Cu_Sb_Sn_Mo_W...Sb钢组织及力学性能的影响_郑健.pdf

书书书基金项目:国家自然科学基金(52231003)作者简介:郑健(1982 )，男，高级工程师;E-mail:xlrzhj163 com;收稿日期:2022-09-21DOI:10 20057/j 1003-8620 2022-00135Cu/Sb/Sn/Mo/W 对新国标 09CrCuSb 钢组织及力学性能的影响郑健1，彭志贤2，袁渊1，黄振华1，袁泽喜2，刘静2(1 湖南华菱湘潭钢铁有限公司，湘潭 411101;2 武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，武汉 430081)摘要:采用金相显微镜、扫描电镜、电子探针、拉伸力学性能测试、夏比冲击测试，研究了新国标 NB/T47019-2021的 09CrCuSb 钢合金元素 Cu、Sb、Sn、Mo 和 W 对其微观组织和力学性能的影响。研究表明，新标准中增加的合金元素将促进钢中-铁素体的析出，同时也会增加材料强度但会降低其塑性;-铁素体将显著降低材料冲击力学性能 其中，p0 2=365 64 MPa，夏比冲击功 KV2为 243 J(室温)和 192 J(40)，使得冲击断口由塑性断口向脆性断口特征转变，特别是对 40 的冲击功降低作用尤为显著。在新国标成分框架下，须通过合理的热加工工艺调整，降低钢中-铁素体的析出，从而提高材料力学性能。关键词:09CrCuSb 钢;力学性能;硫酸露点腐蚀;锅炉用钢Effect of Cu/Sb/Sn/Mo/W on Structure and MechanicalProperties of New National Standard 09CrCuSb SteelZheng Jian1，Peng Zhixian2，Yuan Yuan1，Huang Zhenhua1，Yuan Zexi2，Liu Jing2(1 Hunan Xiangtan Iron and Steel Group Co，Ltd，Xiangtan，411101;2 The State Key Laboratoryof efractories and Metallurgy，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan，430081)Abstract:In this paper，the effects of alloy elements Cu，Sb，Sn，Mo and W of new national standard 09CrCuSb on theirmicrostructure and mechanical properties are studied by means of metallographic microscope，scanning electron microscope，EPMA，tensile mechanical property test and Charpy impact test The results show that the addition of alloying elements willpromote the precipitation of-ferrite to increase the strength of the material but reduce its plasticity;-ferrite will signifi-cantly reduce the impact mechanical properties of the material，making the impact fracture change from plastic fracture tobrittle fracture，especially for the impact energy at 40 Among them，p0 2=365 64 MPa，Charpy impact energiesKV2243 J(ambient)and 192 J(40)Under the framework of the new national standard composition，it is neces-sary to adjust the reasonable hot working process to reduce the precipitation of-ferrite and improve the mechanical proper-ties of the materialKey Words:09CrCuSb Steel;Mechanical Properties;Sulfuric Acid Dew Point Corrosion;Steel for Boiler硫酸露点腐蚀是指含硫气体在一定压力和温度下与水蒸气达到相平衡时，满足了硫酸露点形成条件而凝结成液体。此时温度通常高于常温，凝结的硫酸液体会在烟道内壁附着，将对材料产生严重的化学腐蚀和电化学腐蚀，危害设施服役安全。耐硫酸露点腐蚀钢主要含 Mn、Cu、Cr、Ti、Sb 等合金元素，其中 Cu、Cr、Sb 为主要的抗大气腐蚀元素，对钢材的大气腐蚀起活性阴极作用，而 Cu 还可以消耗电子与 SO42 离子反应，在钢板表面形成致密的Cu2S 膜将硫酸液隔离，从而降低钢的腐蚀反应。09CrCuSb 钢又被称为 ND 钢，以其优良的“耐硫酸低温露点腐蚀”性能，被广泛应用于省煤器、空气预热器、高压锅炉换热器和蒸发器等领域，以及抗含硫烟气露点腐蚀的装置和设备1-2。根据中华人民共和国能源行业标准于 2021 年 7 月 1 日实施的锅炉、热交换器用钢管订货技术条件-NB/T47019-20213，对 09CrCuSb 钢的成分做了较大的调整，特别是为了提高材料高温耐露点腐蚀性能，增加了钢中的 Cr、Cu、Sb、Sn、Mo、W 等元素含量。其主要合金添加思路在于，Cr 与 Cu 元素相互配合时，在不存在活性碳情况下可促进钢铁表面发生钝化，显著降低腐蚀速率，提高耐硫酸露点腐蚀性能;Cr 还可以细化晶粒，提高钢材的热强性能和高温抗氧化性能;W 含量增加，可使钢自腐蚀电流降低，促进 W 以及耐蚀元素在腐蚀产物膜中的富集，使致密的保护性产物膜快速形成。48第 44 卷第 2 期特殊钢Vol 44 No 22023 年 4 月SPECIAL STEELApril2023然而，在新调增的合金元素中，含有 Mo、Nb、V、W 这类典型的铁素体稳定化元素，显著增加了钢中Cr 当量(Creq)，会造成钢中高温-铁素体相在液相线温度附近的析出4-6。同时由于钢中-铁素体较低的强度和硬度，也会导致材料疲劳性能及冲击韧性的降低，且高温-铁素体相不仅不会因制管后的正火工艺消失7，还会进一步影响 09CrCuSb 钢的耐硫酸露点腐蚀性能，给相关钢厂及制管行业带来新的技术挑战。为此，本文以新/旧国标成分体系下采用相同生产工艺制备的 09CrCuSb 热轧圆钢为研究对象，采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EP-MA)以及拉伸、夏比冲击等力学测试手段，研究了合金元素对 09CrCuSb 钢微观组织及力学性能的影响。1试验材料和研究方法本试验采用经连铸坯热轧而成的 60 mm09CrCuSb 圆钢为研究对象。作为对比，还研究了NB/T47019-2011 国标成分体系经相同工艺生产的09CrCuSb 圆钢。其中，炼钢采用顶底复吹转炉冶炼，出钢过程中加入脱氧剂、合金和部分顶渣进行脱氧合金化;LF 根据成分要求精确调整化学成分、脱氧去夹杂、控制钢水温度和进行钙处理操作;VD 进行真空脱气并进一步去除夹杂和深度脱硫;连铸坯尺寸为 350 mm 350 mm 方坯，中间包过热度为40，结晶器液面波动控制在 5 mm，采用电磁搅拌和动态轻压下技术，拉速 1 20 m/min;轧制工艺均热段温度 1 040 1 050，在炉时间 330 min;开轧温度 1 000，终轧温度 880。按两种标准生产的 09CrCuSb 圆钢化学成分见表 1，其中依旧标准成分体系生产的试样标记为 OS，新标准生产的试样标记为 NS。采用线切割方法在热轧圆钢半径 1/2 处取直径为 15 mm 高度为 10 mm 的圆柱试样，每个批号样取4 个。试样表面经打磨、机械抛光后用 4%硝酸酒精溶液腐蚀，利用 Zeiss Axioplan 2 金相显微镜、场发射电子探针显微分析仪(EPMA 8050G)对试验钢组织进行观察。采用线切割方法，根据国标GB/T 228 1-2010表 1标准及试验 09CrCuSb 钢实测化学成分/%Table 1Standard and the measured chemical composition of experimental 09CrCuSb steel/%项目CPSCuCrMoSnSbWNiNB/T47019-20110120 0250010025 045 070 110004 010OS00700070 0020 2608400010 0750018NB/T47019-20210070 0250010045 055 090 110020 030 010 0 20 018 020 018 0200 25NS00600090 0030 450950210130 1920 183024在圆钢半径 1/2 处沿轧制方向取哑铃形片状拉伸试样，试样总长为 90 mm，厚度为 3 mm，平行段宽度为6 mm，长度为 20 mm。试样在拉伸试验前，平行段经砂纸打磨至 800 目。力学性能试验在 INSTON8801 万能液压伺服力学试验机上进行，拉伸速率为103s1。其中，每个试样力学性能都重复进行三次，选取最接近平均值的曲线数据进行分析。在圆钢半径1/2 处沿轧制方向截取尺寸为55 mm 10 mm 10 mm 的标准冲击试样，采用 JBW-300B 夏比摆锤冲击试验机对试样进行冲击试验，每个试验钢重复试验3 次，取测试平均值。拉伸和冲击试样断口分别采用扫描电镜(SEM Apreo S HiVac)进行观察。2试验结果与分析2 1试验钢微观组织形貌图 1 所示为利用光学显微镜观察到的试验钢OS 和 NS 横截面组织形貌，由图可知，热轧圆钢内部皆以铁素体+珠光体组织为主，试验钢 OS 中铁素体平均晶粒尺寸约 18 34 m，试验钢 NS 中铁素体平均晶粒尺寸约 16 61 m。另外，在试验钢 NS试样内部，存在有较多数量的-铁素体，如图中箭头所示，随机分布在铁素体内部或晶界附近。图 2所示为利用光学显微镜观察到的试验钢 OS 和 NS纵截面组织形貌，由图可知，试验钢 OS 纵截面沿轧制方向存在明显的带状组织，而试验钢 NS 中呈现不明显带状组织特征。在试验钢 NS 中，沿纵截面方向仍可观察到明显的-铁素体。其中，-铁素体尺寸较为细小，多在铁素体晶界析出，呈不规则多边形。针对新国标试验钢中观察到的-铁素体采用SEM 结合 EPMA 进行分析，如图3 所示。在 SEM 的二次电子相中，经 4%硝酸酒精溶液腐蚀后，-铁素体呈现出明显的浮凸特征，表明其具备更高的耐硝酸性能。对-铁素体进行波谱元素分布线扫描结果如图 3(b)所示，整体而言，-铁素体内部元素与周边基体铁素体组织差异不大。但可观察到Cu元58第 2 期郑健等:Cu/Sb/Sn/Mo/W 对新国标 09CrCuSb 钢组织及力学性能的影响图 1试验钢 OS(a)，NS(b)横截面组织Fig 1Cross sectional structure of tested steel OS(a)，NS(b)图 2试验钢 OS(a)，NS(b)纵截面组织Fig 2Longitudinal section structure of tested steel OS(a)，NS(b)图 3试验钢 NS 中-铁素体 SEM 形貌(a)及元素分布(b)Fig 3SEM morphology of-ferrite(a)and ele