12CrlMoV小壁厚钢管国标热处理工艺的探讨与优化
12CrlMoV小壁厚钢管国标热处理工艺的探讨与优化
摘要:本文对12Cr1MoV小壁厚(S≤15mm)钢管国标热处理工艺及产品质量进行了研究。结果表明:小壁厚钢管最佳的正火温度在950℃～970℃。依据此工艺进行热处理的钢管在优化材料物理性能的同时,还可以降低能耗,减少原材料的消耗。
关键词:12Cr1MoV 小壁厚 热处理工艺 优化
GB5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》中明确规定了12Cr1MoV成品钢管的显微组织应为铁素体+珠光体,允许存在粒状贝氏体,不允许存在不完全相变产物马氏体。物理性能方面的要求是:屈服强度≥275MPa,抗拉强度≥470MPa～630MPa,伸长率≥21%。但在实际的生产中,成品钢管的物理性能常常出现抗拉强度超过630MPa而不合格的现象,并且复样基本上也都不合格,并且热处理后的钢管表面氧化严重,影响了钢管的几何尺寸。本文通过对12Cr1MoV的正火工艺参数进行研究,并对不同热处理条件下的试样进行金相及性能检测、分析,提出了较为接近实际的合理的热处理正火工艺温度。
1 试验材料
试验材料选取12Cr1MoV高压锅炉管用较为典型的钢管规格φ42×3.5mm,热处理状态为正火加回火,其化学成分、物理性能及金相检测结果如下。
1.1 化学成分检测
试样化学成分检测结果为碳:0.11%;硅:0.25%;硫:0.002%;磷:0.012%;锰:0.57%;钼:0.27%;铬:1.00%;钒:0.19%含量均符合GB5310-2008中12Cr1MoV碳:0.08%～0.15%;硅:0.17%～0.37%;硫:≤0.010%;磷:≤0.025%;锰:0.40%～0.70%;钼:0.25%～0.35%;铬:0.90%～1.20%;钒:0.15%～0.30%的标准要求。
1.2 物理性能检测
试样物理性能检测结果为屈服强度(Rel):365MPa、385MPa;抗拉强度(Rm):480MPa、485MPa;断后伸长率(A):28%、27%。压扁间距为23mm条件下,压扁性能合格。扩口率为15%、60°锥角条件下,扩口合格。均符合GB5310-2008中12Cr1MoV屈服强度≥255MPa,抗拉强度470MPa～640MPa,断后伸长率≥21%,压扁、扩口无裂纹的标准要求。
1.3 金相检验结果
试样金相检验结果为铁素体+珠光体,晶粒度7级,内外壁脱碳层深度均为0mm。符合GB5310-2008中12Cr1MoV显微组织为铁素体+珠光体或铁素体+珠光体+贝氏体,晶粒度不小于4级,内壁脱碳层深度不大于0.4mm,外壁脱碳层深度不大于0.3mm的标准要求。
2 实验方法及结果
因12Cr1MoV钢的Ac3点约为882℃～935℃,国标正火温度为
980℃～1020℃,所以实验讨论的温度范围为890℃～1020℃。从合格的12Cr1MoV钢管上截取6组共12根长度为270mm的试样,分别在890℃、920℃、950℃、970℃、990℃和1010℃进行正火处理,试样冷却后,再在730℃进行回火,然后检测各组试样的物理性能为:6组试样的平均屈服强度为:391MPa、410.5MPa、415MPa、449.5MPa、436.5MPa和558.5MPa,平均抗拉强度为:498MPa、512.5MPa、514.5MPa、544.5MPa、589MPa和670MPa,延伸率为别为30%、29%、31.5%、25.5%、25.5%和23%。6组试样的金相组织分别为:F+M、F+M、F+P、F+P+B、F+B和F+B,前4组试样均无脱碳层,第5、6组的脱碳层分别为0.075mm和0.13mm,6组试样的晶粒度分别为:混晶、混晶、6～7级、6级、5～6级和5级。
3 实验结果整理及分析
从表中可看出:12Cr1MoV试样在回火温度固定为730℃的前提下,随着正火温度的不断提高,其屈服强度和抗拉强度也逐渐增长,其断后伸长率逐渐降低。这一结果也印证了材料的屈服强度和抗拉强度呈正比关系,但均与其断后伸长率呈反比关系。下面就每组试样进行分析。
试样1和试样2的正火温度分别为890℃和920℃,处于12Cr1MoV的两相加热区,所得的金相组织均出现了两相区的不完全相变产物M,但由于试样2的加热温度较高,个别晶粒较为粗大,并且有很多晶粒已经重新形核、再结晶,由于此温度界于12Cr1MoV铁素体向奥氏体的转变温度,转变不完全,故存在混晶现象。试样3经过950℃
正火+730℃回火后,晶粒已经重新形核再结晶完毕,晶粒几乎呈现等轴晶分布(由于12Cr1MoV含碳量只有0.9%～1.5%,所以珠光体量少,不可能完全呈现等轴晶分布)。试样4由于正火温度升至970℃,组织内的珠光体已经部分的转变为了贝氏体,使得钢材宏观的抗拉强度有了显著增加。试样5和试样6随着正火温度由970℃升至990℃、1010℃,钢管表面已经产生了较为严重的氧化现象,并且基体内珠光体量进一步减少直至完全转变为贝氏体,导致抗拉强度大幅度增加,正火温度为1010℃时,其回火后的抗拉强度已经超过了GB5310—2008中规定的12Cr1MoV抗拉强度上限640MPa而出现了不合格。
4 试验结论
壁厚不大于15mm的12Cr1MoV钢管较为合理的热处理正火温度为950℃～970℃,可以使热处理后的成品钢管拥有良好的机械物理性能和合格的金相显微组织,对比于980℃～1020℃正火处理的钢管,热处理对几何尺寸的影响较小,且降低了能耗。
5 试验结果的讨论
由试验结果可以初步判定,12Cr1MoV经正火+回火处理后组织中的贝氏体对其屈服强度和抗拉强度的提高都有较为明显的作用,以至于如果组织中的珠光体全部转变为贝氏体会导致其抗拉强度超国标上限,而组织中如不存在贝氏体则会导致抗拉强度低于国标下限要求(以前在生产中,经常会遇到),所以我认为组织中应存有一定量的贝氏
体来使得其抗拉强度处于国标要求的范围内。