正火冷却速度对12Cr1MoVG冲击功影响的研究及应用

2020-03-22赵志明

机械工程与自动化 2020年1期

赵志明

（太原锅炉集团有限公司，山西太原 030008）

0 引言

12Cr1MoVG是一种珠光体低合金热强钢，是国内高压、超高压、亚临界电站锅炉过热器、集箱和主要蒸汽管道广泛采用的钢种。它具有较高的热强性、抗氧化性和持久塑性，主要用于制造电站锅炉壁温≤580℃的受热面管道，壁温≤565℃的集箱、蒸汽管道和锅炉大型锻件。其工艺性能良好，但对热处理工艺比较敏感，尤其对奥氏体化后冷却速度的影响更为敏感。生产实践证明：厚壁12Cr1MoVG集箱变径、收口后母材采用“正火＋回火”、“淬火＋回火”的热处理工艺时，经常出现冲击韧性值低、冲击值不均甚至不合格的现象。因此，作者对不同壁厚的12Cr1MoVG合金管母材在不同正火冷却速度下进行了试验研究。

1 试验过程

1.1 不同冷却方式的力学试验数据对比

对常用的规格为Φ219×30、Φ377×45、Φ455×40的12Cr1MoVG母材在实验室进行正火后不同冷却方式的热处理试验，得到的力学试验数据见表1。

1.2 不同冷却方式的金相组织分析

表2、图1～图6分别为其采用不同冷却方式后的金相组织对比。

2 工艺改进

根据实际生产情况，选择最大厚度为30mm的12Cr1MoVG母材进行变径、收口试验，根据上述试验得出的结论及结合产品制造过程的热处理工艺，在进行变径、收口时用加热温度代替正火温度，以不同的冷却方式进行试验，以产品的退火工艺代替回火，见表3。

冲击试样在变径、收口工艺中分别按图7、图8进行取样，加热区域在形变开始和结束的位置取样，过渡区域根据实际测量结果每间隔一定温度取样。

冷却方式改进前、后12Cr1MoVG变径、收口的冲击试验数据见表4。

表1 12Cr1MoVG合金管采用不同冷却方式后的力学性能

3 验证结果

（1）通过试验明确了3种规格分别为Φ219×30、Φ455×40、Φ377×45的正火冷却方式，填补了标准中关于选择正火冷却方法的空白，对于规格为Φ377×45提出了正火水冷＋空冷＋回火的热处理方式，根据12Cr1MoVG钢连续冷却转变曲线［1］，水冷时不能使钢管冷透发生马氏体转变，而是将钢管经水冷到一定温度后再进行空冷，这样12Cr1MoVG钢既满足了750℃～500℃快速冷却的要求，又得到了由部分奥氏体转变的贝氏体，通过在750℃～500℃保持大于20℃／min的冷却速度能够得到具有良好蠕变强度性能的原始组织［2］。

（2）室温冲击吸收功不合格的12Cr1MoVG钢管有两种典型的金相组织：一种是“铁素体＋少量的贝氏体（甚至没有贝氏体）”，该组织常常出现在壁厚较厚（或直径／厚度值较小）正火冷却方式是空冷或风冷的情况中，这种组织状态的冲击韧性均较差；另一种是“铁素体＋粗大的贝氏体团＋珠光体”，由于其组织存在较多的粗大的贝氏体团，回火脆化加剧，造成冲击值高低不均，很分散［3］。

（3）大直径壁厚12Cr1MoVG正火后冷却中，根据12Cr1MoVG等温转变曲线，应避开马氏体转变区，防止回火时出现回火索氏体组织，增加母材的强度，降低其塑性，这对于锅炉用材料是非常不利的。

（4）对于长期服役于高温、高压条件下的12Cr1MoVG合金钢管来说：当屈强比在（0.60～0.76）区间且显微组织为粒状贝氏体（30%～40%）及（60%～70%）铁素体或珠光体［4］，具有良好的综合性能，是最为理想的状态。

表2 12Cr1MovG采用不同冷却方式后的性能分析及金相组织

图1 Φ219×30正火后空冷＋回火

图2 Φ219×30正火后风冷＋回火

图3 Φ455×40正火后风冷＋回火

图4 Φ455×40正火后水冷＋回火

4 结论

通过在750℃～500℃获得较快的冷却速度，以得到具有良好综合性能的原始组织。在该温度范围内提高正火冷却速度，可使钢管金相组织中的铁素体晶粒度与粒状贝氏体团的尺寸明显变小，粒状贝氏体中岛状物的亚结构亦明显细化。对于长期服役于高温、高压条件下的12Cr1MoVG来说，既得到了较为理想的金相组织“铁素体＋珠光体＋粒状贝氏体”，又得到了相对稳定的力学性能和冲击性能，为制定锅炉产品中厚壁12Cr1MoVG变径、收口、弯管的热处理工艺提供了依据。