Alliage 12Cr1MoVG

1. 12Cr1MoVG是什麼材質？

錯誤寫法：12Gr1MoVG或12CrIMoVG
12Cr1MoVG（正確讀法：12鉻1鉬釩鍋）是五、六十年代從原蘇聯引進的Cr-Mo-V低合金耐熱鋼。 釩是縮小 γ 相區的元素，溶於 γ- Fe時會抑制奧氏體轉變為珠光體，有利於奧氏體的形成。 鋼中合金總量只有2.25Cr-1Mo鋼的二分之一，但持久强度（580℃）卻是2.25Cr-1Mo的1.4倍。 國外廣泛使用的類似鋼號有ASTM A405 P24美國，BS 3604英國，DIN 13CrMoV42德國等。
極限使用溫度：12Cr1MoVG/GB 5310合金鋼無縫鋼管主要用於金屬壁溫不超過580℃的鍋爐過熱器，再熱器等受熱面管系和金屬壁溫不超過565℃的鍋爐集箱和主蒸汽筦道等受壓件。

2. GB 5310 12Cr1MoVG化學成份

牌號	化學成份 (%)
	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Ni	Cu	P	S
									Max
12Cr1MoVG	0.08-0.15	0.17-0.37	0.40-0.70	0.90-1.20	0.25-0.35	0.15-0.30	≤0.30	≤0.20	0.025	0.02

3. 12Cr1MoVG力學性能

12Cr1MoVG鋼在熱空氣中的氧化年腐蝕率，當溫度580℃時為0.042-0.050毫米/年，600℃時為0.129-0.220毫米/年。

4. 12Cr1MoVG物理性能

5. 12Cr1MoVG工藝效能

（1）鍛、軋：始鍛溫度1180-1145℃，終鍛溫度大於850℃，鍛後堆冷。
（2）冷熱加工：小口徑鋼管可以冷彎，彎後不需要熱處理。 大口徑薄壁管可以冷彎，彎後需要做高溫回火熱處理。 大口徑厚壁管則要熱彎，熱彎管的加熱溫度為980℃，終彎溫度＞800℃，彎後還要進行正火加回火熱處理。
（3）熱處理：成品鋼管應經正火+回火熱處理，熱處理規範對鋼的效能影響比較敏感。 推薦正火溫度980-1020℃。 保溫時間按壁厚每毫米為1分鐘，但不少於20分鐘； 回火溫度720-760℃，保溫時間大於2小時。 當壁厚大於30mm至40mm，應進行強制冷卻； 當壁厚大於40mm，應進行調質處理。 淬火溫度950-990℃，回火溫度720-760℃，保溫時間大於2小時。 當鋼管的終軋溫度為980-1020℃的正火溫度時，可以熱軋代替正火。 成品鋼管經熱處理後的正常組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，正火後回火加熱溫度過高會出現不允許存在的相變點間產物-黃塊馬氏體，回火溫度為低易產生脆化傾向。
（4）焊接工藝
焊接材料：可用手工焊、氣體保護鎢極和熔化極自動焊或埋弧自動焊等。 對於小口徑薄壁過高可採用氬弧焊打底，手工焊或自動焊蓋面，對於鍋爐集箱用大厚壁大口徑過高的環焊縫可採用氬弧焊打底，埋弧自動焊蓋面，而管座焊縫可採用內孔氬弧焊打底手工焊蓋面等方法進行焊接。 手工電弧焊採用E5515-B2-V（R317）焊條，自動焊採用H08CrMoV焊絲。 該鋼雖有良好的可焊性，但有冷裂和脆硬傾向，焊前應經200-250℃預熱（小口徑薄壁該鋼焊前可不預熱），焊後應經700-740℃消除應力熱處理。

6. 調質硬度

12Cr1MoVG高壓合金管的淬透情況相同時，調質後的硬度即可反映12Cr1MoVG高壓合金管的屈服強度與抗拉強度，因此12Cr1MoVG高壓合金管圖紙和技術條件一般隻規定硬度數值。隻有很重要的零件才規定其他力學性能指标。
調質12Cr1MoVG高壓合金管硬度的确定，必須考慮到制造工藝的要求和使用時的載荷條件。從制造工藝考慮，希望零件在毛坯狀态調質，而後進行切削加工和裝配。這樣12Cr1MoVG高壓合金管熱處理時産生的變形和脫碳在以後的切削加工中加以消除。但是采用這種制造程序的零件，其硬度不能過高，一般不超過300HB，個别的不超過350HB，否則對切削加工不利。要求硬度更高的零件(如有的汽車半軸要求硬度爲341-415HB)，隻能先切削加工，然後再進行調質處理，這時12Cr1MoVG高壓合金管加熱時應防止脫碳和變形，有時熱處理後要增加校直工序。小批量或單件生産的零件，切削加工所允許的硬度可以适當提高。
确定調質12Cr1MoVG高壓合金管硬度時還必須考慮到生産的特點，小批單件生産的産品，不同12Cr1MoVG高壓合金管可以選定不同的硬度，大批量流水生産的工廠希望大部分12Cr1MoVG高壓合金管的硬度範圍一緻或固定在幾個硬度範圍内，這對組織熱處理生産有很大的方便。

從12Cr1MoVG高壓合金管使用角度考慮，确定調質零件的硬度時要注意到12Cr1MoVG高壓合金管的工作條件和零件的形狀。一般的講，硬度值高，抗拉強度、屈服強度和光滑樣品的疲勞強度都高，但是塑性指标降低，脆性破壞傾向和應力集中的敏感性增加，因此，當12Cr1MoVG高壓合金管上有起應力集中作用的缺口(花鍵、槽或斷面變化大)時，爲使應力分布均勻、減少應力集中現象，這時較低的硬度反而可以獲得較高的疲勞性能。

7. 12Cr1MoVG厚壁鋼管高溫正火+回火的組織和效能

12Cr1MoVG鋼是一種廣泛應用於火力發電廠高溫部件的鋼種，具有較高的持久强度、持久塑性和良好的抗氧化效能，焊接效能及其冷熱成型良好，其大口徑管通常用於蒸汽溫度≤550℃的集箱、蒸汽管道、管件等重要部件。
12Cr1MoVG鋼最初的標準YB529-65（YB6-59）是等效採用前蘇聯標準 ΓΟСТ 10802-64（ ΓΟСТ 4543-59）標準中的12Cr1MoV資料，時至GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》，材質的效能要求基本沒有大的改變。 12Cr1MoVG鋼對熱處理比較敏感，其力學性能與熱處理規範有很大的關係。 隨著火力發電機組的參數提升，筦道（管件）外徑和壁厚都隨之新增，尺寸效應凸顯，在成型和熱處理方面面臨巨大挑戰，諸如鋼管的强度不足、硬度不均、衝擊功波動、組織不均勻等現象頻發，微合金化和熱處理工藝研究改進提升了鋼管的强韌性。 大容量、高參數發電機組迫切需要組織均勻、穩定、可靠性好的優質大口徑厚壁鋼管，以確保其安全可靠運行。
12Cr1MoVG鋼的顯微組織允許有多種形式存在，如鐵素體+珠光體、鐵素體+粒狀貝氏體、鐵素體+粒狀貝氏體+珠光體、全貝氏體等組織都是允許的。 在行業內，鋼管通常的組織形態是鐵素體+珠光體+少量的貝氏體，存在大量的貝氏體組織經常按异常組織處理，而視為特殊產品。 具有大量貝氏體組織的鋼管在高溫長時運行工况下，其組織穩定性如何，持久效能的表現如何，國內還沒有文獻報導。 本文對採用正火加速冷卻工藝的12Cr1MoVG鋼大口徑厚壁管產品進行常規效能檢驗和長期高溫持久試驗，探索此類組織的穩定性，為製造大口徑厚壁12Cr1MoVG無縫鋼管進行有益探索。

試驗資料及方法

試驗資料生產流程為：120t轉爐冶煉+LF精煉+RH脫氣→連鑄 Φ 700mm圓坯→鍛造 Φ 460mm圓鋼→熱軋鋼管（ Φ 457mm × 70mm）→正火處理→回火處理→無損檢測→精整及包裝。 為使鋼具有高純淨度，冶煉過程中，控制轉爐終點[C]≤0.06%，[P]≤0.012%，[S]≤0.007%，出鋼時加鋁脫氧； 鋼包喂線控制[Alt]≤0.018%，並使用FeSi、SiC、Al粒擴散脫氧； RH工序極限真空度≤67Pa，精煉時間≥15min； 嚴格控制中間包鋼水過熱度。 鍛造工序控制終鍛溫度≥780℃，鍛後660-680℃去應力退火； 管坯加熱溫度≤1260℃，錐形輥斜軋穿孔+Assel軋管。 GB/T5310-2017中允許的正火溫度是980-1020℃，回火溫度是720-760℃。 正火溫度選擇時，考慮到正火溫度升高，鋼中碳與合金元素的溶解量增大，珠光體轉變的孕育期變長，有利於獲得貝氏體組織，但是過高溫度，會加劇晶粒的長大，故選擇正火溫度1000℃，保溫105min，出爐後採用水霧加速冷卻，500℃以上冷卻速度1.25-1.00℃/s； 回火溫度740℃，保溫180min，出爐空冷。 鋼管的化學成分見錶1。
完成熱處理，在鋼管的1/4壁厚處橫向切取試料，加工 Φ 10mm圓形拉伸試樣，用QUASAR300拉伸試驗機進行常溫拉伸試驗，用RD2-3拉伸試驗機進行高溫拉伸試驗，試驗溫度575℃，加載應力分別是150、130、120、110、100MPa。 採用JBW-450C衝擊試驗機依據GB/T229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行衝擊試驗。 採用OLYMPUSBX51M金相顯微鏡和Quanta400F場發射環境掃描電鏡觀察試驗鋼管的晶粒大小和顯微組織，以及觀察長期高溫時效後的組織變化和應力載荷下產生的組織變化。 用Brin200DEL全自動布氏硬度機，測試試驗鋼的硬度和持久殘樣夾持端（未變形）、標距應變部位和斷口附近的硬度。

試驗結果與討論

鋼管的顯微組織
試驗鋼管的光學顯微組織如圖1所示，SEM顯微組織形貌如圖2（a）所示。 由圖1可知，顯微組織為貝氏體+鐵素體+珠光體，貝氏體組織占比最多。 從圖2（b）可知，貝氏體組織在形態上有一定的位相關係，層狀結構較為緻密，鐵素體內部及晶界處均未發現明顯的析出物，珠光體含量很少。 由圖1（a）可見，依據GB/T6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》評定，晶粒度7-5級。 很明顯，試驗用鋼的顯微組織與常見的組織存在差异，即含有大量的貝氏體組織，貝氏體量約占65%。
過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線（CCT曲線）是製定熱處理工藝的依據，JMatpro軟件類比的12Cr1MoVG鋼的CCT曲線如圖3所示。 由圖3可知，奧氏體化後冷卻速度不同，獲得的組織不同。 現場熱處理過程中，由於受鋼管自身散熱、支撐工具溫度、水溫、水霧效果、鋼管彎曲等因素影響，冷卻速度控制難度較大。 根據圖3，試驗鋼管正火採用水霧加速冷卻，冷卻速度為1.25-1.00℃/s，顯微組織是貝氏體+鐵素體+珠光體，與實際獲得的組織吻合。
鋼管的室溫力學性能
試驗鋼管的力學性能結果見錶2。 其鋼材試樣的屈服强度為416MPa，抗拉强度為575MPa，抗拉强度比標準最低值要求高105MPa，橫向斷後伸長率24.5%。 同時，鋼材橫向試樣室溫衝擊功為206-244J，衝擊功遠超標準要求，未出現厚壁12Cr1MoVG鋼管常發生衝擊功波動或不足的問題。 鋼管的布氏硬度187HBW，接近標準硬度要求的上限。
鐵素體組織是12Cr1MoVG鋼的基本組織形態，一般以先析和共析管道存在，它可以提升材質韌性，晶界上的先析鐵素體也有一定的淨化晶界的作用。 珠光體組織一般在共析時產生，組織相對穩定並有提升整體强度的作用，組織形態依冷卻速度和區域的成分差异，以層片狀或顆粒狀形態存在。 貝氏體組織是12Cr1MoVG鋼的另一種組織存在，一般呈粒狀貝氏體形態，由於冷速和區域成分變化等因素，粒狀貝氏體形態也呈多樣形態，效能也有不同的表現。 如果正火冷卻速率較慢，會引起釩的碳化物聚集長大，沿晶界的聚集長大會使資料脆化，在鐵素體內聚集長大會影響强度及韌性。 12Cr1MoVG鋼厚壁鋼管正火空冷或冷卻不足，顯微組織為常規的鐵素體+珠光體，或為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，且容易導致强度偏低或不足，且伴隨衝擊功波動或不合格。 試驗鋼管正火採用水霧加速冷卻，能抑制V（C，N）碳化物在先析鐵素體和沿晶界析出及長大，組織中出現較多的貝氏體，强度、延伸率和衝擊功富餘量大，說明了貝氏體組織有益韌性和强度提升。
錶.1 12Cr1MoVG鋼管的化學成分（品質分數）%

圖.1 12Cr1MoVG試驗鋼管的組織形貌：（a）OM，（b）OM

圖.2 12Cr1MoVG試驗鋼管的顯微組織：（a）SEM圖，（b）SEM（1）處局部放大影像

圖.3 12Cr1MoVG試驗鋼的CCT曲線

錶.2 12Cr1MoVG試驗鋼管的力學性能

鋼管的高溫持久效能
高溫持久試驗由上海鍋爐廠有限公司測試，測試結果見錶3。 從測試結果看，最長測試時間已經達51480h。 利用雙對數法外推105h持久强度，持久應力與加載時間的關係式：lg σ= 3.146-0.2423lgT。 經推算，575℃ × 105h持久强度為86MPa，滿足國標105h外推持久强度≥80MPa的要求（通過插值法獲得）。 從測試數據的試驗應力與加載時間來看，直至最長51480h未斷（試驗中），曲線沒有明顯的折線點，有較好的線性關係，關係曲線如圖4所示。 貝氏體含量可以影響12Cr1MoVG鋼的持久强度，提高正火溫度或正火冷卻速度可獲得較多的貝氏體，抑制了碳化物在晶界析出和粗化，新增了晶界强度，從而提高鋼的持久强度。
錶.3 12Cr1MoVG試驗鋼管575℃持久試驗結果

圖.4 12Cr1MoVG試驗鋼管持久應力與加載時間的關係
長時高溫時效後的組織和硬度
對575℃/120MPa持久27198h斷裂試樣進行了縱向線切割，並截斷成夾持端（1#）、近夾持端（2#）、近斷口（3#）和斷口段（4#），如圖5所示。 從試樣夾持端向斷口端依次進行布氏硬度測試，夾持端和遠離斷口的部位硬度變化不大，1#、2#部位硬度為177-175HBW，較未進行高溫持久試驗前的硬度187HBW降低了10HBW。 隨之靠近斷口，硬度降低幅度越大，如圖5中3#、4#部位硬度依次為174、161、157、154HBW。

圖.5 持久試驗縱向剖開及截斷示意圖
試樣夾持端光學顯微組織如圖6（a）所示，金相組織穩定，SEM下觀察如圖6（b）所示，鐵素體區域有彌散且均勻分佈的初期析出物，貝氏體區域碳化物未見有明顯長大，晶界有析出物並聚集呈塊狀或短棒狀。 近夾持端的顯微組織如圖7（a），（d）所示，珠光體區域發生明顯的球化，層狀內的碳化物（Fe3C）相明顯碎化，晶界有大量析出物並長大呈塊狀； 近斷口（3#）鐵素體區域附近出現M7C3型碳化物，且出現零星的蠕變孔洞，有鏈狀M23C6型碳化物析出。 貝氏體區域的基體沒有明顯的變化，有一定數量的析出物，但是沒有粗化現象。 在靠近斷口附近，晶界處碳化物明顯聚集，三角晶界處萌生蠕變孔洞，如圖7（b），（e）所示，並出現逐漸長大、聚合態勢，如圖7（c），（f）所示。 在500℃以上高溫，Cr和Mo發生擴散遷移，由此也引起晶粒長大、珠光體消散，固溶體內合金元素的貧化和碳化物從晶內向晶界的轉移及分佈。 在溫度和應力的作用下，可能會促進元素的遷移，從夾持端依次向斷口端，鐵素體基體中碳化物逐漸减少，晶界粗化逐漸明顯，說明鐵素體中的合金元素逐漸貧化並遷移。 碳化物相的晶界聚集與粗化，導致蠕變孔洞形核，降低基體的强化作用，使得斷裂強度降低。 越靠近斷口，晶粒變形拉長，碳化物析出及粗化越明顯，並出現零星的蠕變孔洞，這也說明了從夾持端到斷口端，硬度有逐漸降低的趨勢。

結論

（1） Φ 457mm × 70mm厚壁12Cr1MoVG試驗鋼管經1000℃正火採用水霧加速冷卻，500℃以上冷卻速度1.25-1.00℃/s，加740℃回火處理。 顯微組織為鐵素體+貝氏體，且貝氏體量約占65%。 試驗鋼管屈服强度為416MPa，抗拉强度為575MPa，室溫衝擊功為206-244J，布氏硬度187HBW。 效能滿足GB/T5310-2017要求，且强度和室溫衝擊功富餘量大。

圖.6 12Cr1MoVG1#試驗鋼管575℃時效的顯微組織形貌：（a）OM，（b）SEM

圖.7 575℃/120MPa載荷應力下的組織演變：（a）（d）2#承受應力的部分，（b）（e）3#近斷口區萌生蠕變孔洞，（c）（f）4#蠕變孔洞在斷口處萌生，蠕變孔洞在斷口處長大、彙聚
（2）試驗鋼管的575℃高溫持久性能優异，575℃ × 105h持久强度為86MPa，符合國標要求。 575℃/100MPa持久直至最長51480h未斷（試驗中），曲線沒有明顯的折線點，有較好的線性關係。
（3）具有大量粒狀貝氏體組織的12Cr1MoVG材質，575℃/120MPa持久27198h斷裂，試樣開裂起源於晶界蠕變孔洞，周邊貝氏體基體沒有發現嚴重的球化等現象，組織穩定性優异。
作者：張銀橋