D0L:10.13374.issn1001-053x.2012.s1.006 第34卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.34 Suppl.1 2012年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2012 氮和氧含量对HCM2S钢组织和性能的影响 田研四 张业圣陈绍林李阳华 衡阳华菱钢管有限公司，衡阳421001 通信作者，E-mail:tianyand0905@163.com 摘要通过对4炉经过正火+回火热处理的HCM2$钢管进行拉伸试验，结合微观组织观察和能谱分析，研究了氮和氧含量 对HCM2S钢组织和性能的影响.结果表明：当HCM2S钢中氮的质量分数大于71×106时会和硼元素反应生成BN夹杂物， 从而使钢中“有效硼”量减少，降低钢的淬透性，最终影响组织和性能.氮含量不高于71×10~6时，氧的质量分数在14× 106~49×10-6内变化不会对HCM2S钢组织和性能造成影响.通过在钢中加入少量T元素，即使氮含量较高，Ti也可以和 氮发生反应生成氮化钛，从而获得全贝氏体组织和优异的力学性能. 关键词合金钢：氮：氧；硼：高压锅炉 分类号TF764·.2 Influence of nitrogen and oxygen contents on the microstructure and perform- ance of HCM2S steel TIAN Yan,ZHANG Ye-sheng,CHEN Shao-lin,LI Yang-hua Hengyang Valin Steel Tube Co.Ltd.,Hengyang 421001,China Corresponding author,E-mail:tianyan0905@163.com ABSTRACT The influence of nitrogen and oxygen contents on the microstructure and performance of HCM2S steel was studied by the room temperature tensile test of 4-furnace HCM2S steel tubes after being normalized and tempered,microstructure observation,and en- ergy dispersive spectrum analysis.The results show that when the mass fraction of nitrogen is larger than 71 x 106,the depletion of useful boron and the reduction of harden ability will take place,which would affect the microstructure and performance of the steel.The fluctuation of the mass fraction of oxygen in the range of 16x10to 49x10has no influence on the microstructure and performance of HCM2S steel,when the nitrogen content is no more than 7110.Addition of a little titanium will cause the reaction with nitrogen, save the content of useful boron,and obtain the bainite structure and excellent mechanical properties even with higher nitrogen content. KEY WORDS alloy steel:nitrogen;oxygen:boron:high pressure boilers HCM2S钢是日本住友金属和三菱重工借鉴我 壁温不超过600℃的过热器和再热器，或者用作超 国G102钢的多元复合强化理论、在2.25Cr-lMo钢 (超)临界电站锅炉的膜式水冷壁材料.大口径管可 基础上改良而成的新型低碳低合金贝氏体型耐热 用于制造金属管壁温度不高于575℃（较佳使用温 钢-].通过降低碳含量改善焊接性能，适当降低 度为550℃)的高温过热器联箱、高温再热器联箱、 Mo元素含量、加入W元素形成以W为主的W-Mo 主蒸汽管道、压制三通和弯头等 复合固溶强化，加入V、Nb和N形成MX型碳氮化 为满足国内火电行业向大容量、高参数超（超） 物进行弥散沉淀强化，加入微量的B进行晶界强 临界机组发展对材料的需求，一些钢铁企业相继启 化.该钢于1991年5月由ASME Code Case2199确 动了HCM2S钢国产化工作.2002年，宝钢率先成 认，现已正式纳入ASME SA-213和ASME SA-335 功开发出国产HCM2S钢面，并对国产HCM2S钢的 标准，牌号定为T23和P23. 热处理工艺可和高温组织演变及其对性能的影 该材料的小口径管可代替T22、G102和 响)进行了系统的研究.然而微量的氮和氧元素 12 CrlMoVG用于制造大型亚临界电站锅炉中金属 对HCM2S钢的组织和性能的影响却未见提及.本 收稿日期：201203-25
第 34 卷 增刊 1 2012 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 Suppl． 1 Jun． 2012 氮和氧含量对 HCM2S 钢组织和性能的影响 田 研 张业圣 陈绍林 李阳华 衡阳华菱钢管有限公司，衡阳 421001 通信作者，E-mail: tianyan0905@ 163． com 摘 要 通过对 4 炉经过正火 + 回火热处理的 HCM2S 钢管进行拉伸试验，结合微观组织观察和能谱分析，研究了氮和氧含量 对 HCM2S 钢组织和性能的影响． 结果表明: 当 HCM2S 钢中氮的质量分数大于 71 × 10 － 6 时会和硼元素反应生成 BN 夹杂物， 从而使钢中“有效硼”量减少，降低钢的淬透性，最终影响组织和性能． 氮含量不高于 71 × 10 － 6 时，氧的质量分数在 14 × 10 － 6 ～ 49 × 10 － 6 内变化不会对 HCM2S 钢组织和性能造成影响． 通过在钢中加入少量 Ti 元素，即使氮含量较高，Ti 也可以和 氮发生反应生成氮化钛，从而获得全贝氏体组织和优异的力学性能． 关键词 合金钢; 氮; 氧; 硼; 高压锅炉 分类号 TF764 + . 2 Influence of nitrogen and oxygen contents on the microstructure and performance of HCM2S steel TIAN Yan ，ZHANG Ye-sheng，CHEN Shao-lin，LI Yang-hua Hengyang Valin Steel Tube Co． Ltd． ，Hengyang 421001，China Corresponding author，E-mail: tianyan0905@ 163． com ABSTRACT The influence of nitrogen and oxygen contents on the microstructure and performance of HCM2S steel was studied by the room temperature tensile test of 4-furnace HCM2S steel tubes after being normalized and tempered，microstructure observation，and energy dispersive spectrum analysis． The results show that when the mass fraction of nitrogen is larger than 71 × 10 － 6 ，the depletion of useful boron and the reduction of harden ability will take place，which would affect the microstructure and performance of the steel． The fluctuation of the mass fraction of oxygen in the range of 16 × 10 － 6 to 49 × 10 － 6 has no influence on the microstructure and performance of HCM2S steel，when the nitrogen content is no more than 71 × 10 － 6 ． Addition of a little titanium will cause the reaction with nitrogen， save the content of useful boron，and obtain the bainite structure and excellent mechanical properties even with higher nitrogen content． KEY WORDS alloy steel; nitrogen; oxygen; boron; high pressure boilers 收稿日期: 2012--03--25 HCM2S 钢是日本住友金属和三菱重工借鉴我 国 G102 钢的多元复合强化理论、在 2. 25Cr--1Mo 钢 基础上改良而成的新型低碳低合金贝氏体型耐热 钢［1--3］． 通过降低碳含量改善焊接性能，适当降低 Mo 元素含量、加入 W 元素形成以 W 为主的 W--Mo 复合固溶强化，加入 V、Nb 和 N 形成 MX 型碳氮化 物进行弥散沉淀强化，加入微量的 B 进行晶界强 化． 该钢于 1991 年 5 月由 ASME Code Case 2199 确 认，现已正式纳入 ASME SA--213 和 ASME SA--335 标准，牌号定为 T23 和 P23． 该材料的小口径管可代替 T22、G102 和 12Cr1MoVG 用于制造大型亚临界电站锅炉中金属 壁温不超过 600 ℃ 的过热器和再热器，或者用作超 ( 超) 临界电站锅炉的膜式水冷壁材料． 大口径管可 用于制造金属管壁温度不高于 575 ℃ ( 较佳使用温 度为 550 ℃ ) 的高温过热器联箱、高温再热器联箱、 主蒸汽管道、压制三通和弯头等［4--5］． 为满足国内火电行业向大容量、高参数超( 超) 临界机组发展对材料的需求，一些钢铁企业相继启 动了 HCM2S 钢国产化工作． 2002 年，宝钢率先成 功开发出国产 HCM2S 钢［6］，并对国产 HCM2S 钢的 热处理 工 艺［7］ 和高温组织演变及其对性能的影 响［8--9］进行了系统的研究． 然而微量的氮和氧元素 对 HCM2S 钢的组织和性能的影响却未见提及． 本 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.s1.006
·22· 北京科技大学学报 第34卷 文研究了4炉HCM2S钢连铸管坯及由上述管坯生 见表1，其合金元素含量变化较小，1"钢氮含量最 产出的不同状态钢管的微观金相组织，结合力学性 高，2"和3钢氮含量较低（≤71×10-6），4"钢增加了 能、电镜观察和能谱分析，确定氮和氧含量对 质量分数为0.04%的钛元素.采用电炉初炼+钢包 HCM2S钢组织和性能的影响规律. 精炼+真空脱气工艺炼钢，经全水平连铸而成b140 mm连铸管坯.管坯经两辊斜轧穿孔+六机架限动 1试验原料与方法 芯棒连轧+二十四机架张力剪径成型为Φ70mm×6 1.1试验材料 mm钢管.热轧钢管经正火+回火热处理后成为成 试验材料取自4炉HCM2S钢连铸管坯及由上 品，热处理工艺如下：1060℃下保温30min后出炉 述管坯生产出的不同状态钢管.4炉钢的熔炼成分 空冷正火，正火后780℃下保温60min进行回火. 表1试验材料的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical compositions of the experimental material % 编号 C Mn Cr Mo Nb 0 N 1 0.08 0.47 0.31 2.35 0.17 0.24 0.05 0.004 1.57 0.0025 0.0113 2# 0.07 0.43 0.33 2.36 0.19 0.25 0.06 0.005 1.62 0.0049 0.0066 3# 0.09 0.47 0.34 2.36 0.17 0.29 0.05 0.005 1.58 0.0029 0.0071 4# 0.08 0.46 0.35 2.37 0.15 0.25 0.06 0.005 1.61 0.04 0.0014 0.0108 1.2试验方法 度不满足标准要求，其余炉次钢管的屈服强度、抗拉 使用德国OBLF QFN750直读光谱仪测试4炉 强度和伸长率均满足标准要求. 钢的化学成分，其中氮和氧含量使用LEC0EF-4O0 表2热处理后钢管的力学性能 氧氮气体分析仪进行分析.取连铸管坯、热轧态钢 Table 2 Mechanical properties of the steel tubes after normalizing and 管和正火态钢管的金相试样经过粗磨、细磨和抛光 tempering 后，使用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在 编号 屈服强度MPa抗拉强度/MPa拉伸率/% ZISS Axio Imager..M1m型光学显微镜下进行金相组 1# 349 534 34 织观察.将经过正火+回火热处理后的成品钢管加 2# 483 566 27 工成220mm×19mm条状试样，使用电液伺服万能 3# 475 560 28 试验机进行拉伸试验.在连铸管坯上取横向冲击试 4# 513 606 27 样，使用JSM6490LA型扫描电子显微镜对冲断后 ASME SA-213 ≥400 ≥510 ≥20 的断口进行扫描电镜观察和能谱分析. 2试验结果与分析 2.2金相组织观察 对4炉HCM2S钢的连铸管坯、热轧态钢管和正 2.1力学性能测试 火态钢管进行金相组织观察.图1(a)为1”连铸管 成品钢管的力学性能如表2所示.1钢屈服强 坯的金相组织，其中白色是由管坯外表面向心部延 (a% 400m 4004m 图1管坯金相组织.(a)1:(b)2 Fig.1 Metallurgical microstructures of billets:(a)1*;(b)2
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 文研究了 4 炉 HCM2S 钢连铸管坯及由上述管坯生 产出的不同状态钢管的微观金相组织，结合力学性 能、电镜观察和能谱分析，确定氮和氧含量对 HCM2S 钢组织和性能的影响规律． 1 试验原料与方法 1. 1 试验材料 试验材料取自 4 炉 HCM2S 钢连铸管坯及由上 述管坯生产出的不同状态钢管． 4 炉钢的熔炼成分 见表 1，其合金元素含量变化较小，1# 钢氮含量最 高，2# 和 3# 钢氮含量较低( ≤71 × 10 － 6 ) ，4# 钢增加了 质量分数为 0. 04% 的钛元素． 采用电炉初炼 + 钢包 精炼 + 真空脱气工艺炼钢，经全水平连铸而成 140 mm 连铸管坯． 管坯经两辊斜轧穿孔 + 六机架限动 芯棒连轧 + 二十四机架张力剪径成型为 70 mm × 6 mm 钢管． 热轧钢管经正火 + 回火热处理后成为成 品，热处理工艺如下: 1 060 ℃ 下保温 30 min 后出炉 空冷正火，正火后 780 ℃下保温 60 min 进行回火． 表 1 试验材料的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical compositions of the experimental material % 编号 C Mn Si Cr Mo V Nb B W Ti O N 1# 0. 08 0. 47 0. 31 2. 35 0. 17 0. 24 0. 05 0. 004 1. 57 ― 0. 002 5 0. 011 3 2# 0. 07 0. 43 0. 33 2. 36 0. 19 0. 25 0. 06 0. 005 1. 62 ― 0. 004 9 0. 006 6 3# 0. 09 0. 47 0. 34 2. 36 0. 17 0. 29 0. 05 0. 005 1. 58 ― 0. 002 9 0. 007 1 4# 0. 08 0. 46 0. 35 2. 37 0. 15 0. 25 0. 06 0. 005 1. 61 0. 04 0. 001 4 0. 010 8 1. 2 试验方法 使用德国 OBLF QFN750 直读光谱仪测试 4 炉 钢的化学成分，其中氮和氧含量使用 LECO EF--400 氧氮气体分析仪进行分析． 取连铸管坯、热轧态钢 管和正火态钢管的金相试样经过粗磨、细磨和抛光 后，使用体积分数为 4% 的硝酸酒精溶液腐蚀，在 ZISS Axio Imager. M1m 型光学显微镜下进行金相组 织观察． 将经过正火 + 回火热处理后的成品钢管加 工成 220 mm × 19 mm 条状试样，使用电液伺服万能 试验机进行拉伸试验． 在连铸管坯上取横向冲击试 样，使用 JSM 6490LA 型扫描电子显微镜对冲断后 的断口进行扫描电镜观察和能谱分析． 图 1 管坯金相组织 . ( a) 1# ; ( b) 2# Fig． 1 Metallurgical microstructures of billets: ( a) 1# ; ( b) 2# 2 试验结果与分析 2. 1 力学性能测试 成品钢管的力学性能如表 2 所示． 1# 钢屈服强 度不满足标准要求，其余炉次钢管的屈服强度、抗拉 强度和伸长率均满足标准要求． 表 2 热处理后钢管的力学性能 Table 2 Mechanical properties of the steel tubes after normalizing and tempering 编号 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 拉伸率/% 1# 349 534 34 2# 483 566 27 3# 475 560 28 4# 513 606 27 ASME SA--213 ≥400 ≥510 ≥20 2. 2 金相组织观察 对 4 炉 HCM2S 钢的连铸管坯、热轧态钢管和正 火态钢管进行金相组织观察． 图 1( a) 为 1# 连铸管 坯的金相组织，其中白色是由管坯外表面向心部延 ·22·
增刊1 田研等：氮和氧含量对HCM2S钢组织和性能的影响 ·23· 伸的铁素体组织，铁素体条间为粒状贝氏体；图1(a)为1"正火状态钢管的金相组织，由分布在晶界 (b)为2管坯的金相组织，均为粒状贝氏体. 上的网状铁素体和粒状贝氏体组成：图3(b)为2"正 图2(a)为1热轧钢管的金相组织，由大量白色 火状态钢管的金相组织，均为粒状贝氏体.3·和4” 等轴状铁素体和少量灰色粒状贝氏体团组成；图2 管坯，热轧态钢管和正火态钢管组织与2”钢类似， (b)为2"钢管的金相组织，均为粒状贝氏体.图3 均为粒状贝氏体组织 (a)'可5 100um 100m 图2热轧钢管金相组织.(a)1“:(b)2* Fig.2 Metallurgical microstructures of hot-rolled steel tubes:(a)1*;(b)2* 1001m 100um 图3正火状态钢管金相组织.()1：(b)2 Fig.3 Metallurgical microstructures of normalized steel tubes:(a)1;(b)2 2.3扫描电镜观察和能谱分析 到的却是铁素体和粒状贝氏体的混合组织.可见， 在连铸管坯上取横向冲击试样，对冲断后的断 影响HCM2S钢组织的是氮元素的含量 口进行扫描电镜观察.在1管坯断口中发现了大量 GB5310一2008规定12Cr2MoG(ASME牌号为 如图4(a)中箭头所示的夹杂物，经能谱分析确定为 T22)和07Cr2Mo1W2VTiB(ASME牌号为T23,即 BN.图4(b)为BN夹杂物的能谱分析(EDS),由 HCM2S钢)两个牌号小口径钢管交货状态的金相组 硼、氮、铬和铁4条谱线组成，不含其他元素.对其 织分别为粒状贝氏体+铁素体和粒状贝氏体.T23 余3炉钢进行观察没有找到BN夹杂物. 较T22减少了C、Mo等增加淬透性的元素，添加了 V、Nb、W和B,V、Nb和W对淬透性作用不大，但 3讨论 是却能够得到全贝氏体组织.可见，HCM2S能够得 3.1氮和氧含量对金相组织的影响 到全贝氏体组织与加入的痕量B有密切的关系. 将4炉HCM2S钢的氮、氧含量和对应金相组织 硼在钢中最突出的作用是微量硼就可以成倍地 综合分析发现：氮的质量分数控制在71×106及以 增加淬透性@.对于耐热钢，适量的硼还能够强化 下时，氧含量在很宽的范围内(14×10-6~49× 晶界，从而提高蠕变强度.硼可以吸附在晶界上，降 10~6)变化都可以得到粒状贝氏体组织；氮的质量分 低晶界的能量，因而抑制铁素体晶核的形成，降低了 数为113×10-6时，即使氧含量较低(25×10-6)，得 先共析铁素体和上贝氏体的形成概率，提高过冷奥
增刊 1 田 研等: 氮和氧含量对 HCM2S 钢组织和性能的影响 伸的铁素体组织，铁素体条间为粒状贝氏体; 图 1 ( b) 为 2# 管坯的金相组织，均为粒状贝氏体． 图 2( a) 为 1# 热轧钢管的金相组织，由大量白色 等轴状铁素体和少量灰色粒状贝氏体团组成; 图 2 ( b) 为 2# 钢管的金相组织，均为粒状贝氏体． 图 3 ( a) 为 1# 正火状态钢管的金相组织，由分布在晶界 上的网状铁素体和粒状贝氏体组成; 图 3( b) 为 2# 正 火状态钢管的金相组织，均为粒状贝氏体． 3# 和 4# 管坯，热轧态钢管和正火态钢管组织与 2# 钢类似， 均为粒状贝氏体组织． 图 2 热轧钢管金相组织 . ( a) 1# ; ( b) 2# Fig． 2 Metallurgical microstructures of hot-rolled steel tubes: ( a) 1# ; ( b) 2# 图 3 正火状态钢管金相组织 . ( a) 1# ; ( b) 2# Fig． 3 Metallurgical microstructures of normalized steel tubes: ( a) 1# ; ( b) 2# 2. 3 扫描电镜观察和能谱分析 在连铸管坯上取横向冲击试样，对冲断后的断 口进行扫描电镜观察． 在 1# 管坯断口中发现了大量 如图 4( a) 中箭头所示的夹杂物，经能谱分析确定为 BN． 图 4( b) 为 BN 夹杂物的能谱分析( EDS) ，由 硼、氮、铬和铁 4 条谱线组成，不含其他元素． 对其 余 3 炉钢进行观察没有找到 BN 夹杂物． 3 讨论 3. 1 氮和氧含量对金相组织的影响 将 4 炉 HCM2S 钢的氮、氧含量和对应金相组织 综合分析发现: 氮的质量分数控制在 71 × 10 － 6 及以 下时，氧含量在很宽的范围内( 14 × 10 － 6 ～ 49 × 10 － 6 ) 变化都可以得到粒状贝氏体组织; 氮的质量分 数为 113 × 10 － 6 时，即使氧含量较低( 25 × 10 － 6 ) ，得 到的却是铁素体和粒状贝氏体的混合组织． 可见， 影响 HCM2S 钢组织的是氮元素的含量． GB 5310—2008 规定 12Cr2MoG ( ASME 牌号为 T22) 和 07Cr2Mo1W2VTiB ( ASME 牌号为 T23，即 HCM2S 钢) 两个牌号小口径钢管交货状态的金相组 织分别为粒状贝氏体 + 铁素体和粒状贝氏体． T23 较 T22 减少了 C、Mo 等增加淬透性的元素，添加了 V、Nb、W 和 B，V、Nb 和 W 对淬透性作用不大，但 是却能够得到全贝氏体组织． 可见，HCM2S 能够得 到全贝氏体组织与加入的痕量 B 有密切的关系． 硼在钢中最突出的作用是微量硼就可以成倍地 增加淬透性［10］． 对于耐热钢，适量的硼还能够强化 晶界，从而提高蠕变强度． 硼可以吸附在晶界上，降 低晶界的能量，因而抑制铁素体晶核的形成，降低了 先共析铁素体和上贝氏体的形成概率，提高过冷奥 ·23·
·24· 北京科技大学学报 第34卷 a 1500Fb) 1200 () 900 600 300 0 0 4 6 10 25kV,X3,0005pm 10 52 SEI 能量keV 图41管坯中BN夹杂物的微观形貌(a)和能谱分析(b) Fig.4 Microstructure of BN in 1*billet (a)and EDS analysis (b) 氏体的稳定性).然而，硼在钢中是极活泼的元 4结论 素，能与残留的氮、氧和碳化合形成稳定的化合物而 丧失其有益作用.只有以固溶形式存在于钢中的硼 (1)氮含量变化会影响HCM2S钢组织和性能. 才能起到有益的作用.因此，凡是能够影响硼在钢 当HCM2S钢中氮含量大于71×10-6时会和硼元素 中存在状态的因素都将影响硼钢的淬透性.这些因 反应生成BN夹杂物，从而使钢中“有效硼”量减少， 素包括钢中硼、氮、氧和碳的含量、治炼工艺制度、钛 降低钢的淬透性，最终影响组织和性能. 和铝等保护剂的加入量、淬火温度、以及其他合金元 (2)当氮质量分数较低时（不高于71×10-6）， 素等因素的影响2-W 氧含量在14×10-6~49×10-6范围内变化不会对 文中1"氮含量高，在炼钢过程中氮与硼元素反 HCM2S钢组织和性能造成影响. 应生成BN夹杂物，从而使钢中“有效硼”含量降低， (3)通过在钢中加入少量T元素可以和氮发生 导致正火热处理得到粒状贝氏体+铁素体双相混合 反应，将氮以化合物的形式固定，保护钢中的“有效 组织.4"氮含量虽然高，但是通过加入少量T元素 硼”，进而获得全贝氏体组织和优异的力学性能 与氮反应生成了TN,保护了对钢淬透性有益的硼 元素，也可以得到全粒状贝氏体组织 参考文献 3.2氮和氧含量对力学性能的影响 [Yang H C,Tu Y.Characteristics and application introduction of 众所周知，影响屈服强度的内在因素有结合键、 foreign high temperature and high pressure steel tube materials for 组织、结构和原子本性.文中使用的试验材料均为 super or ultra-super critical boiler.Dongfang Boiler,2004(1): 14 HCM2S钢，而结果却是1"得到的是铁素体+粒状贝 (杨华春，屠勇.国外超（超）临界锅炉用高温高压钢管材料特 氏体的两相组织，其余炉次得到的都是全粒状贝氏 性及应用介绍.东方锅炉，2004(1)：14) 体组织.粒状贝氏体为铁素体基体上分布着大量颗 2] Dai L,Tu Y.Report on new material HCM2S developed by Sumit- 粒状马氏体+奥氏体小岛，这些小岛能够阻碍位错 omo.Dongfang Boiler,2001(2):19 的开动，起到弥散强化的作用，因此粒状贝氏体具有 (戴黎，屠勇.住友新材料HC2S钢评价.东方锅炉.2001 (2):19) 比铁素体更高的屈服强度0.文中1"晶界上分布 B]Pan Q G.Prospective forecast of HCM2S steel used in boiler of our 着网状的铁素体“软相”，而晶内是屈服强度高的粒 country.Electr Weld Mach,2004,34(5)6 状贝氏体“硬相”.当材料受力时，位于晶界上的 (潘乾刚.HCM2S钢材在我国锅炉上的运用前景分析.电焊 “软相”内的位错首先开动，导致材料提前出现屈服 机，2004,34(5)：6） 现象.其余炉次得到的是全粒状贝氏体组织，只有 [4]Arndt J,Haarmann K,Kottmann G,et al.The T23&24 Book: 当外力大到足以使位错克服诸多马氏体+奥氏体小 New Grades for Waterwalls and Superheaters.Boulogne:Vallourec Mannesmann Tubes,1998 岛构成的阻碍时才能开动.可见，HCM2S钢中氮含 [5]Bendick W,Gabrel J,Hahn B,et al.New low alloy heat resistant 量高导致无法得到全贝氏体组织，从而使材料的屈 ferritic steels T/P23 and T/P24 for power plant application.IntJ 服强度无法满足标准要求 Pressure Vessels Piping,2007,84:13
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 4 1# 管坯中 BN 夹杂物的微观形貌( a) 和能谱分析( b) Fig． 4 Microstructure of BN in 1# billet ( a) and EDS analysis ( b) 氏体的稳定性［11］． 然而，硼在钢中是极活泼的元 素，能与残留的氮、氧和碳化合形成稳定的化合物而 丧失其有益作用． 只有以固溶形式存在于钢中的硼 才能起到有益的作用． 因此，凡是能够影响硼在钢 中存在状态的因素都将影响硼钢的淬透性． 这些因 素包括钢中硼、氮、氧和碳的含量、冶炼工艺制度、钛 和铝等保护剂的加入量、淬火温度、以及其他合金元 素等因素的影响［12--14］． 文中 1# 氮含量高，在炼钢过程中氮与硼元素反 应生成 BN 夹杂物，从而使钢中“有效硼”含量降低， 导致正火热处理得到粒状贝氏体 + 铁素体双相混合 组织． 4# 氮含量虽然高，但是通过加入少量 Ti 元素 与氮反应生成了 TiN，保护了对钢淬透性有益的硼 元素，也可以得到全粒状贝氏体组织． 3. 2 氮和氧含量对力学性能的影响 众所周知，影响屈服强度的内在因素有结合键、 组织、结构和原子本性． 文中使用的试验材料均为 HCM2S 钢，而结果却是 1# 得到的是铁素体 + 粒状贝 氏体的两相组织，其余炉次得到的都是全粒状贝氏 体组织． 粒状贝氏体为铁素体基体上分布着大量颗 粒状马氏体 + 奥氏体小岛，这些小岛能够阻碍位错 的开动，起到弥散强化的作用，因此粒状贝氏体具有 比铁素体更高的屈服强度［10］． 文中 1# 晶界上分布 着网状的铁素体“软相”，而晶内是屈服强度高的粒 状贝氏体“硬相”． 当材料受力时，位于晶界上的 “软相”内的位错首先开动，导致材料提前出现屈服 现象． 其余炉次得到的是全粒状贝氏体组织，只有 当外力大到足以使位错克服诸多马氏体 + 奥氏体小 岛构成的阻碍时才能开动． 可见，HCM2S 钢中氮含 量高导致无法得到全贝氏体组织，从而使材料的屈 服强度无法满足标准要求． 4 结论 ( 1) 氮含量变化会影响 HCM2S 钢组织和性能． 当 HCM2S 钢中氮含量大于 71 × 10 － 6 时会和硼元素 反应生成 BN 夹杂物，从而使钢中“有效硼”量减少， 降低钢的淬透性，最终影响组织和性能． ( 2) 当氮质量分数较低时( 不高于 71 × 10 － 6 ) ， 氧含量在 14 × 10 － 6 ～ 49 × 10 － 6 范围内变化不会对 HCM2S 钢组织和性能造成影响． ( 3) 通过在钢中加入少量 Ti 元素可以和氮发生 反应，将氮以化合物的形式固定，保护钢中的“有效 硼”，进而获得全贝氏体组织和优异的力学性能． 参 考 文 献 ［1］ Yang H C，Tu Y． Characteristics and application introduction of foreign high temperature and high pressure steel tube materials for super or ultra-super critical boiler． Dongfang Boiler，2004 ( 1) : 14 ( 杨华春，屠勇． 国外超( 超) 临界锅炉用高温高压钢管材料特 性及应用介绍． 东方锅炉，2004( 1) : 14) ［2］ Dai L，Tu Y． Report on new material HCM2S developed by Sumitomo． Dongfang Boiler，2001( 2) : 19 ( 戴黎，屠勇． 住友新材料 HCM2S 钢评价． 东方锅炉． 2001 ( 2) : 19) ［3］ Pan Q G． Prospective forecast of HCM2S steel used in boiler of our country． Electr Weld Mach，2004，34( 5) : 6 ( 潘乾刚． HCM2S 钢材在我国锅炉上的运用前景分析． 电焊 机，2004，34( 5) : 6) ［4］ Arndt J，Haarmann K，Kottmann G，et al． The T23＆24 Book: New Grades for Waterwalls and Superheaters． Boulogne: Vallourec ＆ Mannesmann Tubes，1998 ［5］ Bendick W，Gabrel J，Hahn B，et al． New low alloy heat resistant ferritic steels T /P23 and T /P24 for power plant application． Int J Pressure Vessels Piping，2007，84: 13 ·24·
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