X12CrMoWVNbN10－1－1钢中δ铁素体的消除

刘志祥，刘建生，何文武，赵晓东

（太原科技大学材料科学与工程学院，太原030024）

0 引 言

近几年，为解决电力短缺问题以及提高能源的利用率，各国都在致力于发展超超临界发电设备。然而超超临界汽轮机的大型高压转子通常重约几十吨，甚至几百吨，工作部分蒸汽温度达到600℃以上、蒸汽压力达到30MPa以上，同时它还要高速旋转，因 此 对 材 料 性 能 的 要 求 极 高［1－2］。X12CrMoWVNbN10－1－1钢是常用于制备超超临界发电机转子的一种耐热钢，具有优良的高温蠕变性能、热疲劳性能以及低周疲劳性能等优点［3－5］。由于该钢中铬的质量分数约为12%，其成分类似于13Cr钢，在高温下会析出δ铁素体［6］。马力深等［7－8］对12%Cr钢进行了δ铁素体析出与力学性能测试，他们认为δ铁素体的存在会严重影响该钢的力学性能，在加工过程中应避免δ铁素体出现；对已经出现的δ铁素体，可以采用长期保温的方法予以消除。

对于 X12CrMoWVNbN10－1－1钢在热加工过程中产生的有害δ铁素体组织，一般可以通过回炉重铸、锻造、热处理等方法加以处理，然而回炉重铸代价太大，因此对锻造和热处理等方法进行消除δ铁素体的研究具有重要意义。由于国内外对此钢中δ铁素体的研究甚少，而且δ铁素体的消除方法及工艺并不明确，所以作者采用热处理和热镦粗试验，研究了该钢中δ铁素体的消除规律，并探讨了消除δ铁素体的热加工工艺。

1 试样制备与试验方法

试验材料取自锻造后的超超临界X12CrMoWVNbN10－1－1钢转子内部，其化学成分如表1所示。

表1 试验钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of tested steel（mass）%

然后将材料进行如下处理。

预处理：将原始材料在箱式加热炉中于1 200℃保温30h，然后空冷至室温。

热处理：根据前期试验研究结果，热处理温度为1 000～1 100℃、保温时间为10h较为合适。将预处理后的试样切成小块，放入箱式加热炉中，加热温度为1 010，1 040，1 070℃，保温时间为10h，然后空冷至室温。

热镦粗：将预处理后的试样加工成φ40mm×60mm的小试样，加热至1 200℃保温5h，然后在100t液压机上镦粗，压下量分别为20%，50%，70%，空冷至室温后从中间锯切。

热处理后，使用由体积分数为10%的硫酸和0.5g高锰酸钾组成的溶液在70℃的水浴中对试样进行腐蚀，用蔡司Axio Imager A1m型光学显微镜观察组织，依据GB／T 13305－2008［9］统计δ铁素体含量的变化；热镦粗后使用相同的腐蚀液对试样进行腐蚀，然后用相同的光学显微镜观察组织，并统计各个变形区中δ铁素体的含量。

将热处理后的试样与热镦粗后的试样按照GB／T 229－1994［10］标准，在摆锤式冲击试验机上测其室温冲击值，取3个试样的平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图1可以看出，预处理后试验钢的晶粒粗大，粒度为0级，并有大量白色块状δ铁素体析出；在1 010℃保温10h后，δ铁素体依然密集分布于基体中；在1 070℃保温10h后δ铁素体呈带状分布。可见，经不同温度热处理后的试样中依然含有δ铁素体，且含量较多。

试验钢热镦粗后的变形区如图2（a）所示，由于镦粗过程中摩擦力的作用，变形区分为大变形区、小变 形区和难变形区。由图2（b）～（d）可知，压下量为20%时，试验钢中δ铁素体的含量有所减少，但是不明显；压下量为50%时，大变形区中的δ铁素体被压成细条状，且含量进一步减少；压下量为70%时，大变形区中的δ铁素体基本消失，晶粒非常细小，粒度为5～7级；镦粗后的小变形区及难变形区均有δ铁素体存在（图略）。

试验钢中δ铁素体的原始含量（体积分数，下同）为2.5%，从表2中可以看出，与原始含量相比，不同温度热处理后δ铁素体的含量均有所降低，但总量依然较高，可见热处理对δ铁素体的消除作用有限。由表3可见，热镦粗变形后，δ铁素含量均大幅下降，尤其是在70%压下量的大变形区，含量最低，仅为0.3%。由此可见，热变形对δ铁素体的消除具有显著作用。

表2 不同温度热处理后试验钢中的δ铁素体含量Tab.2 δferrite content in tested steel after heat treatment at different temperatures

表3 热镦粗后试验钢中的δ铁素体含量（体积分数）Tab.3 δferrite content in tested steel after hot upsetting（vol）%

2.2 冲击性能

试验钢在不同状态下的冲击功如表4所示。预处理后的冲击值仅为17.3J；热处理后，冲击功有所增大，最大值为26.7J。所以热处理对改善该钢的冲击性能具有一定效果，但是效果不明显。而镦粗压下量为70%的试验钢，其冲击功高达101J，冲击韧性得到大幅提升。

表4 不同状态下试验钢的冲击功Tab.4 Impact energy for tested steel in different states J

2.3 机理分析

X12CrMoWVNbN10－1－1钢 属 于 低 碳 高 合 金钢，其室温组织由马氏体、碳化物、铁素体组成。根据固态相变原理，当加热到奥氏体化温度时，室温组织向奥氏体转变，奥氏体首先在晶界处形核，形核后奥氏体长大，其周围的马氏体、碳化物与铁素体逐渐消失；在此过程中，有部分δ铁素体也会消失［11］。另外，钢中的钒、铌等元素与基体结合会生成 MX（M为钒、铌等，X为碳、氮等）化合物，其完全溶解温度约为1 220℃，可作为第二相粒子弥散分布于基体中，对奥氏体晶界移动起“钉扎”作用［12］。因此，在热处理时奥氏体晶粒的长大受阻，晶粒变细，同时由于发生相变而转化生成一部分δ铁素体，呈现整体性能的部分提升。

热镦粗过程是一个塑性变形过程，从组织上来分析，热变形时粗大的奥氏体经过压缩变得细长，变形区发生动态再结晶及静态再结晶，再结晶形成新的、细小的奥氏体组织［13］。在之后的冷却过程中，过冷奥氏体发生马氏体转变，形成马氏体组织，完成最终的组织转变。变形程度越大，其发生再结晶的量也就越多，晶粒尺寸就越细小。另外，在大的压缩变形时，大块的δ铁素体组织破碎成细小的碎块，在促进再结晶的同时，未转变的部分弥散分布在基体中，也提升了力学性能。

使用Deform 3D软件按照试验钢的尺寸进行模拟，其它条件：上模压下速度10mm·s－1，摩擦因数为0.3，材料模型为 X12CrMoWVNbN10－1－1钢的本构关系模型。等效应变计算结果如图3所示。由图3可知，当压下量为20%，50%和70%时，大变形区等效应变分别约为0.25，0.8和1.5。显然，等效应变量越大，其发生再结晶越充分，弥散分布效果越强，δ铁素体含量也就越低。因此，统计的镦粗后δ铁素体含量与等效应变量是对应的。在试验中，当发生70%的镦粗压下量时，其晶粒度已经细化到7级，δ铁素体的体积分数仅为0.3%，大部分δ铁素体已无法观察到，故而冲击功大幅上升。

3 结 论

（1）预处理后的 X12CrMoWVNbN10－1－1钢在1 010，1 040，1 070℃保温10h后，δ铁素体含量略有下降，冲击功有所提升，但效果不明显。

（2）预处理后的 X12CrMoWVNbN10－1－1钢经热镦粗后，在70%压下量时的大变形区内，等效应变量为1.5，δ铁素体基本消失，晶粒细小。

（3）X12CrMoWVNbN10－1－1钢热处理和热镦粗后的冲击功分别为25，101J。

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