X12CrMoWVNbN10-1-1鋼δ鐵素體析出規律研究

王群娣

(太原重工股份有限公司輪軸分公司，山西030024)

為解決電力短缺、環境污染嚴重等問題及提高能源利用率[1]，國家近幾年致力于發展超超臨界發電設備。超超臨界汽輪機的大型高壓轉子通常重約幾十噸甚至幾百噸，工作部分蒸汽溫度達到600℃以上、蒸汽壓力達到30 MPa以上，同時還要高速旋轉，因此對材料性能的要求極高。X12CrMoWVNbN10-1-1鋼是近年來廣泛用于制造超超臨界汽輪機組中高壓轉子的一種耐熱鋼[2～5]。

由于低碳不銹鋼在熱加工及熱處理過程中容易出現δ鐵素體的析出現象，對轉子的力學性能產生較大的影響[6]，因此研究X12CrMoWVNbN10-1-1鋼δ鐵素體產生與消除的規律對生產有極大的指導意義。本文利用試驗并結合金相組織、沖擊性能測試和SEM掃描等手段進行分析，研究了δ鐵素體在不同加熱溫度、保溫時間條件下析出的規律。

1 試驗方案

1.1 試驗樣品

試驗所用材料取自鍛后轉子，大小為100 mm×100 mm×600 mm。化學成分如表1所示。

1.2 試驗方法

熱處理試驗。在箱式加熱爐中，加熱溫度為1 000～1 200℃，間隔20℃，保溫時間分別為2 h、5 h、10 h，空冷至室溫，使用金相顯微鏡分析所有試樣的顯微組織。

沖擊試驗及SEM分析。加熱溫度為1 000～1 250℃，間隔50℃，保溫5 h后空冷。按照GB/T 229-1994[7]標準制作標準試樣并在擺錘式沖擊試驗機上進行沖擊試驗。沖擊完后使用SEM進行觀察掃描其斷口形貌。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of the tested steel(mass fraction,%)

(a)1000℃ (b)1080℃

(c)1100℃ (d)1200℃圖1 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼不同溫度保溫時δ鐵素體析出情況(50×)Figure 1 The situations of δ ferrite precipitated from X12CrMoWVNbN10-1-1 Steel when holding under different temperatures(50×)

表2 δ鐵素體在不同溫度保溫2 h時的析出量(質量分數，%)Table 2 The amount of δ ferrite precipitation when holding for two hours under different temperatures(mass fraction, %)

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織分析

圖1為X12CrMoWVNbN10-1-1鋼分別在1 000℃、1 080℃、1 100℃、1 200℃保溫2 h的金相照片。該鋼合金成分高，淬透性好，因此在空冷的狀態下就能淬透。從金相圖上觀察，金相組織在1 100℃以下主要以細小馬氏體為主，晶粒度大約在5～7級，而超過1 100℃后晶粒長大迅速，主要為粗大鐵素體、馬氏體混合組織，并且隨著溫度的升高，δ鐵素體量逐漸增加，呈現條帶狀分布，此時晶粒度大約在1～4級。圖1中亮白色的組織即為析出的高溫鐵素體組織。

根據對金相圖的統計，δ鐵素體析出量如表2所示。從表2可以看出，在1 100℃以下，析出量很少，不足1%，而在1 160℃以后析出量成倍增加。在1 200℃時析出量最高。對保溫10 h的試樣經過金相觀察分析，其δ鐵素體含量高達9%。

表3 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼的力學性能檢測結果Table 3 The mechanical properties results of X12CrMoWVNbN10-1-1 steel

通過分析試驗結果，可以判斷δ鐵素體在1 160℃以上隨著溫度和保溫時間的延長，析出量有較大幅度的增加。

2.2 沖擊性能測試及分析

從表3的平均沖擊吸收功來看，試樣的沖擊功隨著溫度的升高呈現下降趨勢，在1 000～1 150℃范圍內熱處理時，沖擊功降幅較小，尤其是1 050～1 150℃之間，沖擊功基本接近。而當溫度超過1 150℃時，隨著溫度的提高，沖擊功降幅較大，特別是經過1 250℃處理后的試樣，沖擊值僅為17.3 J。結合金相分析，可以推斷，這是由于δ鐵素體大量析出而引起的，并且析出量越大，力學性能越差。

(a)1 050℃

(b) 1 250℃圖2 沖擊斷口SEM照片Figure 2 The SEM photographs of impact fracture

2.3 斷口分析

圖2是試樣分別經過1 050℃和1 250℃兩個溫度點沖擊后的SEM照片，通過對比分析可以看出前者韌窩較多，呈延性斷裂，塑韌性較好；后者主要呈現沿晶斷裂，韌性較差。這也說明了在1 250℃熱處理后沖擊功較低的原因主要是晶粒粗大和δ鐵素體大量析出割裂晶界而共同引起的。

3 結論

(1) X12CrMoWVNbN10-1-1鋼淬透性較好，在空冷狀態下就能淬透，金相組織為馬氏體+δ鐵素體。

(2)X12CrMoWVNbN10-1-1鋼中δ鐵素體在原始試樣中即存在，析出量隨著溫度的升高、保溫時間的延長而增多，試驗中最低值是在1 000℃保溫2 h后，含量為0.3%；最高值是在1 200℃保溫10 h后，含量為9%。

(3)沖擊性能測試表明，X12CrMoWVNbN10-1-1鋼在1 150℃以上熱處理時，δ鐵素體析出較多，沖擊功下降較大。

(4)從試驗結果來分析，在熱處理、熱加工過程中要盡量避免進入1 150℃以上的溫度區間，一旦δ鐵素體大量析出，將會嚴重影響材料的力學性能。

[1] 林富生.超超臨界參數機組材料國產化對策[J].動力工程，2004，24 (3)：311-316.

[2] 劉顯惠，林錦棠.國內外汽輪機大型轉子鍛件材料的技術進展(一)[J].國外屬熱處理，1999，(3)：5-7.

[3] 趙成志，魏雙勝，高亞龍等.超臨界與超超臨界汽輪機耐熱鋼的研究進展[J].鋼鐵研究學報，2007，19(9) :125.

[4] MASU YAMA Fujimitsu. History of power plants and progress in heat resistant steel[J],ISIJ,International,2001，41(6):612-625.

[5] 韓利戰，陳睿愷，顧劍鋒，潘健生. X12CrMoWVNbN10_1_鐵素體耐熱鋼奧氏體晶粒長大行為的研究[J].金屬學報，2009,45(12):1446-1450.

[6] 陳德和.不銹鋼的性能與組織[M].北京.機械工業出版社，1977．

[7] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. GB/T229-1994 金屬夏比缺口沖擊試驗方法[S].北京: 中國標準出版社， 1995.