热处理工艺对2_25Cr_1Mo_0_25V钢低温韧性的影响

第15卷第9期2005年9月

中国冶金 ChinaMetallurgy　Vol.15,No.9

　Sep.2005

作者简介:周维海(19672),男,博士,高级工程师; E2mail:wang_cunyu@126.com; 修订日期:2005205216

热处理工艺对2125Cr21Mo20125V钢低温韧性的影响周维海1,　张文辉1,　王存宇2,　崔占全2(1.中国第一重型机械集团公司技术管理部,黑龙江齐齐哈尔161042;

2.燕山大学材料科学与工程学院,河北秦皇岛066004)

摘　要:模拟实际大型锻件热处理工艺条件,研究了不同预备热处理和最终性能热处理工艺规范对2.25Cr21Mo20.25V钢-30℃冲击韧性的影响,结果表明经调质预处理后的低温韧性随再奥氏体化温度的升高而降低,而经1200℃正火预处理后进行1040℃奥氏体化,不仅有利于碳氮化物充分溶解与合金元素的均匀化,同时有利用奥氏体的自发再结晶细化晶粒并获得较高的低温韧性。关键词:2.25Cr21Mo20.25V钢;低温韧性;热处理工艺;大型锻件中图分类号:TG113.25

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4 文献标识码:A 文章编号:100629356(2005)0920046203

EffectofHeatTreatmentProcessontheCryogenicToughnessofSteel2125Cr21Mo20.25V

ZHOUWei2hai1,　ZHANGWen2hui1,　WANGCun2yu2,　CUIZhan2quan2(1.ChinaHeavyFirstIndustry,QualityManagementDepartment,Qiqihar161042,China;

2.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China)

Abstract:Theheattreatmentprocessesoflarge2scaleforgeweresimulatedandtheeffectsofthedifferentheattreatmentprocessesonthecryogenictoughnessat-30℃ofSteel2.25Cr21Mo20.25Vwereinvestigated.Theresultsshowthatafterlongtimetemperingthecryogenictoughnessdecreaseswiththere2austenitizingtemperatureincreasing.However,aftertrea2tedbynormalizingat1200℃andre2austenitizingat1040℃,notonlythedissolvinglevelofcomplexprecipitatesandhom2ogeneityofalloyingelementcanbeimproved,butalsothesatisfactorycryogenictoughnesscanbeobtainedduetothegrainrefiningresultingfromtheaustenitespontaneousrecrystallization.Keywords:steel2.25Cr21Mo20.25V;cryogenictoughness;heattreatmentprocess;large2scaleforgedwork2piece

加氢反应器是现代炼油工业的重大关键设备[1],2.25Cr21Mo20.25V钢是近年来发展起来的适

用于高温、高压条件下的新型加氢反应器用钢。目前国内热壁式加氢反应器的制造多采用锻焊结构[2],其中锻造筒节的性能将直接影响最终产品质

量。2.25Cr21Mo20125V钢中加入了Ti、Nb、V等合金元素,其在热加工过程中的行为将直接影响钢的性能。对于多元微合金钢,易出现复合析出效应,

其将会削弱所加入合金元素的作用[3]。为此在实际生产中应尽可能地提高固溶温度并控制冷却速率,

以减小复合析出的影响,增加钢中固溶的合金元素含量,进而提高调质处理后钢的强度。但是固溶温度的提高,会导致钢的组织粗大,降低低温韧性。因此探究在提高强度的同时,如何保证低温韧性,具有十分重要的理论和现实意义。本文主要研究在模拟实际大型锻件热处理工艺条件下2.25Cr21Mo20125V钢的低温韧性,探讨热处理工艺对低温韧性的影响规律,为实际生产工艺的制订提供参考。1　试验材料及方法 试验用钢取自实际锻件坯料,其化学成分见表1。为模拟实际大型锻件的热处理工艺条件,热处理试验均在模拟炉中进行;其热处理工艺为:①1200℃×2h空冷+1040℃×2h+700℃回火;②940℃×2h淬火+650℃×6h回火+940℃×2h淬火+700℃回火;③940℃×2h淬火+650℃×6h回火+970℃×2h淬火+700℃回火;④940℃×2h淬火+650℃×6h回火+1040℃×2h淬火+700℃回火。其中冷却速率模拟大锻件心部位置。待热处理完成后试料被加工成标准的“V”型缺口冲击试样,并进行-30℃的低温冲击性能测试。采用光学显微镜观其金相组织、扫描电镜观其断口形貌。表1　试验用2.25Cr21Mo20.25V钢化学成分(质量分数)

Table1　Chemicalcompositionofsteel2.25Cr21Mo20.25V %

CSiMnPSCrMoVAsNiCuSnTiBNbNFe0.150.080.540.0070.0042.420.910.310.0040.100.050.0040.0150.0010.03001006余量

2　试验结果及分析 图1为经不同工艺处理后-30℃的低温冲击试验结果。从图1可看出,经两次调质处理的试样,其冲击性能随着最终淬火温度的升高而降低,在940℃

图1　经不同热处理工艺后的-30℃冲击功Fig.1　Cryogenicimpactenergyofthesteelafter

differentheattreatments

和970℃奥氏体化时差别不大,而在1040℃奥氏体化时冲击功显著降低;对于最终奥氏体化温度都为1040℃的①和④工艺,经预备热处理为1200℃正火的试样冲击功要比预备热处理为940℃调质处理的高145J。 经4种热处理后的组织见图2。其中经工艺1处理的晶粒尺寸与经过工艺4处理的晶粒尺寸均较粗大,但是前者比后者要相对细小。而经工艺2和工艺3处理的晶粒尺寸都非常细小。上述组织粗细的变化与图1的低温冲击韧性变化有很好的对应性。 图3为部分冲击试样的断口形貌:经工艺1处理的试样呈现典型的解理断口,且存在夹杂物,见图3(a);经工艺2处理的试样的断口呈现以韧窝为主的韧性断裂特征,见图3(b);工艺3的结果与工艺2

相似,不同之处在于韧窝尺寸变大、变浅。当进行最终淬火温度为1040℃的工艺4时,断口为解理型的脆性断裂特征,见图3(c)。

(a)经工艺1处理后的组织;(b)经工艺4处理后的组织;(c)经工艺2处理后的组织;(d)经工艺3处理后的组织

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图2　不同热处理工艺后钢的组织Fig.2　Microstructuresofthesteelstreatedbydifferentheattreatmentprocesses

74第9期 周维海等:热处理工艺对2.25Cr21Mo20.25V钢低温韧性的影响 (a)经工艺1处理后的断口;(b)经工艺2处理后的断口;(c)经工艺4处理后的断口

图3　不同工艺下的断口形貌Fig.3　Fracturesurfacesofthesteelstreatedbydifferentheattreatmentsprocesses

从上述试验结果看出,该钢的低温韧性、组织及断口之间有非常明显的对应性。从晶粒尺寸上看,经工艺2～4处理后的试样,随再奥氏体化温度的升高,晶粒尺寸变化非常明显。对应于940℃和970℃奥氏体化的试样,晶粒尺寸与处理前相比变化不大,但是在970℃处理的试样中局部出现异常长大现象,这说明该钢的晶粒粗化温度应在此温度附近。当奥氏体化温度升高到1040℃时,此时的晶粒尺寸已明显粗化。上述组织的变化导致对应的低温韧性也发生显著变化,奥氏体化温度较低时的冲击功最高,而当奥氏体温度为1040℃时的冲击功仅为57J。断口分析结果进一步证实:当晶粒尺寸细小时的断口为韧窝为主的韧性断裂;而晶粒尺寸粗大时的断口呈明显的解理型脆性断裂特征。上述分析结果说明,该钢的低温韧性与晶粒大小密切相关,因此在生产中应严格控制晶粒尺寸,进而保证足够的低温韧性。 然而,仅从保证低温韧性的角度出发,将会限制进一步提高再奥氏体化温度,进而限制强度的提高。事实上,在保证低温韧性的同时如何提高钢的强度,一直是国内外相关领域中的热点问题。提高奥氏体化温度,有利于钢中合金碳氮化物的溶解,或有利于钢中复合析出物的溶解[3],对于V,Nb,Ti多元微合金化的低碳高强钢更是如此。但是,过高的奥氏体化温度会导致组织粗大而使低温韧性降低。一般来讲,奥氏体晶粒尺寸随奥氏体化温度的升高而增大,但当温度升到某一温度区间时,奥氏体晶粒尺寸反而减小;其原因是发生了奥氏体的自发再结晶[4]。奥氏体自发再结晶是所谓的“相变硬化”的结果。对于快冷得到的粗大非平衡组织(如贝氏体或马氏体),当再加热速度较快时,原有的组织缺陷以及热应力将产生硬化效应,促使奥氏体发生再结晶而使得晶粒得到细化。为此,根据已有的研究结果,工艺1的奥氏体化温度设为1040℃。但是,从所得结果看出,受大型锻件加热和冷却速率的限制,奥氏体自发再结晶效应未能充分发挥作用,导致晶粒未得到明显的细化。虽其得到了较高的低温韧性,但断口仍为解理型的脆性特征。

3　结　论 (1)经调质预备热处理的试样,其低温韧性随再奥氏体化温度的升高而降低,其原因是晶粒随奥氏体化温度的升高而发生粗化,断口也由韧窝为主的韧性断裂转为解理型的脆性断裂特征。在940℃奥氏体化时得到最高的低温冲击功为290J。 (2)经高温正火预备热处理的试样,在1040℃奥氏体化时,由于奥氏体的自发再结晶而使晶粒得到一定程度的细化,并获得了较高的低温韧性,但断口仍为解理型断裂特征。此外,较高的奥氏体化温度有利于碳氮化物充分溶解与合金元素的均匀化,

这将有益于进一步提高钢的强度。

参考文献:

[1]　肖福仁等.3Cr21Mo21/4V钢的组织与性能[J].钢铁,2001,36(10):47251.

[2]　邵祖光.再论锻焊式加氢反应器用材料的选择[J].石油化工设备技术,2002,23(6):126.