1Cr11Co6MoVNbBN抗蠕变马氏体不锈钢(SSAV)的性能和显微组织

1Cr11Co6MoVNbBN抗蠕变马氏体不锈钢

（S/SAV）的性能和显微组织结构的研究

付俊岩，宋成懿等，

钢铁研究院，1979年

一、 前言

12％Cr型马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢相比，具有较高的屈服强度、低膨胀、高导热、高减振性以及价格便宜、制造容易等一系列优点，长期以来，在中、高温（500～600℃）系统中获得了广泛应用，特别是在蒸汽或燃气轮机中被用于制造涡轮盘和叶片等重要部件。但由于普通低碳12％Cr马氏体不锈钢除Cr之外，不含其它合金元素，在高温回火时，其析出转变过程为：Fe3C→Cr7C3→Cr23C6，导致钢的迅速软化，要找到高强度和韧性满意配合的回火条件是不可能的，而且其高温蠕变强度还难以抵得上调质处理的低合金钢[1][2]。因而，使用受到了限制。喷气式飞机发动机的出现，对航空发动机用钢的高温蠕变强度提出了更高的要求。为改善航空发动机高压压气机和透平机盘及叶片材料的蠕变极限和屈服强度，于五十年代之后，在普通12Cr马氏体不锈钢的基础上，国外陆续研制了一批改型的12％Cr马氏体抗蠕变不锈钢[3][4]（如英国的FV448和FV535等）。

一般来说，为提高12％Cr型马氏体不锈钢的热强性，通过往在回火过程中在晶内析出的MX、M2X型析出物中导入原子半径尺寸大的强碳、氮化物形成元素（如Mo、V、Nb 等），以使析出物的晶格常数比基体晶格常数相对增大，来提高析出物和基体的共格应变，达到沉淀硬化和提高回火软化抗力的目的[5][6][7]。国外许多学者曾就12％Cr型马氏体不锈钢和耐热钢的性能和显微组织进行过研究[3]～[8]，但大多数工作是针对耐热钢，以研究长时持久破断强度为主进行的。而对用于航空发动机，只要求短时（100小时，产生≤0.15％蠕变残余延伸）蠕变极限的12％Cr型抗蠕变马氏体不锈钢的研究，却很少有过报导。而且，关于12％Cr型马氏体钢中的主要析出强化相的类型、特征、析出行为等看法并不完全一致。

1Cr11Co6MoVNbBN钢是我国仿英国斯贝发动机钢S/SA V（FV535）而试制的12％Cr 型抗蠕变马氏体不锈钢，用于制造马氏体不锈钢相比，在500～600℃，100小时工作条件下有最高的蠕变强度。

本文根据1Cr11Co6MoVNbBN钢技术条件的要求，以550℃，33·2kg/mm2，100小时蠕变性能为主，就热处理对性能影响及基显微组织结构进行了研究。

二、 试料和试验方法

试验用钢系抚顺钢厂采用真空感应＋电渣＋真空自耗重熔的三联工艺冶炼，铸成Φ

360mm圆锭，经1170℃加热、锻造开坯后，热轧成Φ20mm棒材。钢的化学成份如表1所示。

表1、试料化学成份分析结果（Wt%）

炉号 C Si Mn S P Ni Cr Co Mo V Nb B N 8H

0.08 0.42 1.06 0.006 0.0090.4710.65 6.100.740.260.34 0.007 0.012 200010

为研究热处理制度对性能的影响，试料经不同热处理后，进行室温拉伸、冲击、硬度

和550℃、33·2kg/mm2，100小时蠕变试验。

为研究回火过程碳化物析出转变规律，对经1170℃×30´，淬火处理之后，又400～700

℃、2、10，100小时回火处理的试样，用电解法萃取粉末，做X射线衍射分析；并将热处

理状态和蠕变试验后试样制成金属薄膜，用EM400和JSEM200透射电镱进行显微组织观察

和电子衍射分析。

供透射电镜观察的金属薄膜，用线切割机在经过处理后的试样上，切取0.1毫米厚薄片，

手工研磨减薄后再应用双喷射电解抛光仪减薄至0.1μ左右。电解液为：10％高氯酸酒精溶

液，温度：<0℃，电压：80～90伏。

三、 试验结果与讨论

3.1 热处理制度对性能的影响

3.1－1 淬火温度的影响

不同淬火温度（1100～1220℃）对室温力学和550℃蠕变性能的影响示于图1和图2。

由图1～2可见，随淬火温度升高，钢的室温强度（σb、σa·2）和抗蠕变性能随之增

高，而延性和韧性（αk）降低。这是由于合金元素在钢中的溶解随淬火温度升高而增加，

因而固溶强化和沉淀硬化作用相应增强的缘故。一般来说，12％Cr型马氏体热强钢的回复

过程和抑制位错滑移和攀移运动的细小析出相的种类、析出速度、析出量、聚集程度有着相

互依存的关系。因此，淬火温度的不同所产生的合金元素固溶度的差别，对钢的屈服度和蠕

变强度有很大影响[6]。金相观察表明，原始奥氏体晶粒度，随淬火温度升高而增大，故也

造成延性和韧性随淬火温度升高而降低。

要保证获得良好的综合机械性能，淬火温度的选择是很重要的。温度要足够高，以使

合金碳化物充分溶解，又要防止晶粒过于粗大和出现δ铁素体。鉴于本钢中含有较多的强碳

化物形成元素，特别是Nb的碳化物在高温下是难以溶解的。因此，本钢的淬火温度的选择

高于其它12％Cr 型马氏体不锈钢和耐热钢。根据上述试验结果，认为选择淬火温度1170℃是适宜的。

图1、淬火温度对室温力学性能的影响

图2、淬火温度对蠕变性能的影响 （回火处理：620℃+640℃×2h 、AC 蠕变试验条件：550℃，33.2kg/mm 2，100小时）

3.1－2 回火处理制度对性能的影响

不同回火温度和回火次数对性能的影响示于图3和图4。

由图3～4可看出，当采用相同温度做2次回火处理时，随回火温度（570～680℃）的

蠕变残余延伸量%

升高，室温强度（σb 、σ0.2）逐渐降低。而蠕变残余延伸量在600～620℃回火时最小，即蠕变强度提高了。根据后面电解萃取粉末X 射线衍射和薄膜透射电镜观察及电子衍射分析，可认为600～620℃回火时抗蠕变性能的提高和继晶内析出M2X 相之后，在原奥氏体晶界和马氏体板条边界相继析出M23C6有关。

图3 回火温度对室温力学性能的影响

图4 回火处理对蠕变性能的影响

由图3～4还可看出，620℃二次回火和一次回火处理相比蠕变强度得到明显改善。这是由于第一次回火时，合金碳化物的析出而提高了未转变完全的残余奥氏体的Ms 点，当冷却到室温时，可将这部分残余奥氏体转变成马氏体。当在第2次回火时，新的马氏体得到回火，同时，

板条马氏体边界又为合金元素的顺利扩散和形成均匀弥散的碳化物提供了可利条

两次回火温度 /℃

第二次回火温度 /℃

（第一次回火温度：620℃×2h ，AC ）