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汽輪機(jī)用鑄鋼ZG13Cr11MoVNbN 材質(zhì)的試驗(yàn)研究

2024-05-30 09:30:42

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ZG13Cr11MoVNbN 高合金耐熱鋼，是一種熱強(qiáng)鋼材質(zhì)，材質(zhì)具有較高的強(qiáng)韌性、抗蠕變性能，以及良好的抗高溫氧化和抗腐蝕性能，已成為超臨界及超超臨界汽輪機(jī)高壓缸體、高壓主汽閥、調(diào)節(jié)閥、高溫隔板等鑄件的重要應(yīng)用材料。該材質(zhì)是在C、Mo合金化基礎(chǔ)上，加入了多種微量元素組成的一種耐熱鋼，屬于Cr-Mo-Ni-Nb-V-N 多元復(fù)合強(qiáng)化的馬氏體耐熱鑄鋼材質(zhì)。材質(zhì)的合金含量高，材質(zhì)的合金元素控制要求嚴(yán)、力學(xué)性能要求高，材質(zhì)的生產(chǎn)控制存在較大技術(shù)難度，通過材質(zhì)的熔煉及熱處理試驗(yàn)，確定了材質(zhì)的化學(xué)成分內(nèi)控要求及較優(yōu)的熱處理工藝，并對材質(zhì)的力學(xué)性能及顯微組織進(jìn)行了研究，形成一套較成熟材質(zhì)生產(chǎn)工藝技術(shù)。

1 ZG13Cr11MoVNbN 材質(zhì)試驗(yàn)方案

1.1 材質(zhì)熔煉試驗(yàn)要求

材質(zhì)試驗(yàn)采用50 kg 真空感應(yīng)爐熔煉，采用真空熔煉—真空澆注工藝，澆注二組8 塊基爾試驗(yàn)料，然后進(jìn)行熱處理材質(zhì)試驗(yàn)。ZG13Cr11MoVNbN材質(zhì)為多元復(fù)合強(qiáng)化耐熱材質(zhì)，為了控制材質(zhì)的性能要求，采取的工藝措施：1）對試驗(yàn)化學(xué)成分按鉻當(dāng)量Creq=ω（Cr）-40ω（C）-2ω（Mn）-4ω（Ni）+6ω（Si）+4ω（Mo）+11ω（V）+5ω（Nb）-30ω（N）=8～10 的控制要求進(jìn)行內(nèi)控；2）對P、S、Sn 等有害元素限制；2）鋼水加入氮化鉻進(jìn)行氮合金化；3）限制Al 脫氧，材質(zhì)和工藝要求采用硅鋯合金脫氧?；瘜W(xué)成分內(nèi)控要求見表2。

1.2 熱處理試驗(yàn)工藝

試驗(yàn)料預(yù)備熱處理為高溫退火，高溫退火爐冷250 ℃以上出爐后，對二組試驗(yàn)料熱割及編號。材質(zhì)的性能熱處理工藝為正火+回火處理，選擇不同的正火冷卻和回火工藝進(jìn)行試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果對比分析，確定較優(yōu)的熱處理工藝。熱處理試驗(yàn)方案見表1。

材質(zhì)熱處理實(shí)驗(yàn)后，按照GB/T228.1、GB/T229、GB/T232.1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸性能沖擊性能及硬度試驗(yàn)，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T13298 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行金相組織分析試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定最優(yōu)的熱處理方案。然后按照試驗(yàn)確定的較優(yōu)熱處理工藝對第二組試驗(yàn)料進(jìn)行處理，按GB/T228.2 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高溫性能試驗(yàn)，按GB/T229 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不同溫度的沖擊試驗(yàn)，并測試沖擊斷口的斷口韌性百分比，試驗(yàn)確定材質(zhì)的FATT50 值。

2 材質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)材質(zhì)化學(xué)成分分析

材質(zhì)試驗(yàn)料的化學(xué)成分分析符合材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)控要求，分析結(jié)果如表2 所示。結(jié)果表明，有害元素Sn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01，控制在小于0.05%的范圍；Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.008%，控制在小于0.01%的范圍；微量合金元素N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.035，控制在要求的范圍，熔煉固氮效果較好，試驗(yàn)料沒出現(xiàn)氣孔等缺陷；材質(zhì)的鉻當(dāng)量值Creq 為10，控制在8～10 范圍的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

熔煉澆注一組4 塊基爾試驗(yàn)料，然后室溫采用電弧刨分割成4 塊。按照不同熱處理試驗(yàn)方案進(jìn)行熱處理后，室溫力學(xué)性能試驗(yàn)試數(shù)據(jù)如下表3。

從拉力性能試驗(yàn)結(jié)果分析看：此材質(zhì)具有較高的力學(xué)性能，4 個(gè)熱處理試驗(yàn)工藝都滿足標(biāo)準(zhǔn)的性能要求，相比較，方案S09-4 正火油冷+回火+二次回火熱處理后性能相對，抗拉強(qiáng)度為748 MPa、屈服強(qiáng)度為554 MPa、延伸率為21.0%、硬度227 HB，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度之間的差值為94 MPa，大于要求不小于80 MPa 的控制要求，綜合性能較好，為較優(yōu)的熱處理方案。

2.3 顯微組織分析

ZG13Cr11MoVNbN 材質(zhì)試驗(yàn)料按不同的處理工藝進(jìn)行試驗(yàn)后，取樣進(jìn)行顯微組織對比分析，材質(zhì)的顯微組織為回火馬氏體+少量鐵素體，顯微組織分析見圖1 和圖2。從顯微組織分析看：1）ZG13Cr11MoNVNbN 材質(zhì)鑄態(tài)顯微組織為片狀馬氏體基體上分布部分不均勻的團(tuán)條狀鐵素體及碳化物；2）正火風(fēng)冷或油冷+一次回火處理后，馬氏體的形態(tài)變?yōu)榘鍡l狀，組織為回火馬氏體+少量島狀鐵素體，正火油冷組織較均勻；3）正火風(fēng)冷和油冷+兩次回火，回火后組織變化不大，都為回火馬氏體+少量鐵素體，分布趨于均勻及更加細(xì)化；從顯微組織分析對比看，正火油冷+兩次回火組織分布較為均勻，鐵素體含量。

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2.4 高溫性能試驗(yàn)

ZG13Cr11MoVNbN 材質(zhì)正火油冷+回火+二次回火熱處理工藝試驗(yàn)后性能相對，按S09-4熱處理方案對第2 組4 個(gè)試驗(yàn)料進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，然后進(jìn)行高溫力學(xué)性能試驗(yàn)及FATT50 試驗(yàn)，高溫力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4，600 ℃高溫拉伸試驗(yàn)曲線見圖3。

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圖3 ZG13Cr11MoVNbN 材質(zhì)600 ℃高溫拉伸試驗(yàn)曲線

材質(zhì)高溫力學(xué)性能從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析看，材質(zhì)在550 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度為403 MPa；600 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度達(dá)到316 MPa，為室溫屈服強(qiáng)度的61.3%；650 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度達(dá)到222 Mpa.此材質(zhì)具有較高高溫力學(xué)性能，可以在600 ℃溫度下長期應(yīng)用。

2.5 材質(zhì)的FATT50 試驗(yàn)

對S09-4 試驗(yàn)料加工沖擊試樣，按GB/T229 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不同溫度的沖擊試驗(yàn)，并測試沖擊斷口的斷口韌性百分比，試驗(yàn)確定ZG13Cr11MoVNbN 材質(zhì)的脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT50 值大約為45 ℃，滿足標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求（脆性轉(zhuǎn)變溫度≤60 ℃）.試驗(yàn)確定的韌性-脆性轉(zhuǎn)變曲線見圖4。

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2.6 試驗(yàn)分析討論

ZG13Cr11MoVNbN 是一種多元復(fù)合強(qiáng)化的馬氏體不銹鋼材質(zhì)，材質(zhì)的化學(xué)成分控制是確保材質(zhì)性能的關(guān)鍵。試驗(yàn)證明，熔煉方面按鉻當(dāng)量8～10范圍的要求對化學(xué)成分進(jìn)行內(nèi)控的工藝，采用精煉工藝嚴(yán)格控制有害元素P、S、Sn 的措施，采用硅鋯合金代替鋁脫氧的工藝等措施的實(shí)施，提高了冶煉鋼水的純凈度，確保材質(zhì)的化學(xué)成分及力學(xué)性能滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

通過熱處理試驗(yàn)確定ZG13Cr11MoVNbN 鑄鋼材質(zhì)較優(yōu)的熱處理工藝為：1 050 ℃正火油冷+720 ℃高溫回火+710 ℃二次回火的“一正二回”的工藝方案，能滿足材質(zhì)的力學(xué)性能、硬度及組織要求；熱處理后顯微組織都為均勻的回火馬氏體+少量鐵素體，δ 鐵素體含量少于4%.高溫正火采用油冷代替風(fēng)冷，可提高組織的均勻性，二次回火代替一次回火的工藝可進(jìn)一步降低提高回火馬氏體的穩(wěn)定性，并適當(dāng)減少材質(zhì)的鐵素體含量。

通過ZG13Cr11MoVNbN 材質(zhì)及熱處理工藝的試驗(yàn)研究，確定了材質(zhì)的化學(xué)成分控制要求，優(yōu)化了材質(zhì)的熱處理工藝，初步掌握了材質(zhì)的性能特點(diǎn)、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)關(guān)鍵控制要求，并形成一套成熟材質(zhì)生產(chǎn)工藝。

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