调质工艺对蒸汽发生器拉杆用X12Cr13钢组织和性能的影响

李　筱，尹　嵬，袁　钢

（1.山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心， 山西　太原　030003； 2.太原理工大学材料学院，山西　太原　030024）

试（实）验研究

调质工艺对蒸汽发生器拉杆用X12Cr13钢组织和性能的影响

李筱1，2，尹嵬1，袁钢1

（1.山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心， 山西太原030003； 2.太原理工大学材料学院，山西太原030024）

通过试验研究了调质工艺对蒸汽发生器拉杆用半马氏体型不锈钢X12Cr13微观组织和力学性能的影响。结果表明：在相同的回火温度下，随着淬火温度的提高，晶粒明显长大，残余奥氏体增多，强度先升高后降低，塑性及韧性下降；在相同的淬火温度下，随着回火温度的升高，板条马氏体形态减弱，碳化物尺寸增加，而晶粒尺寸变化不大，强度逐渐降低，塑性及韧性不断升高。

X12Cr13不锈钢调质处理微观组织强韧性

蒸汽发生器是核岛内的三大设备之一，是压水堆核电厂一回路、二回路的边界，它将反应堆内载热剂的热量传递到二回路，使水成为饱和蒸汽，从而推动汽轮机发电[1]。蒸汽发生器拉杆是用于固定U形管束隔板的，可有效防止隔离管板的震动，拉杆材料对核电站的安全可靠运行起着关键作用。由于蒸汽发生器连接杆是在高温、高压、强腐蚀环境下被使用的，因而对制造连接拉杆材料的耐高温强度、耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性及可加工性提出了严格要求[2]。

蒸汽发生器属于核安全一级设备，RCC-M规范等级为一级[3]，工况非常恶劣，对材料要求极高。RCC-MM5110中对拉杆用X12Cr13的性能要求见表1。X12Cr13属于半马氏体型不锈钢[4]，即除马氏体外，组织结构中还含有铁素体。该钢种经过适当的淬火及回火之后组织中的马氏体转变为回火索氏体，在提高材料塑、韧性的同时保持了较高的强度。

表1　RCC-MM5110中规定的钢棒力学性能

1　试验材料和方法

试验材料为Φ55mm的X12Cr13不锈钢钢棒。钢棒生产工艺流程为：K-OBM-S→LF炉→模铸→初轧开坯→初轧坯退火→热轧→退火。试样化学成分见表2。

表2　试样化学成分　%

淬回火试样尺寸为Φ55 mm×350 mm。淬火工艺为在淬火温度保温1 h并油冷至室温，淬火温度为950～990℃。回火工艺为将淬火后的试样在620～670℃的温度范围内保温2 h并油冷至室温。

采用HB-3000型布氏硬度计、CMT5105型液压压力试验机、ZBC-300B型冲击试验机分别对试样的硬度、拉力及冲击性能进行检测；采用德国LEICA DMIRM光学金相显微镜进行组织观察。冲击试样为V型缺口。

2　试验结果与分析

2.1淬火温度对X12Cr13钢调质后力学性能与组织的影响（见下页图1、图2）

图1为当回火温度为640℃时淬火温度对钢棒调质后强度、硬度、延伸率和0℃冲击功的影响。由图1-1可知，当淬火温度为950～980℃时，随着温度的升高，回火后材料的屈服强度、抗拉强度及硬度逐渐升高，峰值出现在980℃，此时三个指标分别提高了8.3%、6.5%和16.3%，在990℃淬火并回火后材料的屈服强度、抗拉强度及硬度均有所下降；由图1-2可知，随着淬火温度的升高，试验钢回火后的延伸率缓慢下降，但0℃冲击功下降明显，在此温度范围内降低了45%。

图1　回火温度为640℃时淬火温度对钢棒调质后强度、硬度、延伸率和0℃冲击功的影响

图2　回火温度为640℃时各淬火温度下钢棒调质后的微观组织

图2为回火温度为640℃，淬火温度在950、970、990℃时钢棒调质后的组织形貌。由图2-1、图2-3可知，在950℃淬火并回火后的组织中可以观察到多边形铁素体及少量块状的淬火残余铁素体，但在990℃淬火并回火后试样中的铁素体基本保持了原有马氏体的板条形态。这说明经较高温度淬火后基体溶入了更多的碳、铬等元素，使马氏体更为稳定，而在相同的温度回火后其不易分解，保持了原有的板条状。淬火温度由950℃提高到970℃时，晶粒长大较少，但当淬火温度由970℃提高到990℃时晶粒尺寸大幅提高。随着淬火温度的提高，更多的碳化物溶入到基体当中，经过回火后，碳化物虽然重新析出、长大，但其尺寸及数量随淬火温度的提高而逐渐减少。另外，随着淬火温度的升高，奥氏体稳定性逐步提高，淬火后残余奥氏体的含量也逐渐升高，经高温回火后，并不能完全消除残余奥氏体[5]，因此随着淬火温度的升高，材料回火后残余奥氏体的含量逐渐增加。

当回火组织中的残余奥氏体越多、晶粒尺寸越大时，材料的强度和硬度越低；而当基体中固溶的合金元素越多，晶格畸变越大，则强度和硬度越高[6]。从图1-1可知：材料的强度和硬度在950～980℃时逐渐提高，在980℃时达到最大值。说明在该淬火温度范围内，固溶强化所起到的强化作用大于残余奥氏体的增多及晶粒尺寸增大对材料强度的弱化作用；当淬火温度达到990℃时，材料的强度及硬度有所降低，说明在该温度下进一步增多的残余奥氏体及明显长大的晶粒对材料强度的弱化起到了主要作用。

在冲击韧性方面，晶粒尺寸是影响韧性的最主要因素，晶粒尺寸越小，越有利于冲击韧性的提高，这是由于细化的晶粒增大了表面能，推迟了裂纹萌生，增加了裂纹扩展的阻力，增大了断裂应变。在回火索氏体组织中，残余奥氏体可改善材料的冲击韧性，而板条状铁素体由于晶界比较尖锐，不利于韧性的提高[7-8]。因此，随着淬火温度的升高，在相同的温度回火之后由于材料的晶粒尺寸明显增大、铁素体的板条形态更为突出，虽然残余奥氏体含量在增加，但韧性却随着淬火温度的升高而不断降低。

2.2回火温度对X12Cr13钢力学性能与组织的影响

下页图3为当淬火温度为990℃时回火温度对钢棒调质后强度、硬度、延伸率和0℃冲击功的影响。由图3-1可知，随着回火温度的升高，试验钢的屈服强度、抗拉强度及硬度逐渐降低，但下降缓慢。当回火温度由620℃提高到670℃时，屈服强度、抗拉强度及硬度分别降低了1.34%、3.41%和8.64%。由图3-2可知，随着回火温度的升高，试验钢的延伸率和0℃冲击功提高。在620～640℃回火时，延伸率和0℃冲击功上升缓慢；在640～670℃时上升较快，尤其是0℃冲击功在此温度范围内上升了55%。

下页图4为当淬火温度为990℃、回火温度在630、650、670℃时钢棒调质后的组织形貌。从图4中可以看出，随着回火温度的升高，淬火片状马氏体的形态逐渐减弱，残余奥氏体不断分解，碳原子和合金元素的扩散加快，基体中的M23C6型碳化物不断聚集长大。在回火过程中，过饱和的α固溶体脱溶，C原子的固溶强化效应不断下降，位错及变形孪晶等缺陷也不断减少。同时，随着回火温度的提升，碳化物颗粒的平均直径增大，对位错的钉轧作用逐渐减弱。以上各因素的综合作用使得材料的硬度、强度随回火温度的升高而逐渐下降，塑性和韧性不断上升。随着回火温度的升高，碳化物尺寸增大，影响冲击过程中裂纹的形成和扩展。回火温度越高，则碳化物的圆整度越好，减小了应力集中，使产生裂纹所需的应力及裂纹扩展临界应力得到提高，裂纹扩展相应缓慢，韧性得到提高[9]。从图4还可以看出，随着回火温度的升高，材料的晶粒尺寸没有明显变化。

图3　淬火温度为990℃时回火温度对钢棒调质后强度、硬度及延伸率和0℃冲击功的影响

图4　淬火温度为990℃时各回火温度下X12 Cr13钢棒的微观组织

3　结论

1）X12Cr13不锈钢经不同温度淬火并经640℃高温回火后，随淬火温度的提高，晶粒尺寸不断增大，残余奥氏体含量逐渐提高，铁素体的板条形态更为明显。当淬火温度为950～980℃时试验钢的强度及硬度逐渐提高，并于980℃达到最大值；当淬火温度升至990℃时，材料的强度及硬度降低，随着淬火温度的提高，材料塑性缓慢下降，而0℃冲击韧性大幅降低。

2）对试验钢进行990℃淬火、不同温度高温回火试验后发现：随回火温度的升高，组织中残余奥氏体不断分解，片状马氏体形态不断减弱，碳化物尺寸逐渐长大，但晶粒尺寸变化不大，同时试验钢的强度及硬度逐渐下降，塑性及韧性得到提高。

3）为满足蒸汽发生器拉杆对材料强度及韧性的要求，可选择淬火温度为980～990℃、回火温度为640～650℃的调质工艺对材料进行处理。

[1]顾永康，张良成，张仁刚，等.60万kW核电蒸汽发生器的管子与管板焊接[J].焊接，2001（2）：33-35.

[2]华大凤，华鹏，王树平，等.核电站蒸汽发生器用拉杆材料及其制备方法：CN102732801.A[P].2012-10-17.

[3]法国核岛设备设计，建筑及在役检查规则协会，中科华核电技术研究院有限公司.RCC-M压水堆核岛机械设备设计和建造规则[M].上海：上海科学技术文献出版社，2011.

[4]陆世英，张廷凯，杨长强，等.不锈钢[M].北京：原子能出版社，1998.

[5]黄海清.18Cr2Ni4WA渗碳钢的热处理工艺研究[J].热处理，2007，22（4）：49-52.

[6]白鹤，王伯健，丰振军，等.淬火温度对含钼马氏体不锈钢组织性能的影响[J].材料研究与应用，2010（2）：120-124.

[7]任勇强，尚成嘉，张宏伟，等.0.23C-1.9Mn-1.6Si钢中的残余奥氏体对韧塑性的影响[J].材料研究学报，2014（4）：274-280.

[8]王晓，王作成，王协彬，等.亚温淬火对硼镍添加含铌低合金高强度H型钢组织性能的影响[J].材料工程，2012（3）：22-27.

[9]余斌，李晓源，时捷，等.高温回火对GCr15SiMn轴承钢组织和力学性能的影响[J].金属热处理，2015，40（2）：176-179.

（编辑：胡玉香）

Influence of Conditioning Technology on the Structure and Its Performance of X12Cr13 Stainless Steel for the Steel Rod of Steam Generator

LI Xiao1，2，YIN Wei1，YUAN Gang1
（1.Technology Center of Shanxi Taigang Stainless Steel Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030003；2.Material Department of Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 030024）

This paper analyzes influence of conditioning technology on the structure and its performance of X12Cr13 stainless steel for the steel rod of steam generator by experiment.The result showed that the higher temperature of quench was，the bigger grain and the more austenite were，and the intensity rose first and then fell as well as plasticity and tenacity with the increase of backfire.At the same temperature of quench，the higher backfire was，the weaker martensite was and the larger size of carbide was，but the size of grain was not obvious and the intensity reduced and the plasticity and tenacity increased gradually.

X12Cr13 stainless steel，conditioning treatment，microstructure，obdurability

TG142.71

A

1672-1152（2016）04-0007-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.03

试（实）验研究

2016-05-18

李筱（1981—），男，现在山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心从事不锈钢研发工作，工程师。