12Cr1MoVG厚壁钢管高温正火 回火的组织和性能.pdf

第 44 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.44.No.4August 2023特殊钢SPECIAL STEEL12Cr1MoVG厚壁钢管高温正火+回火的组织和性能张银桥1，2，孔繁革1，2，张继宏1，2，王煜3，朱志宝1，2，李勇1，2，李海松1，2（1 大冶特殊钢有限公司钢管研究所，黄石435001；2 高品质特殊钢湖北省重点实验室，黄石435001；3 上海锅炉厂有限公司，上海200245）摘 要：通过显微组织观察和室温拉伸试验、室温冲击试验、硬度试验和高温持久性能试验，研究了457 mm70 mm 12Cr1MoVG（/%：0.13C，0.21Si，0.56Mn，1.07Cr，0.31Mo，0.20V，0.008P，0.004S，0.02Ni，0.004Cu，0.012 4Al）钢管在1 000 正火后采用水雾加速冷却和740 回火的组织和性能。结果表明：显微组织为铁素体+贝氏体，贝氏体量约占 65%，晶粒度 75 级；屈服强度为 416 MPa，抗拉强度为 575 MPa，室温冲击功为 206244 J，布氏硬度187HBW；575 105 h持久强度为86 MPa；575/100 MPa持久51 480 h未断；575/120 MPa持久27 198 h断裂，试样开裂起源于晶界蠕变孔洞，周边贝氏体基体没有发现严重的球化等现象，组织稳定性优异。关键词：12Cr1MoVG厚壁钢管；组织与性能控制；贝氏体；高温持久强度DOI:10.20057/j.1003-8620.2023-00043 中图分类号：TG156Microstructure and Properties of 12Cr1MoVG Thick-wall Steel Pipe with High Temperature Normalizing+TemperingZhang Yinqiao1，2，Kong Fange1，2，Zhang Jihong1，2，Wang Yu3，Zhu Zhibao1，2，Li Yong1，2，Li Haisong1，2（1 Steel Pipe Products Institute，Daye Special steel Co.，Ltd.，Huangshi 435001，China；2 Hubei Province Key Laboratory for High Quality Special Steel，Huangshi 435001，China；3 Shanghai Boiler Works Co.，Ltd.，Shanghai 200245，China）Abstract：Microstructure and properties of 457 mm70 mm 12Cr1MoVG steel pipe（/%：0.13C，0.21Si，0.56Mn，1.07Cr，0.31Mo，0.20V，0.008P，0.004S，0.02Ni，0.004Cu，0.012 4Al）after 1 000 normalizing plus using water mist accelerated cooling and 740 tempering were studied by means of microstructure observation，tensile test，impact test at room temperature，hardness test and high temperature durability test.The results showed that the microstructure consisted of ferrite and bainite，with the volume of bainite accounting for 65%，and the grain size of 7-5 grade.Yield strength was 416 MPa，tensile strength was 575 MPa，impact energy at room temperature was 206-244 J，brinell hardness was 187HBW.The endurance strength under 575 105 h was 86 MPa.It lasted 51 480 hours at 575/100 MPa unbroken.After 27 198 hours，it cracked under 575/120 MPa，and the crack originated from grain boundary creep pores，no serious spheroidization was found in the bainite matrix surrounding.The structure stability was excellent.Key Words：12Cr1MoVG Steel Pipe with Thick-wall；Microstructure and Properties Control；Bainite；High Temperature Endurance Strength12Cr1MoVG 钢是一种广泛应用于火力发电厂高温部件的钢种，具有较高的持久强度、持久塑性和良好的抗氧化性能，焊接性能及其冷热成型良好，其大口径管通常用于蒸汽温度550 的集箱、蒸汽管道、管件等重要部件1-3。12Cr1MoVG钢最初的标准YB 529-65（YB6-59）是 等 效 采 用 前 苏 联 标 准 10802-64（4543-59）标准中的12Cr1MoV材料，时至GB/T 5310-2017 高压锅炉用无缝钢管，材质的性能要求基本没有大的改变。12Cr1MoVG钢对热处理比较敏感，其力学性能与热处理规范有很大的关系。随着火力发电机组的参数提升，管道（管件）外径和壁厚都随之增加，尺寸效应凸显，在成型和热处理方面面临巨大挑战，诸如钢管的强度不足、硬度不均、冲击功波动、组织不均匀等现象频发，微合金化和热处理工艺研究改进提升了钢管的强韧性4-10。大容量、高参数发电机组迫切需要组织均匀、稳定、可靠性好的优质大口径厚壁钢管，以确保其安全可靠运行。12Cr1MoVG 钢的显微组织允许有多种形式存在，如铁素体+珠光体、铁素体+粒状贝氏体、铁素体+粒状贝氏体+珠光体、全贝氏体等组织都是允许的。在行业内，钢管通常的组织形态是铁素体+珠光体+少量的贝氏体，存在大量的贝氏体组织经常作者简介：张银桥（1984-），男，工程师；E-mail:；收稿日期：2023-03-21102第 4 期张银桥等：12Cr1MoVG厚壁钢管高温正火+回火的组织和性能按异常组织处理，而视为特殊产品。具有大量贝氏体组织的钢管在高温长时运行工况下，其组织稳定性如何，持久性能的表现如何，国内还没有文献报道。本文对采用正火加速冷却工艺的 12Cr1MoVG钢大口径厚壁管产品进行常规性能检验和长期高温持久试验，探索此类组织的稳定性，为制造大口径厚壁12Cr1MoVG无缝钢管进行有益探索。1试验材料及方法试验材料生产流程为：120 t转炉冶炼+LF精炼+RH脱气连铸700 mm圆坯锻造460 mm圆钢热轧钢管（457 mm70 mm）正火处理回火处理无损检测精整及包装。为使钢具有高纯 净 度，冶 炼 过 程 中，控 制 转 炉 终 点C0.06%，P0.012%，S 0.007%，出钢时加铝脱氧；钢包喂线控制 Alt 0.018%，并使用 FeSi、SiC、Al粒扩散脱氧；RH工序极限真空度67 Pa，精炼时间15 min；严格控制中间包钢水过热度。锻造工序控制终锻温度780，锻后 660680 去应力退火；管坯加热温度1 260，锥形辊斜轧穿孔+Assel轧管。GB/T5310-2017中允许的正火温度是9801 020，回火温度是 720760。正火温度选择时，考虑到正火温度升高，钢中碳与合金元素的溶解量增大，珠光体转变的孕育期变长，有利于获得贝氏体组织，但是过高温度，会加剧晶粒的长大，故选择正火温度1 000，保温105 min，出炉后采用水雾加速冷却，500 以上冷却速度 1.251.00/s；回火温度740，保温180 min，出炉空冷。钢管的化学成分见表1。完成热处理，在钢管的 1/4壁厚处横向切取试料，加工10 mm圆形拉伸试样，用QUASAR300拉伸试验机进行常温拉伸试验，用RD2-3拉伸试验机进行高温拉伸试验，试验温度575，加载应力分别是 150、130、120、110、100 MPa。采 用 JBW-450C冲 击 试 验 机 依 据 GB/T229-2020 金属材料 夏比摆 锤 冲 击 试 验 方 法进 行 冲 击 试 验。采 用OLYMPUS BX51M 金相显微镜和 Quanta400F 场发射环境扫描电镜观察试验钢管的晶粒大小和显微组织，以及观察长期高温时效后的组织变化和应力载荷下产生的组织变化。用Brin200DEL全自动布氏硬度机，测试试验钢的硬度和持久残样夹持端（未变形）、标距应变部位和断口附近的硬度。2试验结果与讨论2.1钢管的显微组织试验钢管的光学显微组织如图1所示，SEM显微组织形貌如图2（a）所示。由图1可知，显微组织为贝氏体+铁素体+珠光体，贝氏体组织占比最多。从图2（b）可知，贝氏体组织在形态上有一定的位相关系，层状结构较为致密，铁素体内部及晶界处均未发现明显的析出物，珠光体含量很少。由图1（a）可见，依据GB/T6394-2017 金属平均晶粒度测定方法 评定，晶粒度75级。很明显，试验用钢的显微组织与常见的组织存在差异，即含有大量的贝氏体组织，贝氏体量约占65%。过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）是制定 热 处 理 工 艺 的 依 据，JMatpro 软 件 模 拟 的12Cr1MoVG 钢的 CCT 曲线如图 3 所示。由图 3 可知，奥氏体化后冷却速度不同，获得的组织不同。现场热处理过程中，由于受钢管自身散热、支撑工具温度、水温、水雾效果、钢管弯曲等因素影响，冷却速度控制难度较大。根据图3，试验钢管正火采用水雾加速冷却，冷却速度为1.251.00/s，显微组织是贝氏体+铁素体+珠光体，与实际获得的组织吻合。2.2钢管的室温力学性能试验钢管的力学性能结果见表2。其钢材试样的屈服强度为416 MPa，抗拉强度为575 MPa，抗拉强度比标准最低值要求高105 MPa，横向断后伸长率 24.5%。同时，钢材横向试样室温冲击功为206244 J，冲击功远超标准要求，未出现厚壁12Cr1MoVG钢管常发生冲击功波动或不足的问题。钢管的布氏硬度 187HBW，接近标准硬度要求的上限。铁素体组织是12Cr1MoVG钢的基本组织形态，一般以先析和共析方式存在，它可以提升材质韧表112Cr1MoVG钢管的化学成分（质量分数）Table 1Chemical composition of 12Cr1MoVG steel pipe%项目GB/T 5310试验钢管C0.080.150.13Si0.170.370.21Mn0.400.700.56Cr0.901.201.07Mo0.250.350.31V0.150.300.20P0.0250.008S0.0100.004Ni0.300.02Cu0.200.004Al-0.0124103第 44 卷 特殊钢性，晶界上的先析铁素体也有一定的净化晶界的作用。珠光体组织一般在共析时产生，组织相对稳定并有提升整体强度的作用，组织形态依冷却速度和区域的成分差异，以层片状或颗粒状形态存在。贝氏体组织是12Cr1MoVG钢的另一种组织存在，一般呈粒状贝氏体形态，由于冷速和区域成分变化等因素，粒状贝氏体形态也呈多样形态，性能也有不同的表现。如果正火冷却速率较慢，会引起钒的碳化物聚集长大，沿晶界的聚集长大会使材料脆化，在铁 素 体 内 聚 集 长 大 会 影 响 强 度 及 韧 性11。12Cr1MoVG钢厚壁钢管正火空冷或冷却不足，显微组织为常规的铁素体+珠光体，或为铁素体+珠光体+少量贝氏体，且容易导致强度偏低或不足，且伴随冲击功波动或不合格。试验钢管正火采用水雾加速冷却，能抑制V（C，N）碳化物在先析铁素体和沿晶界析出及长大，组织中出现较多的贝氏体，强图112Cr1MoVG试验钢管的组织形貌：（a）OM，（b）OMFig.1Morphology of microstructure of 12Cr1MoVG test steel pipe：（a）OM，（b）OM图212Cr1MoVG试验钢管的显微组织：（a）SEM图，（b）SEM（1）处局部放大图像Fig.2Microstructure of 12Cr1MoVG test steel pipe：（a）SEM image，（b）SEM（1）partially enlarged image图312Cr1MoVG试验钢的CCT曲线Fig.3CCT curves of 12Cr1MoVG test steel表212Cr1MoVG试验钢管的力学性能Table 2Mechanical properties of 12Cr1MoVG test steel pipe项目标准试验钢管抗拉强度Rm/MPa470640575屈服强度Rel/MPa255416断后伸长率A/%1924.5冲击功KV2/J27244/240/206硬度（HBW）145195187104第 4 期张银桥等：12Cr1MoVG厚壁钢管高温正火+回火的组织和性能度、延伸率和冲击功富余量大，说明了贝氏体组织有益韧性和强度提升。2.3钢管的高温持久性能高温持久试验由上海锅炉厂有限公司测试，测试结果见表3。从测试结果看，最长测试时间已经达51 480 h。利用双对数法外推105 h持久强度，持久应力与加载时间的关系式：lg=3.146-0.242 3 lgT。经推算，575 105 h持久强度为86 MPa，满足国标105 h外推持久强度80 MPa的要求（通过插值法获得）。从测试数据的试验应力与加载时间来看，直至最长51 480 h未断（试验中），曲线没有明显的折线点，有较好的线性关系，关系曲线如图4所示。贝氏体含量可以影响12Cr1MoVG钢的持久强度，提高正火温度或正火冷却速度可获得较多的贝氏体，抑制了碳化物在晶界析出和粗化，增加了晶界强度，从而提高钢的持久强度12。2.4长时高温时效后的组织和硬度对575/120 MPa持久27 198 h断裂试样进行了纵向线切割，并截断成夹持端（1#）、近夹持端（2#）、近断口（3#）和断口段（4#），如图5所示。从试样夹持端向断口端依次进行布氏硬度测试，夹持端和远离断口的部位硬度变化不大，1、2部位硬度为177175HBW，较未进行高温持久试验前的硬度187HBW降低了10HBW。随之靠近断口，硬度降低幅度越大，如图 5 中 3、4部位硬度依次为 174、161、157、154HBW。试样夹持端光学显微组织如图6（a）所示，金相组织稳定，SEM下观察如图6（b）所示，铁素体区域有弥散且均匀分布的初期析出物，贝氏体区域碳化物未见有明显长大，晶界有析出物并聚集呈块状或短棒状。近夹持端的显微组织如图7（a），（d）所示，珠光体区域发生明显的球化，层状内的碳化物（Fe3C）相明显碎化，晶界有大量析出物并长大呈块状；近断口（3#）铁素体区域附近出现M7C3型碳化物，且出现零星的蠕变孔洞，有链状 M23C6型碳化物析出。贝氏体区域的基体没有明显的变化，有一定数量的析出物，但是没有粗化现象。在靠近断口附近，晶界处碳化物明显聚集，三角晶界处萌生蠕变孔洞，如图7（b），（e）所示，并出现逐渐长大、聚合态势，如图 7（c），（f）所示。在 500 以上高温，Cr 和Mo发生扩散迁移，由此也引起晶粒长大、珠光体消散，固溶体内合金元素的贫化和碳化物从晶内向晶界的转移及分布13。在温度和应力的作用下，可能会促进元素的迁移，从夹持端依次向断口端，铁素体基体中碳化物逐渐减少，晶界粗化逐渐明显，说明铁素体中的合金元素逐渐贫化并迁移。碳化物相的晶界聚集与粗化，导致蠕变孔洞形核，降低基体的强化作用，使得断裂强度降低14。越靠近断口，晶粒变形拉长，碳化物析出及粗化越明显，并出现零星的蠕变孔洞，这也说明了从夹持端到断口端，硬度有逐渐降低的趋势。3结论（1）457 mm70 mm 厚壁 12Cr1MoVG 试验钢管经1 000 正火采用水雾加速冷却，500 以上冷表312Cr1MoVG试验钢管575 持久试验结果Table 3Results of 575 durability test of 12Cr1MoVG test steel pipe应力/MPa150130120110100持续时间/h9 03824 07827 19831 73251 480样品状态断裂断裂断裂断裂未断图412Cr1MoVG试验钢管持久应力与加载时间的关系Fig.4Relationship between lasting stress and loading time of 12Cr1MoVG test steel pipe图5持久试验纵向剖开及截断示意图Fig.5Schematic diagram of longitudinal incision and truncation for durable specimen105第 44 卷 特殊钢却速度1.251.00/s，加740 回火处理。显微组织为铁素体+贝氏体，且贝氏体量约占65%。试验钢管屈服强度为416 MPa，抗拉强度为575 MPa，室温冲击功为 206244 J，布氏硬度 187HBW。性能满足GB/T5310-2017要求，且强度和室温冲击功富余量大。（2）试验钢管的 575 高温持久性能优异，575 105 h 持久强度为 86 MPa，符合国标要求。575/100 MPa 持久直至最长 51 480 h 未断（试验中），曲线没有明显的折线点，有较好的线性关系。（3）具有大量粒状贝氏体组织的12Cr1MoVG材质，575/120 MPa持久27 198 h断裂，试样开裂起源于晶界蠕变孔洞，周边贝氏体基体没有发现严重的球化等现象，组织稳定性优异。参考文献1 林肇杰，钟倩霞，程世长，等.我国火电锅炉和电站用钢管的现状与发展 J.钢管，1996，25（1）：1-3.2 杨华春，屠勇.超（超）临界机组锅炉钢管选材与国产化可行性 J.发电设备，2005，19（1）：37-42.3 杨秀琴.我国油井管、电站锅炉管国产化的发展历程-纪念 钢管 杂志创刊50周年 J.钢管，2014，43（3）：1-5.4 周 波，崔润炯，郭元蓉，等.12Cr1MoVG钢大直径厚壁锅炉钢管的热处理工艺优化 J.钢管，2001，30（1）：34-38图612Cr1MoVG 1#试验钢管575 时效的显微组织形貌：（a）OM，（b）SEMFig.6Microstructure morphology of 12Cr1MoVG 1#steel tube aged at 575 ：（a）OM，（b）SEM图7575/120 MPa载荷应力下的组织演变：（a）（d）2#承受应力的部分，（b）（e）3#近断口区萌生蠕变孔洞，（c）（f）4#蠕变孔洞在断口处萌生，蠕变孔洞在断口处长大、汇聚Fig.7Microstructure evolution under 575/120 MPa load stress：（a）（d）2#part under stress，（b）（e）3#area near the fracture area，（c）（f）4#creep hole initiation at the fracture area，the creep hole grows large and converges at the fracture106第 4 期张银桥等：12Cr1MoVG厚壁钢管高温正火+回火的组织和性能5 罗能，郭元蓉，胡铂，等.12Cr1MoVG无缝钢管步进炉热处理工艺研究 J.四川冶金，2016，38（5）：18-21.6 肖功业，秦利波，何彪，等.热处理工艺对12Cr1MoVG厚壁无缝钢管表面硬度的影响 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