汽轮机零部件用12%Cr钢粗晶细化热处理工艺研究

刘禹炯 康 铜 李清松 陈猛猛 巩秀芳 江 雷

(1.东方汽轮机有限公司材料研究中心，四川618000；2.长寿命高温材料国家重点实验室，四川618000)

汽轮机零部件用12%Cr钢粗晶细化热处理工艺研究

刘禹炯1,2康 铜1,2李清松1,2陈猛猛1,2巩秀芳1,2江 雷1,2

(1.东方汽轮机有限公司材料研究中心，四川618000；2.长寿命高温材料国家重点实验室，四川618000)

对一种汽轮机零部件用12%Cr型耐热钢粗晶方钢进行了粗晶细化热处理工艺研究，用试验电炉对粗晶方钢分别进行了1 040℃×4 h退火、1 040℃×2 h退火、1 040℃×4 h正火、1 040℃×2 h正火热处理，并检查了金相组织和晶粒度。结果表明，该钢经过上述热处理后，晶粒度得到明显的细化，宏观粗晶可转变成4级以上水平。其中，1 040℃×4 h退火的热处理工艺最佳，宏观粗晶可转变成6级。

汽轮机零部件；12%Cr钢；粗晶细化；热处理工艺

12%Cr型马氏体热强不锈钢是用于制造超临界、超超临界火电机组汽轮机零部件的重要材料。由于加入了Mo、V等合金元素，12%Cr型马氏体热强不锈钢具有更加良好的高温热强性、高温组织和性能稳定性、高温抗氧化性及抗蒸汽腐蚀能力。

本研究中的一种12%Cr型马氏体热强不锈钢在汽轮机零部件实际生产过程中，需经过退火、锻造、调质等多道热加工工序，因该材料对热处理温度较为敏感，容易出现粗晶或混晶现象，从而导致晶粒度、强度、冲击等性能指标不合格。研究表明，晶粒细化是同时提高钢铁材料强度和韧性的唯一方法[1]。Hall-Petch公式[2]描述了材料强度与晶粒度大小的关系为：σs=σ0+Ksd-1/2。钢铁材料获得细晶的主要方法有：利用相变和再结晶热处理、形变热处理以及钢液超速急冷等特殊工艺方法[3]。国内外对这种12%Cr型马氏体热强不锈钢晶粒细化的工艺少有报道，而生产中却常遇到该材料的粗晶问题，因此有必要对该材料的晶粒细化工艺进行深入的研究。

本文主要研究1 040℃×4 h退火、1 040℃×2 h退火、1 040℃×4 h正火、1 040℃×2 h正火对该12%Cr型马氏体热强不锈钢晶粒细化的作用，并通过生产验证1 040℃×4 h退火细化晶粒工艺的可行性，深入分析晶粒细化的本质原因，为该材料的粗晶细化提供理论依据，以解决实际生产问题。

1 试验材料与方案

本研究所采用的试验材料为一种12%Cr型马氏体热强不锈钢，主要合金元素为Cr、Mo、V。加工工艺：锻造+退火+调质。晶粒度：宏观粗晶。

工艺试验方案：第一步，将粗晶方钢制备成12块60 mm×50 mm×25 mm的低倍检查试样，检查晶粒度；第二步，将12块试样分为4组，分别进行1 040℃×4 h退火、1 040℃×2 h退火、1 040℃×4 h正火、1 040℃×2 h正火，每个热处理参数用3块试样；第三步，检查晶粒度。

工艺试验的晶粒度检查采用1∶1的盐酸和水，加热到70℃保温15 min。热处理在SX2-16-14试验电炉中进行，该电炉最高工作温度为1 400℃，炉温均匀性：±5℃。

生产试验方案：第一步，对200件60 mm×50 mm×100 mm的方钢进行抽样检查晶粒度，并挑选出5件粗晶试样且做好标记；第二步，将5件粗晶试样和其他195件60 mm×50 mm×100 mm的方钢同炉进行1 040℃×4 h退火；第三步，将上述200件方钢按生产流程和工艺进行调质处理；第四步，对上述5件试样抽样3件进行常规力学性能和短时持久性能试验。

生产试验的热处理在大型燃气炉中进行，最高工作温度为1 200℃，炉温均匀性：±10℃。

金相组织、晶粒度检查采用DG3便携式显微镜和AXIOVERT 40 MAT显微镜。

2 试验结果与分析

2.1 工艺试验结果

试验材料在重新退火或正火前后的晶粒度检查结果如表1、图1～图4所示。试验结果表明，在重新退火或正火之前，所有试样晶粒度皆为宏观粗晶。该材料在经过1 040℃正火或退火后，晶粒度得到明显的细化，所有试样的晶粒度均达到了4级以上水平，能够满足生产标准要求。其中1 040℃×4 h的热处理工艺最佳，该工艺下所有试样的晶粒度均达到了6级。

2.2 生产试验结果

表1 方钢试样在不同热处理工艺下的晶粒度检查结果Table 1 The test results of grain sizes of square steel specimens under different heat treatment processes

(a)正火前(宏观粗晶)

(b)正火后(4级)图1 试验材料1 040℃×2 h正火前后的晶粒度和微观组织Figure 1 Grain sizes and microstructures of test material before and after 1 040℃×2 h normalizing

(a)正火前(宏观粗晶)

(b)正火后(5级)图2 试验材料1 040℃×4 h正火前后的晶粒度和微观组织Figure 2 Grain sizes and microstructures of test material before and after 1 040℃×4 h normalizing

在重新退火前通过现场金相检查的方法从200件60 mm×50 mm×100 mm的方钢中挑选5块粗晶方钢试样，上述试样在退火前、1 040℃×4 h退火后及调质后的晶粒度检查结果如表2、图5所示。由检查结果可知，退火前方钢试样为1级粗晶或宏观粗晶试样，经过1 040℃×4 h退火后，除一个试样晶粒度为3级外，其他试样晶粒度均到达4级合格水平。经过调质处理后，所有试样的晶粒度均合格，调质处理过程可以使该材料的晶粒度进一步细化。这是由于在淬火保温阶段，该材料会重结晶成更加细小的奥氏体晶粒，而随后的快速冷却过程，抑制了晶粒长大。

(a)退火前(宏观粗晶)

(b)退火后(5级)图3 试验材料1 040℃×2 h退火前后的晶粒度和微观组织Figure 3 Grain sizes and microstructures of test material before and after 1 040℃×2 h annealing

(a)退火前(宏观粗晶)

(b)退火后(6级)图4 试验材料1 040℃×4 h退火前后的晶粒度和微观组织Figure 4 Grain sizes and microstructures of test material before and after 1 040℃×4 h annealing

表2 粗晶方钢退火前、1 040℃×4 h退火后及调质后的晶粒度级别Table 2 Grain size levels of coarse grain square steel before annealing, after 1 040℃×4 h annealing and after quenching&tempering

(a)退火前(宏观粗晶)

(c)调质后(4级)图5 粗晶方钢退火前、1 040℃×4 h退火后及调质后的晶粒度和微观组织Figure 5 Grain size and microstructures of coarse grain square steel before annealing, after 1 040℃×4 h annealing and after quenching & tempering

表3 12%Cr型耐热钢在重新热处理前后的室温力学性能Table 3 Mechanical properties at room temperature of 12%Cr heat resisting steel before and after repeated heat treatment

图6 12%Cr型耐热钢在重新热处理前后的冲击功Figure 6 Impact engery of 12%Cr heat resisting steel before and after repeated heat treatment

在重新热处理前后，抽取了三件方钢试块进行力学性能检查，结果如表3、图6所示。由结果可知，该12%Cr型耐热钢在重新热处理前后的强度、延伸率、断面收缩率和硬度无明显差异，但重新热处理后的冲击功明显优于重新热处理之前。因此，晶粒细化对于提高该材料的冲击性能效果显著。

2.3 晶粒细化的原因分析

(1)合金元素对晶粒细化的影响。周维海等学者研究发现[4]，由合金元素V、Ti、Nb形成的第二相粒子在奥氏体化时的溶解和析出行为是影响奥氏体晶粒粗化的主要因素。V、Ti、Nb等合金碳氮化物质点会钉扎奥氏体晶界的迁移，阻止其晶粒长大，从而使奥氏体晶粒变细，为进一步细化铁素体晶粒提供有利条件[1]。T Kimura等人通过计算不同颗粒上铁素体形核的界面能和驱动力发现，TiN、VN、TiC、VC等颗粒十分有利于铁素体形核[5]。本研究中的12%Cr型马氏体热强不锈钢含有微量V等强碳氮化合物形成元素，可使碳氮化合物等相优先在奥氏体内的位错上析出，弥散分布的析出物一方面增加了铁素体的形核位置，另一方面起到了钉扎效应，抑制了晶粒长大，双重作用使其达到细化晶粒的目的。

(2)热处理对晶粒细化的影响。通过对钢铁材料实施退火或正火处理，可使其发生由α-Fe至γ-Fe和γ-Fe至α-Fe的相变重结晶，从而使粗大晶粒得到细化[6]。奥氏体等温形成动力学表明随等温温度升高，奥氏体形成速度加快。这是由于奥氏体的形核率和长大速度随温度升高而增大，但形核率的增加更为明显，因而控制奥氏体化温度和加热时间对控制奥氏体晶粒很重要[7]。本文研究的12%Cr型马氏体热强不锈钢含有较多的Cr、Mo、V等合金元素，因此Ac3温度较高，根据Ac3以上30～50℃退火或正火的原理，1 040℃退火或正火处理可使原粗晶通过重结晶形成细小的奥氏体晶粒。其中，1 040℃退火4 h可使奥氏体的形核率和长大速度达到一个较好的平衡点，从而使晶粒细化的效果最好。

3 结论

(1)该12%Cr型耐热钢粗晶方钢分别在1 040℃×4 h退火、1 040℃×2 h退火、1 040℃×4 h正火、1 040℃×2 h正火热处理后，晶粒度得到明显的细化，宏观粗晶转变成4级以上的晶粒度合格水平，满足标准要求。其中1 040℃×4 h退火的热处理工艺最佳，晶粒度可以达到了6级。

(2)该粗晶方钢经1 040℃×4 h退火后，按照实际生产热处理工艺进行调质后，原方钢的粗晶得到了明显的细化，其晶粒度均达到了4级以上合格水平，符合标准要求。此外，晶粒细化显著地提高了该材料的冲击性能。

(3)该粗晶方钢晶粒细化的主要原因是1 040℃退火4 h可使奥氏体的形核率和长大速度达到很好的平衡，从而使晶粒细化效果最好。另外，碳氮化合物等相增加了晶粒形核质点，同时对晶界起到了钉扎作用。

[1] 李江, 刘天模, 王金星. 钢铁材料晶粒细化的研究进展[J]. 材料导报, 2004, 18(z3):147-150.

[2] 石德珂. 材料科学基础(第2版)[M].北京：机械工业出版社， 2003.

[3] 牧正志. 细化钢铁材料晶粒的原理与方法[J]. 热处理, 2006, 21(1):1-9.

[4] 周维海, 王存宇, 张文辉. 2.25Cr-1Mo-0.25V钢的晶粒长大规律[J]. 金属热处理, 2005, 30(11):35-37.

[5] Kimura T, Ohmori A, Kawabata F, etal. Ferrite Grain Refinement through Intra-Granular Ferrite Transformation on VN Precipitates in TMCP of HSLA Steel[A]. International Conference on Thermomechanical Processing of Steel & Other Materials[C]. Wollongong, Australia:1997. 645-651.

[6] 张思清, 刘凯泉, 刘时雨. 1Cr12Mo钢晶粒细化热处理工艺的研究[J]. 大型铸锻件, 2007(6):11-14.

[7] 朱祖昌, 许雯. 钢的加热转变(二)[J]. 热处理技术与装备, 2011, 32(2):61-66.

编辑 杜青泉

Research on Heat Treatment Process for Coarse Grain Refining of 12%Cr Steel Used for Steam Turbine Component

Liu Yujiong, Kang Tong, Li Qingsong, Chen Mengmeng, Gong Xiufang, Jiang Lei

The heat treatment process for coarse grain refining of 12%Cr heat resisting coarse grain square steel used for steam turbine component has been reseached. 1 040℃×4 h annealing, 1 040℃×2 h annealing, 1 040℃×4 h normalizing and 1 040℃×2 h normalizing have been performed for coarse grain square steel in testing electric furnace. The results show that After the heat treatment, the grain size of the steel can be refined obviously, and the macroscopic coarse grain size can be changed into level 4 and above. 1 040℃×4 h annealing is the best heat treatment process, and the macroscopic coarse grain size can be changed into level 6.

steam turbine component; 12%Cr steel; coarse grain refining; heat treatment process

2016—08—01

刘禹炯(1962—)，男，高级工程师，从事金属材料热处理及新材料开发研究。

康铜(1986—)，男，工程师，从事汽轮机材料技术研究。

TG156

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