2cr-1mo钢的脱碳试验及碳的晶界扩散

2cr-1mo钢的脱碳试验及碳的晶界扩散

0不同试验因素对碳化学法脱碳预测结果的影响当高速裂纹装置中的传热管采用2rc-1mo钢时，众所周知，钢中的碳溶解在冷却材料钠中，导致变形强度等降低。因此，提出了基于碳脱碳试验结果的脱碳预测方法。青木法智嘉等人为改良脱碳预测法,在钠中进行了380〜600℃、5000h的2Cr-1Mo钢的脱碳试验,发现试片的碳全部成为固溶碳的试验结果,从而求得碳的表观扩散系数(以下简称扩散系数)之对数与试验温度倒数呈直线关系。而在另外进行的500～700℃的加速试验中,两者却呈曲线关系。其主要原因可认为是试验温度在低温侧时,碳化物的变化和稳定化以及随着试验时间的变化,碳浓度降低得少;或者低温下晶界扩散在全部扩散中占主要比例。可以认为低温时扩散系数对温度的依赖性小的原因,在于碳晶界扩散的影响大。因此,探明了试验中试片的碳化物动态及碳的晶界扩散对脱碳的影响。1测试方法1.1cr-2mo钢的热处理为制作时效大小有差异的试片,利用表1所示化学成分的2Cr-1Mo钢进行表2所示的热处理,作为制作试片的材料。热处理温度以蒸气发生器中钠温度作为代表值取(500℃),进行0h、10h、1000h的热处理。另一方面,为制作结晶粒度不同的试片,利用表1所示化学成分的2Cr-1Mo钢进行表3所示的热处理,作为制作试片的材料。试片的结晶粒度按JIS(日本工业标准)标准测定,分别为7.6、7.7、7.8、8.1。试片是由这些材料中切制而成,从试片表面到中央的长度分别定为0.025cm、0.05cm、0.1cm。每次循环都使用3台加热器和1台冷却器,对钠反复进行加热和冷却。1.2温度和时间的确定为将试片浸没于钠中而使用的试验装置如图1所示。使试验装置的钠以大约41/min的流速循环,为将试片浸泡于钠中,在3台加热器的钠出口都设置试验部位,各试验部位的钠温度为450℃、500℃及550℃,试验时间为5465h。1.3碳化物的表征使用金属显微镜观察试验后试片的金属组织。为了提取试片中的碳化物,使用10%乙酰丙酮和1%氯化四甲铵的电解萃取法。用扫描电镜观察碳化物,用能谱仪测定碳化物中金属成分的浓度。使用X射线衍射仪,测定碳化物晶面间距来测定试片碳浓度,将试片在氧气流中燃烧,从生成的二氧化碳量求出碳浓度。2试验结果2.1及时处理对减少碳的影响2.1.1钠中金相组织检测试验结果试验前进行500℃,1000h时效处理,然后进一步将一试片又进行550℃,5465h的时效,另一试片进行550℃、5465h相钠中的试验,试片的金相组织显示,试验后试片的表面附近由于脱碳,珠光体相减少,但中心部位与试验前的金相组织相似,珠光体相的减少是从试片表面到内部连续减少。2.1.2时效时间对碳化物的影响试验后试片的碳化物是试验温度高、试验前时效时间长,其粒状碳化物就多,形状也大。特别是在550℃试验后试片与试验前没有增加时效试片的碳化物进行比较,发现试验前增加1000h时效的试片碳化物长大了。图2表示对于试验后的试片,其试验前时效时间和碳化物中金属成分浓度间的关系。试验温度高的,Mo浓度高,而Cr浓度低。此外,时效时间增加到1000h,而试验温度为500℃时,试片碳化物的金属成分的浓度变化不大,但在550℃时,若增加时效时间,则试片碳化物的Mo浓度即减少。另一方面,在450℃,时效时间达到10h时,Mo和Cr的浓度降低,但进一步增加时效时间,则Mo和Cr的浓度变化很小。也就是说,不论时效时间如何,在试验时间相同的情况下,时效时间在10h以上时,其Mo浓度变化小,试验中碳化物的变化也小,但在550℃时,由时效引起的Mo浓度变化大,这可认为是550℃比450℃试验中碳化物变化大的原因。表4表示试验后试片碳化物的X射线衍射测定结果。将获得的最大X射线衍射强度作为1.00,其它的X射线衍射强度以其对最大强度的相对比值来表示。试验后试片的碳化物,试验温度为450℃和550℃时,其时效时间在为1000h者比0h者,M23C6、M7C3的衍射强度小,试验温度在550℃时,不管时效时间如何都不能测出M23C6。但在试验温度为450℃时不能测出的M6C,在试验温度为500℃时效时间1000h时,能测到弱的衍射线,当试验温度在550℃时,M6C的衍射强度最大。2.1.3试验温度和时效对扩散系数的影响在板状试片中以等浓度溶解的溶质在试片内部扩散,并自表面移向外部。关于试片溶质浓度减少的情况,采用表示试片丢失的溶质量与时间之关系的J.Crank公式,此方法与青木法智嘉等以前报道的一样,从试验前后试片的碳浓度求出碳的表观扩散系数(以下简称为扩散系数)。图3表示扩散系数的对数和试验温度倒数的关系。无论试片厚度如何,试验温度在550℃时,增加时效者,扩散系数小。在500℃,试片厚度为0.1cm时,增加时效者,扩散系数小,但试片厚度为0.025cm和0.05cm时,增加时效者其扩散系数大。但是,时效对扩散系数的影响比550℃时要小。一方面,扩散系数对数和试验温度倒数之间的关系,在试片厚度为最小的0.025cm且不增加时效的情况下为直线关系,但若增加时效,则呈向上弯曲的曲线关系。但是,试片厚度为0.05cm时,即使不增加时效也呈曲线关系,相反试片厚度为0.1cm时则为向下弯曲的曲线关系。也就是说,这可认为是试验前的时效和试片厚度同时影响到扩散系数的对数与试验温度倒数的关系。2.2晶体扩散对脱碳的影响2.2.1表面周边珠光体相减少的情况试验温度为550℃的试片金相组织。与试验前比较,表面附近的珠光体相减少,且珠光体相的减少情况是自试片表面到内部连续减少的。但是,即使试验温度为550℃,珠光体相减少对晶粒度的影响也很小。2.2.2晶粒度对mo浓度的影响有关试验后试片的晶粒度对碳化物形状的影响,结晶粒度在7.7〜8.1的范围时影响不大,但晶粒度为7.6的试片可看到碳化物长大。由于晶粒度为7.6的试验前试片的碳化物和其它晶粒度试验前的碳化物同样细小,所以可以认为碳化物长大是在试验中产生的结果。图4表示试验后试片的晶粒度和试片碳化物的金属成分浓度间的关系。试验温度在450℃和550℃时,与图2所示的时效对碳化物中Mo浓度的影响相比较,晶粒度对Mo浓度的影响小。试验温度高者,Mo浓度增高,Cr浓度降低的倾向与图2的结果相同。表5表示试验后试片的碳化物种类。无论是哪一种试验温度,结晶粒度对碳化物种类的影响都很小,但试验温度在450℃时,与结晶粒度为8.1的相比,结晶粒度为7.6者的M23C6、M7C3的X射线强度较小。2.2.3扩散系数及其弯曲关系按照求试验前热处理对脱碳影响的方法,同样地从试验前后试片的碳浓度求出扩散系数。如图5所示,试验温度在550℃时,晶粒度对扩散系数的影响小,但在450℃及500℃时,晶粒度小者,其扩散系数大。扩散系数对数和试验温度倒数之间的关系,在试片厚度为0.025cm时,不管晶粒度大小都呈直线关系,但在试片厚度为0.05cm时,晶粒度小的呈向下弯曲的曲线关系,而当试片厚度为0.1cm时,不管晶粒度大小,都呈现向下弯曲的曲线关系。也就是说,扩散系数对数和温度倒数之间的关系显示出若试片厚度增大就呈向下弯曲的关系,晶粒度对扩散系数的影响小。3调查3.1试验温度和时间对材料扩散系数的影响试验温度在450℃和550℃时,试验后试片的主要碳化物是如表4所示的M23C6,M7C3,而试验温度为550℃时则是M6C。与Baker等人报道的21/4Cr-1Mo钢的碳化物变化进行比较,在试验温度为450℃和500℃时,其碳化物渗碳体及Mo2C就变化到M23C6和M7C3,在550℃时进一步变化到M6C并稳定化。关于试验温度对扩散系数对数和试验温度倒数的关系,无论哪一种试片厚度都如图3那样,时效对扩散系数的影响在550℃时大,在450℃时小。550℃时,若延长时效时间,则碳化物在长大之后,碳化物分解速度减慢的同时,因为试验温度高而使脱碳加大,从而可认为使相对不稳定的碳化物减少的长时间时效材料的扩散系数变小。另一方面,有关试片厚度对扩散系数对数和试验温度倒数的关系,如图3那样,时效时间一长,试片厚度为0.025cm时其扩散系数对数和试验温度倒数的关系就呈向上弯曲,相反,当试片厚度为0.1cm时就呈直线关系。试片厚度对扩散系数对数和试验温度倒数的关系可作如下考虑。若试验前增加时效,则相对不稳定的碳化物减少。试片厚度为很小的0.025cm时,若试验温度高,则由脱碳使试片的固溶碳浓度减少,其结果造成相对不稳定的碳化物分解。相对不稳定的碳化物一减少,则由脱碳而减少的固溶碳浓度的补给速度就减慢,因而脱碳变小,扩散系数也变小。但是,由于试验温度低,和脱碳变小,相对不稳定的碳化物就减小得少,所以扩散系数仍能保持着接近于试验初期的值。即可认为因试验温度在550℃时,其扩散系数的减少表现明显,从而呈现向上弯曲的曲线关系。另一方面,试片厚度为较大的0.1cm时,即使试验温度高,与试片厚度小的情况相比,由脱碳引起的试片深层的固溶碳浓度减小得少,所以相对不稳定的碳化物就减小得少。因此,可认为与试片厚度小的情况相比,其扩散系数保持着大的数值,扩散系数对数和试验温度倒数呈直线关系。松本等人及志田等人报道说,21/4Cr-1Mo钢经正火回火热处理后脱碳减少。在本试验中时效使试验温度为550℃时的脱碳减少,此结果与他们的试验结果相吻合。另一方面,试验温度在500℃以下时,时效使脱碳增加,推测其原因是由于在时效中,在复杂的碳化物变化中,作为副产物生成了相对更不稳定的少量碳化物的缘故。3.2晶粒度对试验温度和形貌的影响关于21/4Cr-1Mo钢奥氏体化条件,邦武等人说是920℃、20min,Kluch说是1193k(920℃)、10min,诸石等人说是920℃、10min,但都没有提及有关由奥氏体化而达到的21/4Cr-1Mo钢中的碳化物的溶解程度。与这些奥氏体化条件相比,本研究中为调整晶粒度而进行的920～980℃、30min的热处理,可认为是奥氏体化条件的适当范围。罔田说铁素体相比奥氏体相的固溶碳扩散慢。但是,与为了改良材料,而在材料表面生成的脱碳层。渗碳层的厚度那样大的长度相比,由于从碳化物到溶解的碳与Cr等的金属成分相互作用变弱的距离短,故可认为在本试验的试片调整时所进行的热处理中,碳化物几乎都溶解了。另一方面,因在1000℃以上时,Mo2C的生成自由能比M23C6或M7C3的大,因而在热处理温度高达980℃时,Mo2C的相对溶解速度较小,可以认为可能有一部分Mo2C残留在试片中。在晶粒度为7.6〜8.1的范围内,晶粒度对试验后试片的金相组织,以及对图4和表5表示的碳化物形状、金属成分和碳化物种类的影响不大。此外,在图5所示的扩散系数的对数和试验温度倒数的关系中,不论试片厚度如何晶粒度对试验温度为550℃时扩散系数的影响都较小。试验温度在450℃时,无论哪种试片厚度,其晶粒度都小,也就是说结晶颗粒大、晶界少的反而扩散系数大,从而晶界扩散对脱碳的影响小。在450℃时即使晶粒度从8.1减小到7.6,试验后碳化物的Mo和Cr的浓度变化也很小,此外如表5所示,测出了碳化物M23C6和M7C3,但未能测出更稳定的M6C,因此在450℃时晶粒度小的扩散系数大的原因,可以认为是因碳化物的变化小和稳定化不够造成的。4碳化物的扩散过程影响脱碳的因素为探明在高温钠中21/4Cr-1Mo钢的脱碳在低温侧对温度依赖性小的原因,采用试验前增加时效的试片以及不同晶粒度的试片进行试验,取得了如下的结果。1)21/4Cr-1Mo钢通过脱碳,使碳化物浓度减小的同时,由于试验中