汽轮机零部件用12%Cr钢粗晶细化热处理工艺研究

12%Cr型马氏体热强不锈钢是用于制造超临界、超超临界火电机组汽轮机零部件的重要材料。由于加入了Mo、V等合金元素，12%Cr型马氏体热强不锈钢具有更加良好的高温热强性、高温组织和性能稳定性、高温抗氧化性及抗蒸汽腐蚀能力。

东方汽轮机有限公司的技术人员研究的一种12%Cr型马氏体热强不锈钢在汽轮机零部件实际生产过程中，需经过退火、锻造、调质等多道热加工工序，因该材料对热处理温度较为敏感，容易出现粗晶或混晶现象，从而导致晶粒度、强度、冲击等性能指标不合格。

研究表明，晶粒细化是同时提高钢铁材料强度和韧性的唯一方法。钢铁材料获得细晶的主要方法有：利用相变和再结晶热处理、形变热处理以及钢液超速急冷等特殊工艺方法。国内外对这种12%Cr型马氏体热强不锈钢晶粒细化的工艺少有报道，而生产中却常遇到该材料的粗晶问题，因此有必要对该材料的晶粒细化工艺进行深入研究。

技术人员主要研究了1040℃×4h退火、1040℃×2h退火、1040℃×4h正火、1040℃×2h正火对该12%Cr型马氏体热强不锈钢晶粒细化的作用，并通过生产验证1040℃×4h退火细化晶粒工艺的可行性，深入分析晶粒细化的本质原因，为该材料的粗晶细化提供理论依据，以解决实际生产问题。研究结果表明：

（1）该12%Cr型马氏体耐热钢粗晶方钢分别在1040℃×4h退火、1040℃×2h退火、1040℃×4h正火、1040℃×2h正火热处理后，晶粒度得到明显细化，宏观粗晶转变成4级以上的晶粒度合格水平，满足标准要求。其中1040℃×4h退火的热处理工艺最佳，晶粒度可以达到6级。

（2）该粗晶方钢经1040℃×4h退火后，按照实际生产热处理工艺进行调质后，原方钢的粗晶得到了明显细化，其晶粒度均达到了4级以上合格水平，符合标准要求。此外，晶粒细化显著地提高了该材料的冲击性能。

（3）该粗晶方钢晶粒细化的主要原因是1040℃×4h退火可使奥氏体的形核率和长大速率达到很好的平衡，从而使晶粒细化效果最好。另外，碳氮化合物等相增加了晶粒形核质点，同时对晶界起到了钉扎作用。

（4）通过对钢铁材料实施退火或正火处理，可使其发生由α-Fe至γ-Fe和γ-Fe至α-Fe的相变重结晶，从而使粗大的晶粒得到细化。奥氏体等温形成动力学表明，随等温温度升高，奥氏体形成速度加快。这是由于奥氏体的形核率和长大速度随温度升高而增大，但形核率的增加更为明显，因而控制奥氏体化温度和加热时间对控制奥氏体晶粒很重要。