分类号：tg156.8文献标识码：b
文章编号：1001－2060（2000）02－0189-03▲
1 引言
随着我国锅炉、汽轮机机组超临界大容量的发展，对紧固件钢提出了更高的要求［1］。为保证高温汽轮机和阀门的法兰不漏汽，采用的螺栓或柱螺栓所经受的工作状态的严重程度并不亚于其它金属部件。拉紧张力使螺栓产生0.15%左右的弹性应变，而在高温运行条件下，应力松弛使这个紧力松弛。这类应力的反复作用终将引起螺栓断裂或被联接件破坏。如果由于某种原因使应变集中在螺栓的一道螺纹上，则等于对螺栓作缺口断裂试验，假如载荷不按轴向作用，那么这种情况就更加严重。法兰和螺栓之间的温差会使最大应变增加，并且使应变发生循环变化，如果螺栓纵向具有温度梯度则蠕变应变可能集中在一端而不是均匀分布［2］。
汽轮机，燃气轮机紧固件在应力松弛条件下工作，工作时承受着拉伸应力（间或有弯曲应力)。对材料的要求是：高的抗松弛性、足够的强度、低的缺口敏感性，在高温下工作时还要求一定的持久强度、小的热脆倾向和良好的抗氧化性。国内设计的螺栓寿命为20 000小时，最小密封应力为1 500 kg/cm2，当用屈服极限作为依据时，安全系数取0.5～0.6；用蠕变极限作依据时，安全系数取0.8；用持久强度作依据时，安全系数取0.6～0.7。在运行过程中如果发现硬度升高，冲击韧性降低或金相出现严重网状组织，螺栓就应进行恢复热处理［3］。紧固件热处理方案不仅要考虑室温机械性能（尤其是屈服极限)，而且要考虑到高温时持久强度、松弛稳定性、持久塑性和持久缺口敏感性。因为螺栓的脆性断裂主要是由于钢在热处理后具有低的持久塑性和大的持久缺口敏感性所造成的，对螺栓钢来说，后者是重要的性能［1］。
2 试验材料及方法
试验用料是由本钢生产的，批号y089407、炉号62213，规格为φ32 mm，其化学成分如表1。从表1可看出，试验用料20cr1mo1v1化学成分符合标准要求。
表1 20cr1mo1v1圆钢的化学成分(wt%)
| | c | si | mn | p | s | ni | cr | mo | v |
| 哈锅s890964 | 0.22 | 0.27 | 0.30 | 0.018 | 0.006 | 1.29 | 0.90 | 0.85 |
| bb218-82 | 0.18～0.25 | ≤0.35 | ≤0.50 | ≤0.030 | ≤0.030 | ≤0.60 | 1.0～1.30 | 0.80～1.10 | 0.70～1.10 |
热处理在h15型箱式电炉中进行，用wj-10a型机械式万能试验机进行拉伸试验，用jb30b型冲击试验机进行冲击试验，用css-1110型电子万能试验机进行高温拉伸试验，用hbg-750型高温硬度计进行高温硬度测定，用neophot 21型金相显微镜进行组织观察，在s-240型扫描电镜中观察断口的断裂特征。tem试样在jem-100cx透射电镜下进行观察，采用电解萃取的方法用d-max-rb型x光衍射仪对碳化物进行确定。
电解萃取试样随同拉伸、冲击试样同炉处理，处理后表面进行磨光处理，去除氧化皮等，以备电解用。电解液配方：75克氯化钾+5克柠檬酸+1000 ml蒸馏水；电流密度：0.2 a/cm2；电解温度0℃～5℃，电解时间：每样2.5～3小时。分析测试条件为：cuk2辐射，管电压电流：50 kv、50 ma，扫描5°/分。
3 试验结果及分析
3.1 化学成分分析
铬的含量在1%左右时对固溶体的强化作用最佳［4］。在低合金耐热钢中加入cr，主要目的是用来提高钢的抗氧化性能和耐腐蚀能力，另外cr在一定含量范围内还能提高钢的持久强度和蠕变极限。mo是提高热强性的重要元素之一。加入mo还可增加钢的淬透性，并显著降低钢的热脆倾向。在1% cr—mo—v钢中当v/c＝4时，随着mo含量的增加，蠕变极限和持久强度提高，其含量在0.75%～1.0%时达最大值。mo在低合金钢中提高热强性的主要原因是强化α固溶体。在钢中加入强烈碳化物形成元素v时，则mo强化固溶体的作用更加显著。v是强烈形成碳化物的元素。钒能形成钒的碳化物并弥散分布在固溶体中起沉淀强化作用［4］。钢中加入v可细化晶粒，显著提高钢的屈服极限。cr—mo钢中当v/c＝4时其松弛稳定性最高［1］。
低合金cr—mo—v钢具有良好的热强性，这是由于cr、mo、v等合金元素的固溶强化和沉淀强化等在钢中发挥了良好的作用［5］。v在钢中的溶解度很小，当v含量达到0.1%时钢中便出现vc［6］。而20cr1mo1v1的含v量已达0.85%，必将产生vc。
3.2 机械性能
20cr1mo1v1圆钢的机械性能见表2。从表2可看出优选工艺1 030 ℃保温0.5h油淬+560 ℃保温2 h升至720 ℃保温4 h空冷比采用原生产工艺的机械性能好，而且在提高强度的同时，硬度降低，这正是生产中所需要的，解决了生产中常出现的强度低、硬度高的问题。另外还可看出1 000 ℃保温0.5 h油淬+710 ℃保温6 h空冷后其σb比标准规定值只高25 mpa，一旦用于φ100这样的20cr1mo1v1不合格的可能性极大。而1 030 ℃保温0.5 h油淬+560 ℃保温2 h升至720 ℃保温4 h空冷后的σb比标准规定值高80 mpa，即使用于φ100这样的20cr1mo1v1，不合格的可能性较小。
表2 20cr1mo1v1圆钢的机械性能
| 试样号 | 热处理规范 | 温度
/℃ | σs
/mpa | σb
/mpa | δ5
/% | ψ
/% | aku
/j×cm－2 | hb | σt×105
/mpa |
| | | 室温 | 752 | 860 | 21 | 72 | 234 | 282 |
| 7 | 1 000 ℃保温0.5h油淬+ | 726 | 859 | 21 | 70 | 260 | 285 |
| | 710 ℃保温6h空冷 | 570 | 470 | 499 | 14.6 | 83.3 | 185 | 248 |
| | | | 481 | 511 | 21.2 | 83 |
| | | 室温 | 809 | 910 | 20 | 69 | 188 | 275 |
| 110 | 1 030 ℃保温0.5h油淬+ | 812 | 912 | 19 | 68 | 222 | 278 |
| | 560 ℃保温2h升至720 ℃ | 570 | 491.67 | 561.8 | 17.2 | 81.0 | 200 | 277 |
| | 保温4h空冷 | 491 | 544 | 17.1 | 80.0 |
| 厂标30.84.015 | 1 000 ℃保温0.5h油淬+ | 室温 | ≥683 | ≥834 | ≥18 | ≥50 | ≥98 | 241～285 |
| | 710 ℃保温6h空冷 |
注：用1万秒持久hb外推10万小时的持久强度。这是由于从淬火温度考虑，1 030 ℃淬火优于1 000 ℃淬火的性能，从化学成分上考虑，这种含v0.85%的cr—mo—v钢，适当提高淬火温度，有利于v的碳化物溶解。因此选定1 030 ℃是此钢的最佳淬火温度。其强化原理是通过固溶强化、碳化物相沉淀强化来提高其热强性。另外提高奥氏体化温度可使钢的松弛稳定性增加［1］。
3.3 金相组织
实验结果表明，1 030 ℃保温0.5 h油淬+560 ℃保温2 h升至720 ℃保温4 h空冷的金相组织比1 000 ℃保温0.5 h油淬+710 ℃保温6 h空冷的金相组织细小。图1、2为透射电镜薄膜照片，970 ℃淬火时碳化物没有溶解，整个基体遍布着颗粒较大的未溶碳化物；从图1可看出，温度升高到1 000℃淬火，碳化物有溶解的迹象，但无明显的析出；从图2可看出，1 030 ℃淬火，未溶碳化物基本全部溶解，回火后基体开始出现大量析出，颗粒小而弥散，多数为无规则的小颗粒；在另外的视场中还可看到重结晶晶粒及亚晶，并且在原奥氏体晶界上有析出。1%cr—mo—v钢中碳化钒呈细小均匀弥散分布在铁素体基体上时具有最高的热强性［1］。
图1 1 000 ℃保温0.5h油淬+710 ℃保温6h空冷的tem照片(×80000)
图2 1 030 ℃保温0.5h油淬+710 ℃保温6h空冷的tem照片(×50 000)3.4 断口分析
用扫描电镜对1 000 ℃和1 030 ℃淬火试样的断口进行了观察，其断口微观形貌见图3、4。图3为韧窝断口，图4的断口除了韧窝外还有少量准解理。
图3 1 000 ℃保温0.5h油淬+710 ℃保温6h空冷的sem照片(×800)
图4 1 030 ℃保温0.5h油淬+560 ℃保温2h升至720 ℃保温4h空冷的sem照片(×800)
3.5 20cr1mo1v1钢碳化物相分析
x射线衍射分析证明，将970 ℃油淬和1 030 ℃油淬及1 090 ℃油淬试样分别在同一电解参数工艺中收取的碳化物量呈减少趋势。在同一参数条件下进行衍射，发现其衍射峰值强度也呈下降趋势，也就是vc线条高度越来越降低，至1 090 ℃加热淬油试样的vc衍射线条已很微弱了。这说明随着淬火加热温度的升高，vc颗粒逐步溶解到基体当中，到1 090 ℃加热时，该钢中碳化物vc颗粒已大量溶解。
经1 030 ℃保温0.5 h油液+560 ℃保温2 h升至720 ℃保温4 h空冷的试样主要碳化物是vc、其各峰形较完整、峰的强度也明显升高，见图5。再测1 000 ℃保温0.5 h油淬+710 ℃保温6 h空冷的试样所得衍射数据图大致相同，只是有少量mo2c线条出现，见图6。当钢中出现粗大的mo2c时，则钢的持久强度降低［1］。这里应指出除了已确定的衍射线条和扣除kcl干扰线条，分析中将该线条用“x”号扣除，还有少数线条不能确定，这是否是新的另一种碳化物相析出或是杂散干扰线条，还有待于进一步研究。
图5 1 030 ℃保温0.5h油淬+560 ℃保温2h升至720 ℃保温4h空冷试样碳化物衍射曲线
图6 1 000 ℃保温0.5h油淬+710 ℃保温6h空冷试样碳化物衍射曲线
4 结论
(1)20cr1mo1v1这种紧固件采用1 030℃保温0.5 h油淬+560 ℃保温2 h升至720 ℃保温4 h空冷的性能及组织优于目前生产工艺1 000 ℃保温0.5 h油淬+710 ℃保温6 h空冷的性能及组织。并在提高强度的同时，hb降低，这正是生产中所需要的，解决了生产中易出现的强度低、硬度高的问题。
(2)断口分析结果表明，20cr1mo1v1在1 000℃保温0.5 h油淬+710 ℃保温6 h空冷的断口是韧窝断口，采用1 030 ℃保温0.5 h油淬+560 ℃保温2 h升至720 ℃保温4 h空冷的断口除了韧窝外还有少量准解理。
(3)对20cr1mo1v1的透射电镜观察结果表明，1 000℃淬火时，碳化物有溶解的迹象，但无明显的析出；1 030 ℃淬火时，碳化物基本全部溶解，基体开始出现大量析出，颗粒小而弥散，多数为无规则的小颗粒；还可看到重结晶晶粒及亚晶，并且在原奥氏体晶界上有析出。
(4)经x射线衍射结果表明，20cr1mo1v1经1 030 ℃保温0.5 h油淬+560 ℃保温2 h升至720 ℃保温4h空冷的试样主要碳化物是vc，经1 000 ℃保温0.5 h油淬+710 ℃保温6 h空冷的试样主要碳化物是vc和少量的mo2c。(何静芳 编)■
作者简介：龚正春(1962-)，男，江苏启东人，哈尔滨锅炉厂有限责任公司材料研究所高级工程师.
作者单位：龚正春（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，150046）
孔令勤（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，150046）
刘淑珍（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，150046）
冯永强（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，150046）
刘志国（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，150046）
李万春（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，150046）
常铁军（哈尔滨工程大学）
马茂元（哈尔滨工程大学）
尹树桐（哈尔滨工程大学）
宋静（哈尔滨锅炉工业公司）
陆泰瑾（哈尔滨锅炉工业公司）
参考文献：
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