杜瑜賓1,2,胡小鋒1,,姜海昌1,閆德勝1,戎利建1

1 中國科學院金屬研究所中國科學院核用材料與安全評價重點實驗室 沈陽 110016
2 中國科學技術大學材料科學與工程學院 沈陽 110016

摘要

關鍵詞：Fe-Cr-Ni-Mo;高強鋼;回火時間;碳化物;強度;低溫沖擊韌性

高強鋼的抗拉強度可達2000 MPa以上,但強度的不斷提高對高強鋼的塑韌性損害較大[1]。為了滿足工業發展需求,尤其是對低溫沖擊韌性要求較高的領域,開發強韌性匹配良好的高強鋼是近年來的發展方向之一[2]。改善高強鋼強韌性匹配的常用技術手段包括優化合金成分、調整加工工藝和熱處理工藝等,以獲得不同的基體組織和析出相,尤其是析出相的類型、尺寸、分布等[3~5]。作為高強鋼的一種,Fe-Cr-Mo系合金鋼由于其包含一定的合金元素以及少量的微合金化元素,與傳統C-Mn鋼相比,該合金鋼具有較高的強度、良好的韌性、一定的焊接性和較低的成本[6,7]等優點,常用來制造大型水電站水輪機組的部件、壓力容器以及船用部件等[8~10]。為了獲得良好的強韌性匹配,Fe-Cr-Mo合金鋼常用的熱處理工藝為調質處理[11],其中回火過程析出的碳化物是決定其強韌性的關鍵因素。近年來,針對Fe-Cr-Mo合金鋼回火工藝的影響展開了廣泛研究,其中對回火溫度的研究相對較多[4,12~15]。與回火溫度相比,回火時間對合金鋼碳化物的析出行為研究相對較少,例如Vyrostková等[16]研究了回火時間對0.1C-0.9Cr-V鋼中碳化物演變的影響,發現在580 ℃經100 h回火后,碳化物的類型主要為M3C、M7C3和MC,延長回火時間到5000 h后,碳化物的類型未發生變化,但M3C和M7C3型碳化物中Fe/Cr的比值呈現下降趨勢;Thomson和Miller[17]研究發現,2.25Cr-1Mo-0.15C鋼在350 ℃回火5 min后,形成Mo2C,延長回火時間到40 h后,除了Mo2C外還形成了M3C型碳化物,但由于回火溫度較低,Cr、Mo、Mn元素未發生擴散。綜上可知,對回火時間的研究主要集中在1 h之后的長時間回火(最長1000 h以上),而對較高溫度回火初期(比如20 min)碳化物的析出行為及其對后續碳化物的轉變和合金鋼的強韌性關注較少。

Wen等[18]研制了一種含V的Fe-Cr-Ni-Mo合金鋼,通過控制V元素的添加量(0.03%~0.10%,質量分數),可使該合金鋼具有良好的強韌性匹配,其抗拉強度不低于1100 MPa,低溫(-50 ℃)沖擊功可達70 J以上。本課題組前期工作[11]表明,在較低溫度(如400 ℃)回火時,先析出較粗大的M3C型碳化物(尺寸約為1 μm),隨著回火溫度的升高,逐漸轉變為尺寸細小的M2C和MC型碳化物(尺寸小于100 nm),這種細小彌散分布的碳化物起到了良好的二次硬化效果,使得Fe-Cr-Ni-Mo合金鋼的強度在較寬回火溫度范圍內(450~600 ℃)基本不變,而沖擊功和延伸率呈現升高的趨勢,從而可以獲得良好的強韌性匹配。本工作選用不同V含量的Fe-Cr-Ni-Mo合金鋼,通過改變回火時間(10、20、40 和120 min),重點研究短時間(如20 min)回火時合金鋼中碳化物的形貌,通過與回火120 min后碳化物的形貌進行對比分析,系統研究了回火時間對Fe-Cr-Ni-Mo合金鋼中碳化物的析出行為及其對合金鋼強韌性的影響機制。

1 實驗方法

選用3種不同V含量(0、0.08%、0.14%,質量分數)的Fe-Cr-Ni-Mo合金鋼,依據V含量的不同分別標記為0V、008V和014V,具體化學成分如表1所示。采用真空感應爐熔煉,澆鑄為25 kg的鑄錠。鑄錠先經過熱鍛,然后熱軋為12 mm厚的板材。

圖7008V鋼淬火態與610 ℃回火20 min后的-50 ℃沖擊和室溫拉伸斷口形貌的SEM像

Fig.7SEM fractographs of 008V steel quenched at 860 ℃ (a, c) and then tempered at 610 ℃ for 20 min (b, d) after Charpy impact test at -50 ℃ (a, b) and tensile test at room temperature (c, d)

4 結論

(1) 不含V的0V鋼淬火時發生自回火,在晶界處會析出數量不多的M7C3型碳化物,而添加V后,V降低了C在鐵素體中的擴散能力,使淬火態008V和014V合金鋼中沒有碳化物析出;由于0V鋼中析出了碳化物,對合金鋼起到了沉淀強化效果,使得淬火態0V合金鋼的強度高于含V合金鋼,但塑韌性較低。

(2) 短時間(20 min)回火后,0V鋼中析出了M3C型碳化物,該碳化物沿著晶界析出,且尺寸較粗大(150~300 nm),而008V和014V鋼中除了在晶界處析出M3C外,還析出M2C (以及少量的M7C3),該碳化物以晶內析出為主且尺寸較小(20~80 nm)。隨著回火時間的延長(120 min),0V鋼中的M3C以晶格重組的形式逐漸轉變成了M23C6,而含V合金鋼中的M3C將發生溶解,其中在008V鋼中將逐漸析出數量更多的M6C和M2C,而014V鋼中碳化物將全部轉變成MC。

(3) 隨著回火時間的延長,0V鋼因析出的碳化物尺寸均較大,其強度呈現持續下降的趨勢;而008V和014V鋼因析出了尺寸更加細小的M2C和MC等合金碳化物,起到了較強的沉淀強化效果,因此合金鋼的強度基本不變。V在提高合金鋼回火穩定性的同時,還細化了原始奧氏體晶粒,使合金鋼的延伸率和沖擊功仍保持較高水平。

來源--金屬學報