冷卻速度對12Cr2Mo1鋼顯微組織和硬度的影響

王麗艷，李興東，黃 亮，馬新博(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司， 哈爾濱 150046)

12Cr2Mo1是一種貝氏體耐熱鋼，主要用于制造蒸汽溫度為510 ℃的汽輪機高中壓管道和導汽管，以及管壁溫度為550 ℃的過熱器管等[1]，是電力、石油化工等工業部門應用于高溫條件下的重要材料[2-4]。它不僅具有良好的抗氧化性，還有較好的抗硫和抗氫腐蝕性能，并且合金元素含量少，具有較好的工藝性能和物理性能，在500～550 ℃使用時具有較好的熱強性[5-6]。當使用溫度大于550 ℃時，其熱強性能顯著降低[7-9]。熱處理是改善耐熱鋼性能的一種常見的重要手段，其中冷卻速度是控制耐熱鋼微觀組織及力學性能的重要工藝參數[10]。本研究旨在通過分析不同冷卻速度對12Cr2Mo1鋼微觀組織和力學性能的影響，探索出最佳的工藝參數，為12Cr2Mo1鋼的應用提供理論指導。

1 試驗材料及方法

本試驗所選用的12Cr2Mo1鋼的主要化學成分如表1所示。采用的熱處理工藝是在10 min內將材料加熱至980 ℃，保溫30 min后，分別以不同速度冷卻至室溫，冷卻速度分別為0.05 K/s、0.5 K/s、1 K/s、5 K/s、20 K/s和100 K/s。

表1 12Cr2Mo1鋼的化學成分(質量分數%)

采用DIL805快速相變儀進行相變試驗，相變試樣為直徑4 mm，長度10 mm，表面粗糙度不高于1.6 μm的小圓柱。用Axiovert 40 MAT型倒置光學顯微鏡和德國蔡司SUPRA 55高能場發射掃描電子顯微鏡觀察12Cr2Mo1鋼的顯微組織。用HB3000型硬度計測試12Cr2Mo1鋼的維氏硬度，選用載荷為300 g，保載時間為15 s。

2 試驗結果及分析

2.1 12Cr2Mo1鋼熱處理熱膨脹試驗

圖1為12Cr2Mo1鋼在10 min內加熱至980 ℃，保溫30 min后，按照不同速度冷卻至室溫的相變曲線。從圖1(a)中可以看出，當冷卻速度為0.05 K/s時，冷卻過程發生兩次相轉變，分別在680 ℃至800 ℃之間和350 ℃至433 ℃之間，這說明冷卻過程中先后發生了鐵素體析出和貝氏體轉變。當冷卻速度大于0.5 K/s時，只發生貝氏體轉變，幾次試驗的相變開始點均在400～500 ℃，為貝氏體轉變。

(a) 冷卻速度為0.05 K/s

(b) 冷卻速度為0.5 K/s

(c) 冷卻速度為1K/s

(d) 冷卻速度為5K/s

(e) 冷卻速度為20 K/s

圖1 12Cr2Mo1不同冷卻速度的相變曲線

2.2 12Cr2Mo1鋼熱處理后的組織

圖2為不同熱處理工藝處理后12Cr2Mo1鋼的金相組織圖。各種熱處理工藝過程中僅冷卻速度不同。從圖2中可以看出，隨著冷卻速度的增加，12Cr2Mo1鋼的金相組織中鐵素體的相對含量減少，珠光體的相對含量逐漸增加。當冷卻速度大于1 K/s時，12Cr2Mo1鋼的金相組織主要由貝氏體組成。

(a) 冷卻速度為0.05 K/s

(b) 冷卻速度為0.5 K/s

(c) 冷卻速度為1 K/s

(b) 冷卻速度為0.5 K/s

(e) 冷卻速度為20 K/s

圖2 12Cr2Mo1鋼經不同速度冷卻后的金相組織

圖3是12Cr2Mo1鋼經不同速度冷卻后的掃描電鏡照片。以0.05 K/s冷卻到室溫的12Cr2Mo1鋼主要由鐵素體和粒狀貝氏體組成。隨著冷卻速度升高，鐵素體減少，貝氏體含量增加。當冷卻速度為0.5 K/s時，組織主要為粒狀貝氏體；隨著冷卻速度增大，組織由粒狀貝氏體向板條狀貝氏體轉變，直至獲得全部下貝氏體組織。

(a) 冷卻速率為0.05 K/s

(b) 冷卻速率為0.5 K/s

(c) 冷卻速率為1 K/s

(d) 冷卻速率為 5K/s

(e) 冷卻速率為20 K/s

圖3 不同速度冷卻后12Cr2Mo1鋼的掃描電鏡照片

2.3 12Cr2Mo1鋼熱處理后的硬度

圖4是12Cr2Mo1鋼維氏硬度與冷卻速度之間的關系。可見，隨著冷卻速度的加快，12Cr2Mo1鋼的維氏硬度逐漸升高。隨著冷卻速度的增加，先析出的鐵素體逐漸減少消失，下貝氏體含量逐漸增加，同時顯微組織逐漸由粒狀貝氏體變為板條狀下貝氏體。由于下貝氏體是12Cr2Mo1鋼中的強化相，因此，粒狀貝氏體的減少和板條狀下貝氏體含量的增加，是其硬度一直增加的主要原因。

圖4 不同速度冷卻后12Cr2Mo1的維氏硬度

3 結 論

本文采用熱膨脹儀分析相變點的方法，對不同速度冷卻后12Cr2Mo1鋼的組織性能進行了觀察研究，分析認為隨著熱處理工藝中冷卻速度的增加，12Cr2Mo1鋼中鐵素體逐漸減少，貝氏體逐漸增加，同時組織形貌由粒狀貝氏體轉變為板條狀下貝氏體，并逐漸變粗。以上顯微組織的變化導致鋼的維氏硬度隨著冷卻速度的增加而一直升高。希望本文的工作能夠為12Cr2Mo1鋼的工業熱處理工藝設計及應用提供參考。