
　　本文研究的12Cr1MoV是国内最普遍使用的铁素体-珠光体耐热钢，1台高压锅炉所用的12Cr1MoV钢管要占所用全部钢管的80%^[9]。结合目前12Cr1MoV钢的生产现状，本次试验重点是研究热处理工艺对钢板组织性能的影响，进一步优化其热处理工艺，可以进一步提高钢板的性能合格率和降低钢板的生产成本。

2  试验材料及试验方案

2.1  试验材料

　　本试验选用某钢厂工业性试制锅炉用钢板12Cr1MoV，钢板厚度为38mm，其化学成分见表1，性能设计要求见表2。

2.2  试验方案
　　12Cr1MoV钢的热处理试验在箱式热处理炉中进行，正火温度为910℃和930℃，保温时间为68分钟。由于用户对钢板的焊后消除应力热处理有要求，且该钢的回火温度不低于640℃，故回火温度选定为650℃、680℃和710℃，保温时间为88分钟，空冷。对不同热处理状态下12Cr1MoV钢板编号，具体见表3。

表3  不同热处理状态下12Cr1MoV钢板编号 

　　钢板的拉伸和冲击试样取样位置均在板厚1/4处，在60吨液压式万能试验机上按GB/T228-2002标准进行拉伸试验；在JB-30B型冲击试验机上按GB/T229-2007在常温下进行夏比冲击试验。取冲击试验后的试样制备显微组织观察试样，在Olympus PME3-323μn金相光学显微镜上观察分析不同热处理状态下12Cr1MoV钢板的组织形态。

3  实验结果分析

3.1  力学性能分析

　　对试样进行拉伸和冲击试验，分别测定了钢板在热轧态、正火态及正火+回火态的抗拉强度、屈服强度、延伸率和常温冲击功，具体力学性能见表4。热轧态试样的屈服强度与常温冲击功偏低，其他参数差别不大。

表4  12Cr1MoV钢的力学性能 Table 4  The mechanical properties of the steel 12Cr1MoV

　　对比0#、1#和2#试样，其屈服强度均较低，最高的也只有305MPa，远远不及设计要求；抗拉强度和延伸率都满足设计要求。随着正火温度的提高，常温冲击功增加，且增加的幅度很大，由热轧态下的55J增加到930℃正火态下的128J，是原来的两倍，而且几乎达到了设计要求的Akv≥47J最小值的三倍。因此对热轧态试样而言。正火温度对抗拉强度、屈服强度以及延伸率的影响不大，而对常温冲击功有较大的影响，在一定温度范围内常温冲击功是随着正火温度的增加而迅速增加的。

 

图1  相同正火温度不同回火温度下的力学性能

（a）正火温度为910℃  （b）正火温度为930℃

Fig.1 Effect of tempering temperature on mechanical properties of the steel used

(a) normalizing temperature is 910℃  (b) normalizing temperature  is 930℃
　　对相同正火温度下不同回火温度的抗拉强度、屈服强度和延伸率进行分析，如图1所示。图中抗拉强度、屈服强度和延伸率随回火温度的变化一致，且均近似为一条水平线，因此回火温度对抗拉强度、屈服强度和延伸率的影响不大。图中所示的抗拉强度、屈服强度及延伸率的数值都满足技术指标，但从图（a）所显示的数据来看，回火温度在680℃时其性能高于650℃与710℃时的性能，而由图（b）所示数据来看，回火温度在650℃时性能更优。比较12#试样与21#试样的性能，前者的性能要稍强些，前者的延伸率比后者的稍高，而抗拉强度、屈服强度与后者是相同的。再把12#试样的性能与原热处理工艺即930℃正火+680℃回火时的性能相比较，原工艺中只有屈服强度与前者相同，而抗拉强度与延伸率都要比910℃正火+680℃回火的低。
　　所以仅从抗拉强度、屈服强度与延伸率这三个性能指标而言，910℃正火+680℃回火工艺处理的材料要优于其他热处理工艺，且优于原工艺。
 

图2  同一正火温度不同回火温度下的常温冲击功

（a） 正火温度为910℃  （b）正火温度为930℃

Fig.1 Effect of tempering temperature on impact energy of the steel used

(a) normalizing temperature is 910℃  (b) normalizing temperature  is 930℃
　　图2所示为常温冲击功在同一正火温度下随回火温度的变化，由图（b）可以看出常温冲击功是随正火温度的增加而增加的，而且增加幅度较大；而图（a）显示出常温冲击功随正火温度的增加总体处于增加趋势，但在680℃时下降到最低。对比910℃正火+680℃回火与原热处理工艺下的常温冲击功，其值差距不大，虽然前者在几种热处理状态下的常温冲击功是比较低的，但也基本能达到原工艺的水平，所以从几种性能指标综合来看经过910℃正火+680℃回火的性能已经能取代原有热处理工艺的性能，即910℃正火+680℃回火的热处理工艺可取代原有热处理工艺获得更优良的性能。

3.2  金相组织观察

　　利用冲击试验后的试样，在金相显微镜下观察12Cr1MoV的组织形态，观察结果如图3。

 

图3  不同热处理工艺下12Cr1MoV 钢的金相组织

（a）0#组织  （b）11#组织  （c）12#组织  （d）13#组织  （3）22#组织

Fig.3 The microstructure of the specimens

(a: microstructure of 0#; b: microstructure of 11#; c: microstructure of 12#; d: microstructure of 13#; d: microstructure of 22#)
　　由图（a）可以看出12Cr1MoV钢热轧态下的组织为铁素体(F)+珠光体(P)组织，晶粒较为粗大；11#试样的组织仍为F+P，但明显F与P的晶粒尺寸变的细小；12Cr1MoV钢经过910℃正火+680℃回火处理后的组织，组织仍为F+P，但是不但F与P的晶粒尺寸变的细小，而且分布也更为均匀了；而试样钢经过910℃正火+710℃回火处理后的组织，其中的F与P的晶粒尺寸较图（c）、图（d）有所增大但比图（a）小；图（e）为武钢现有的热处理工艺：930℃正火+680℃回火，组织与其他热处理工艺下的相同，均为F+P，但是从尺寸上来看要明显比图（b）和图（c）大，比图（d）稍大。在正火温度一定时铁素体与珠光体的晶粒尺寸是随着回火温度的增加而减小的，而在回火温度一定时铁素体与珠光体晶粒尺寸同样是随着正火温度的增加而减小；虽然珠光体随正火、回火温度的变化与铁素体的大致相同，但也有所不同，其分布似乎在680℃回火时更为均匀，而珠光体是由铁素体和渗碳体组成，片状渗碳体将铁素体分开，从而有效的阻止形变的发生，其分布越均匀就越有利于材料强度和塑韧性的提高。另外，材料的晶粒越细小，晶界面积就越大，而晶界两边的取向完全不同且完全无规则，并且晶界是原子排列相当紊乱的区域。因此，当塑性形变和微裂纹由一个晶粒穿过晶界进入另一个晶粒时，由于晶界阻力大，穿过晶界就比较困难，所以材料的晶粒越细小其强度和韧性也就越高。从材料的组织来看经过910℃正火+680℃回火处理的12Cr1MoV钢试样，其组织不但细小而且分布比较均匀，要优于其他几个试样的组织。因此仅从组织上来分析12#试样的热处理工艺已经能够取代原有热处理工艺了。

4  结论

1) 随着正火温度由910℃到930℃，12Cr1MoV钢的抗拉强度和屈服强度变化不大，而冲击韧性有较大增加。

2) 随着回火温度由650℃到680℃再到710℃，12Cr1MoV钢的强度和韧性变化不大。

3) 12Cr1MoV钢在热轧态、正火态及正火+回火态下的组织均为铁素体+珠光体。

4) 经910℃正火+680℃回火处理后12Cr1MoV钢板的性能与930℃正火+680℃回火处理后的基本相同，而且钢中的铁素体晶粒更细小且分布得更均匀。

5) 选取910℃正火+680℃回火的热处理工艺是完全可行的，可以降低钢板的生产成本。

参考文献

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[9] CHEN Y.H., CHANG F.H. Discussion on specification of post weld heat-treatment for 12Cr1MoV on heat-resistant steel weldment[J]. Boilder Production, 1990，21(4): 39

 

作者：王贞 刘静 鲁修宇 邓照军