淬火工藝對2Cr11Mo1VNbN鋼性能及組織的影響

梁剛，黃有為，鐘杰，王虹，武彥榮，石聯峰，向沖

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

0 引言

2Cr11Mo1VNbN鋼是在Cr12型鋼基礎上為了強化加入了Mo、V、Nb、N等合金元素發展起來的馬氏體型耐熱鋼，是目前12%Cr系耐熱鋼中性能最好的鋼種之一。由于其優良的綜合力學性能，較好的抗氧化性能和抗腐蝕性能而被用于汽輪機葉片、螺栓、銷釘等重要零件。本文主要針對2Cr11Mo1VNbN鋼極易出現晶粒粗大現象，通過研究淬火溫度、保溫時間對其力學性能、晶粒度的影響而制定出了合理的淬火工藝。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用截面尺寸為60 mm的退火態葉片毛坯鍛件，其化學成分如表1所示。

表1 試驗材料化學成分單位：wt%

表2 材料力學性能要求

1.2 試驗方法

首先選用不同的奧氏體化溫度（1020℃、1040℃、1 060℃、1 080℃和1 100℃）對試塊進行淬火處理，通過分析對比淬火溫度對2Cr11Mo1VNbN鋼力學性能和晶粒度的影響選取合理的淬火溫度。

基于上述試驗結果，為保證材料力學性能合格和晶粒度不易粗化，進行降低溫度奧氏體化后再升溫至淬火溫度保溫后進行淬火試驗及在不同保溫時間試驗，選取較為合理的奧氏體化溫度和保溫時間。

2 試驗結果與討論

2.1 淬火溫度對性能及晶粒度的影響

為了研究淬火溫度對2Cr11Mo1VNbN鋼力學性能及微觀組織的影響，試驗選用不同淬火溫度1 020℃、1 040℃、1 060℃、1 080℃和1 100℃淬火，并經650℃×240 min回火后的室溫力學性能、高溫持久性能及晶粒度的變化如圖1～3所示。

圖2 淬火溫度對塑、韌性的影響

圖3 淬火溫度對高溫性能及晶粒度的影響

奧氏體是一種高溫相，奧氏體晶粒為了減小界面能，晶粒長大是一個自發過程，隨著淬火溫度的升高，晶粒呈現粗化趨勢，特別是淬火溫度達到1 100℃后2Cr11Mo1VNbN鋼的晶粒急劇粗化至1、2級水平。但不同溫度淬火后微觀組織變化不大，均為保持馬氏體位向分布的回火索氏體組織，如圖4～8所示。

圖4 1 020℃淬火組織（7級）

圖5 1 040℃淬火組織（8級）

圖6 1 060℃淬火組織（7級）

圖7 1 080℃淬火組織（6級）

圖8 1 100℃淬火組織 （2級）

隨著淬火溫度的升高，殘留碳化物的量減少，鋼中合金元素的固溶強化作用加強，另外奧氏體成分和淬火后組織均勻性增加，2Cr11Mo1VNbN鋼的室溫強度和硬度略有提高，但沖擊功卻由于淬火溫度升高導致的晶粒粗化而呈下降趨勢。

合金元素只有溶入基體才能發揮其作用，當淬火溫度低于1 080℃時強碳化物不能充分溶解至奧氏體，導致鋼的淬透性降低而影響淬火效果。奧氏體化過程中碳化物溶解不充分，故在回火過程中析出彌散強化效果減弱，同時Mo2C在基體中的溶解度將直接影響材料的高溫持久性能，故淬火溫度低于1 080℃材料的高溫持久性能全不合格。

2.2 奧氏體化溫度對性能及晶粒度的影響

基于2.1試驗結果，分別在960℃、990℃、1 020℃和1 050℃進行基體奧氏體轉變，再升溫至1 080℃并保溫完成碳化物溶解后淬火，圖9～11為奧氏體化溫度對2Cr11Mo1VNbN鋼力學性能及晶粒度的影響。

圖9 奧氏體化溫度對強度硬度的影響

圖10 奧氏體化溫度對塑韌性的影響

圖11 奧氏體化溫度對高溫性能及晶粒度的影響

采用在960～1 050℃溫度區間完成基體奧氏體化，再升溫至1 080℃并保溫完成碳化物溶解的淬火工藝和直接升溫至1 080℃保溫后淬火試樣的力學性能基本相當。降低奧氏體化溫度后由于Mo2C、VC等碳化物未溶解于奧氏體基體，作為第二相在奧氏體晶界上起到了釘扎作用，有效防止晶粒急劇長大。材料在1 020℃完成基體奧氏體化后升溫至1 080℃并保溫過程中VC、Mo2C充分溶解于基體將有助于材料高溫性能的提高和室溫強度、硬度的提升。

2.3 保溫時間對性能及晶粒度的影響

基于2.2試驗結果，為了掌握材料在1 080℃保溫過程中由于第二相的溶解使釘扎作用減弱對晶粒長大的影響，采用在1 020℃保溫完成基體奧氏體轉變后升溫至1 080℃分別保溫15 min、30 min、45 min、60 min和90 min的參數進行試驗，圖12～14為保溫時間對2Cr11Mo1VNbN鋼力學性能及晶粒度的影響。

圖12 保溫時間對強度硬度的影響

圖13 保溫時間對塑韌性的影響

圖14 保溫時間對高溫性能及晶粒度的影響

2Cr11Mo1VNbN采用1 020℃完成奧氏體化并升溫至1 080℃保溫不同時間試驗結果表明，其室溫強度、硬度和高溫持久性能相當，根據 “溶解越充分析出越充分”的原理，在1 080℃保溫15～90 min均可以完成VC、Mo2C等碳化物的溶解。但從晶粒度和沖擊功結果來看，隨著保溫時間的增加碳化物逐漸溶解于基體使其在晶界處的 “釘扎作用”降低甚至消失，呈現出晶粒緩慢長大和沖擊功下降的趨勢。

3 試驗結論

（1）淬火溫度對晶粒尺寸有較大影響，當淬火溫度達到1 100℃時晶粒發生長大，組織粗大，同時奧氏體化時間的增加會引起第二相的溶解使“釘扎作用”減弱也會導致晶粒長大。

（2）淬火溫度對2Cr11Mo1VNbN耐熱鋼力學性能影響顯著，隨著淬火溫度的升高，合金元素的固溶強化作用及回火后碳、氮化物的沉淀強化作用增強導致其室溫強度、硬度和高溫持久性能提升，但淬火溫度升高引起組織長大會導致沖擊功降低。

（3）2Cr11Mo1VNbN耐熱鋼采用1 020℃完成基體奧氏體化后升溫至1 080℃保溫30～60 min淬火工藝，并經650℃回火后得到保持馬氏體位向分布的回火索氏體組織，具有較好的綜合力學性能。