熱處理對 10Cr11Co3W 3NiMoVNbNB耐熱鋼力學性能的影響

王天劍 劉禹炯

（東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

熱處理對 10Cr11Co3W 3NiMoVNbNB耐熱鋼力學性能的影響

王天劍 劉禹炯

（東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

研究了不同的熱處理工藝對超超臨界機組用 10Cr11Co3W 3NiMoVNbNB 耐熱鋼性能的影響。 結果表明： 在1100℃淬火， 600～700℃回火， 隨著回火溫度的升高， 其抗拉強度和屈服強度明顯下降， 韌性提高。 在 1080～1120℃淬火，680℃回火時， 隨著淬火溫度的提高， 材料的持久性能提高。

耐熱鋼；熱處理；力學性能

1 前言

10Cr11Co3W 3NiMoVNbNB （ 以 下 簡 稱 ：Co3W3） 耐熱鋼是超超臨界參數機組的 12Cr 材料，主要用于高溫段螺栓、螺母、葉片以及其他高溫零部件等， 使用溫度上限可達 630℃。 該材料具有高的屈服強度、足夠高的持久強度、韌性和抗氧化性。目前，關于不同的熱處理制度對該材料性能的影響還沒有進行系統和詳細的研究。本文系統地研究了不同的淬火和回火制度對材料常溫力學性能和高溫持久性能的影響。

2 試驗方法

2.1 試驗材料

試驗材料選用直徑為 100mm 的熱軋退火態Co3W3 棒材。 冶煉工藝為： 電爐冶煉加電渣重熔。試驗材料的化學成分如表1所示。

2.2 試驗方法

將 Φ100mm 的圓鋼鋸成高度為 150mm 的四分之一圓柱作為熱處理試驗毛坯。不同條件下的調質熱處理在以下設備中進行：

淬火： GL-1700 型試驗電爐

回火： SX2-2.5-12 箱式試驗電爐

試驗毛坯完成調質熱處理后，加工成標準力學性能試棒和持久試樣。分別在萬能試驗機和高溫蠕變持久試驗機上進行常規力學性能和高溫持久試驗。

表1 試驗材料的化學成分

3 試驗結果

3.1 不同回火溫度對材料力學性能的影響

回火溫度的高低對材料的室溫力學性能有較大的決定作用， 因此第一次試驗首先選擇 1100℃作為材料的淬火熱處理保溫溫度， 保溫時間為 2h，油冷。 回火溫度分別選為 550℃， 600℃， 650℃，700℃， 750℃， 保溫時間為 4h， 空冷。 圖1、 圖2為不同的回火溫度對材料室溫力學性能的影響。從圖1可以看出，隨著回火溫度的上升，材料的抗拉強度和屈服強度有較為明顯的下降，而沖擊功則明顯上升。 在 550℃和 600℃回火時， 材料的沖擊功均低于 10J， 在 750℃回火時， 屈服強度低于 690MPa。

第二次試驗淬火溫度仍為 1100℃， 保溫時間為 2h， 油冷。 回火溫度分別為 600℃， 630℃，650℃， 680℃， 700℃， 保溫時間延長為 6h， 空冷。 圖3、 圖4為回火溫度對材料力學性能的影響。 從圖3可以看出， 將回火時間延長至 6h后，材料在 650℃左右的沖擊功最大。 但從圖4 還可以明顯看到， 材料的延伸率均在 13%～15%之間。 圖5 為回火溫度對材料硬度的影響， 600～650℃回火時， 材料的硬度下降速度較快， 650～700℃回火時，材料的硬度下降速度較為緩慢。

圖1 不同回火溫度 （保溫時間 4h） 對材料強度和沖擊功的影響

圖2 不同回火溫度 （保溫時間 4h） 對材料延伸率和斷面收縮率的影響

圖3 不同回火溫度 （保溫時間 6h） 對材料強度和沖擊功的影響

圖4 不同回火溫度 （保溫時間 6h） 對材料延伸率和斷面收縮率的影響

圖5 不同回火溫度 （保溫時間 6h） 對材料硬度的影響

3.2 不同淬火溫度對材料持久強度的影響

將 材 料 的 持 久 試 驗 條 件 設 置 為 660℃ ，275MPa。 在保持回火溫度 660℃不變的情況下，通過調整淬火溫度，研究淬火溫度對材料持久強度的影響。 圖6 為 1080～1140℃淬火， 660℃回火6h后材料的持久斷裂時間。 從圖中可以明顯地看出，隨著淬火溫度的提高，材料的持久斷裂時間呈上升趨勢。 在 1130℃和 1140℃淬火， 660℃回火后， 材料的持久斷裂時間均大于 100h。

圖6 不同淬火溫度對材料持久斷裂時間的影響

表2是不同溫度淬火后，材料的常規力學性能。從表2可以看出，回火溫度一定后，淬火溫度對材料常規力學性能的影響不大。圖7是材料在 1130℃和 1140℃淬火， 660℃回火后的金相組織， 晶粒度為 4～5 級。

表2 不同淬火溫度下材料的室溫力學性能

圖7 金相組織圖

4 結論

（1） 耐熱鋼在 1100℃淬火， 600～700℃回火，隨著回火溫度上升，其抗拉強度和屈服強度明顯下降，韌性提高。

（2） 在 1080～1120℃淬火， 680℃回火時， 隨著淬火溫度的提高，材料的持久性能提高。

［1］ KouichiM,Kota S,Junichi K.Strengthening mechanism s of creep resistant tempered martensitic steel ［J］.ISIJ International,2001,41(6):641-653

Effects of Heat Treatm ent on Mechanical Properties of 10Cr11Co3W 3NiMoVNbNB Heat-resisting Stee l

Wang Tianjian， Liu Yujiong
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

The effects on mechanical properties of 10Cr11Co3W 3N iM oVNbNB heat-resisting steel used different heat treatment processare studied.The results show that the tensile strength and yield strength decrease apparently but the toughness increasesw ith the increase of tempering tem perature,w hen quenching at 1100℃ and tem pering at 600～700℃.W hen quenching at 1080～1120℃and tempering at680℃,w ith the increase of quenching temperature,the stress-rupture property is improving.

heat-resisting steel,heat treatment,mechanical property

王天劍 （1984-）， 男， 主要從事汽輪機新材料研發， 失效分析等工作。