2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 淬火溫度對奧氏體晶粒度的影響
淬火溫度對奧氏體晶粒度的影響見表1。由表1可知，隨淬火溫度升高，奧氏體晶粒長大，溫度低于1 070 ℃時(shí)，晶粒長大的傾向較小，當(dāng)溫度高于1 070 ℃時(shí)，晶粒長大速度加快。由于淬火加熱過程中，未溶碳化物相的數(shù)量直接影響奧氏體晶粒尺寸，未溶碳化物數(shù)量愈多，奧氏體晶粒尺寸愈小［2］。因此，表1中的數(shù)據(jù)說明，淬火溫度達(dá)到1 070 ℃時(shí)，原始組織中的碳化物已大部分溶入奧氏體中，從而使阻礙晶界遷移的障礙物大大減少，奧氏體長大速率加快。
1 淬火溫度對奧氏體晶粒度的影響
淬火溫度/℃ 980 1040 1070 1100 1130 1160
奧氏體晶粒度級別/級 6.7 6.4 6.2 － 5.2 －
2.2 淬火溫度對硬度和沖擊韌性的影響
在680 ℃和710 ℃回火時(shí)，淬火溫度對沖擊韌性及硬度的影響見圖2。在相同回火溫度下，隨著淬火加熱溫度升高，硬度連續(xù)提高。這是由于隨加熱溫度升高，合金碳化物溶入奧氏體中的數(shù)量增加，使奧氏體及隨后獲得的馬氏體的合金化程度提高，從而提高馬氏體的抗回火穩(wěn)定性。淬火溫度對沖擊韌性的影響較為復(fù)雜，隨淬火溫度升高沖擊韌性增加，當(dāng)淬火溫度超過1 040 ℃時(shí)，沖擊韌性增加明顯；在710 ℃回火條件下，1 055～1 070 ℃淬火時(shí)，沖擊韌性達(dá)到最大；超過1 100 ℃淬火時(shí)，隨淬火溫度升高，沖擊韌性反而降低。
圖 2 淬火溫度對硬度和沖擊韌性的影響
(a)680 ℃；(b)710 ℃
圖 3 淬火金相組織
(a) 980 ℃；(b) 1 070 ℃
不同淬火溫度下試樣的金相組織見圖3。科晶管式爐淬火組織為板條馬氏體，板條束的位向符合一定的晶體位向。隨淬火溫度升高，馬氏體板條尺寸增加。在980 ℃淬火時(shí)，由于淬火溫度較低，淬火組織中還保留有晶界碳化物，當(dāng)淬火溫度提高至1 055～1 070 ℃時(shí)，晶界碳化物幾乎全部溶于奧氏體中。
圖 4 回火溫度對沖擊韌性的影響
2.3 回火溫度對硬度和沖擊韌性的影響
回火溫度對沖擊韌性和硬度的影響見圖4和5。在650～710 ℃溫度范圍內(nèi)，在相同淬火溫度下，隨回火溫度升高沖擊韌性增加，硬度降低。回火溫度高于680 ℃時(shí)，沖擊韌性增加和硬度降低的幅度明顯增大，表明高于680 ℃回火轉(zhuǎn)變的速率明顯加快。所以，對于2Cr12NiMoWV鋼只有在高于680 ℃以上溫度回火，才能使回火轉(zhuǎn)變較為充分地進(jìn)行，保證回火后的組織具有足夠的穩(wěn)定性和較高的韌性。
圖 5 回火溫度對硬度的影響
2.4 斷口分析
在本試驗(yàn)條件下，經(jīng)各種不同熱處理的沖擊試樣的微觀斷口形貌大致相似，均由韌窩區(qū)和準(zhǔn)解理斷裂區(qū)組成(圖6)。斷口分析表明，韌窩區(qū)的寬度與試樣沖擊韌性之間有良好的對應(yīng)關(guān)系，韌窩區(qū)寬度較大的試樣，其沖擊韌性值較高；而韌性較高的試樣，其準(zhǔn)解理區(qū)撕裂棱較細(xì)密，撕裂單元較小。
2.5 高溫緊固螺栓的熱處理
高溫緊固螺栓是保證汽輪機(jī)安全工作的關(guān)鍵零件。根據(jù)螺栓的服役條件，要求進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，為避免螺栓在裝拆時(shí)發(fā)生脆斷，要求其必須具有較高的室溫沖擊韌性。具體的技術(shù)要求為HB 277～331，aK＞35 J/cm2 ［3］。綜合本次試驗(yàn)結(jié)果，選定1 055～1 070 ℃淬火，700～710 ℃回火作為螺栓的熱處理工藝。經(jīng)此工藝處理，不僅可以保證螺栓具有較高的強(qiáng)度和韌性，而且可以保證其在長期服役中具有較穩(wěn)定的組織。處理后螺栓的硬度為HB 287～299，aK＝40～62 J/cm2，均滿足技術(shù)條件要求。
3 討論
(1) 根據(jù)圖2，710 ℃回火條件下，隨淬火溫度升高，沖擊韌性先增加后降低。分析這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，表明奧氏體的晶粒尺寸和晶界碳化物的溶解程度是影響淬火高溫回火的2Cr12NiMoWV鋼沖擊韌性的主要因素。隨淬火溫度升高，碳化物溶解的數(shù)量增加，特別是退火組織中晶界碳化物溶入奧氏體中，使晶粒間的結(jié)合力提高，從而提高了沖擊韌性；另一方面，隨淬火溫度升高，奧氏體晶粒長大，降低了沖擊韌性。當(dāng)淬火溫度低于1 055 ℃時(shí)，前一種
圖 6 沖擊試樣斷口形貌
(a) 韌窩區(qū)；(b) 準(zhǔn)解理區(qū)
因素占主導(dǎo)地位，表現(xiàn)為隨溫度升高，沖擊韌性增加；當(dāng)淬火溫度達(dá)到1 055～1070 ℃時(shí)，晶界碳化物幾乎全部溶入奧氏體中，沖擊韌性達(dá)到最大；繼續(xù)提高淬火溫度，奧氏體晶粒粗化，后一因素轉(zhuǎn)而起主導(dǎo)作用，使沖擊韌性明顯降低
(2) 文獻(xiàn)中推薦的2Cr12NiMoWV鋼的淬火溫度區(qū)間多為980～1 040 ℃［4.5］。根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，由于該鋼退火組織中難以避免地存在相當(dāng)數(shù)量的晶界碳化物，在上述區(qū)間淬火，晶界碳化物難以大量溶解，造成調(diào)質(zhì)后室溫沖擊韌性較低。若適當(dāng)提高淬火溫度至1 055～1 070 ℃，大部分晶界碳化物已溶解，且奧氏體晶粒尚未明顯粗化，而隨后再以適當(dāng)溫度進(jìn)行回火，則可以獲得良好的室溫強(qiáng)度和韌性的配合。
文獻(xiàn)［6］研究了淬火溫度對2Cr12NiMoWV鋼高溫性能的影響。結(jié)果表明，隨淬火溫度提高，持久強(qiáng)度(σ570105)增加，980、1 040、1 100 ℃淬火后680 ℃回火，σ570105分別為85.3、114.7、122.6 MPa。三種溫度淬火的特久塑性無顯著區(qū)別，伸長率(δ10)均大于10 %。所以適當(dāng)提高淬火溫度，不僅可以顯著提高室溫沖擊韌性，而且可以在不降低持久塑性的條件下，使持久強(qiáng)度得到提高。
若將淬火溫度提高至1 100 ℃，室溫沖擊韌性大大降低，而持久強(qiáng)度值也增加得很少，并且由于奧氏體晶粒粗化，使鋼的缺口敏感性增加，這對于高溫緊固螺栓這一帶缺口零件而言是不希望的。綜上所述，建議2Cr12NiMoWV鋼在1 055～1 070 ℃溫度區(qū)間加熱淬火。
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