如何改善B12N-S鋼沖擊韌性和FATT?

高中壓轉(zhuǎn)子是汽輪發(fā)電機組中的關(guān)鍵零件，其工作條件十分惡劣，長期在高溫高壓條件下工作，需要在傳遞扭矩時承受各種應(yīng)力和因自重產(chǎn)生的彎矩，此外還要承受因非正常停機時產(chǎn)生巨大的瞬時沖擊。因此要求其要具有很高的綜合機械性能，即要有高的室溫和高溫強度，良好的塑韌性以及低的脆性轉(zhuǎn)變溫度（即FATT）。

1.問題引出

B12N-S為耐熱高強鋼，它與我們常見的汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子用鋼30Cr1Mo1V的化學(xué)成分相似，調(diào)質(zhì)后具有很高的高溫強度和韌性，是制造汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子的良好材料。其化學(xué)成分如表1所示。

表1  B12N-S鋼的化學(xué)成分（%）

我公司為國內(nèi)某廠生產(chǎn)的汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子鍛件（尺寸輪廓見圖1）就是選用此材質(zhì)，其制造及驗收標準采用的是法國阿爾斯通標準。該標準與國內(nèi)同類產(chǎn)品標準和美國西屋標準相比較，除了同樣要求獲得所需的高溫性能外，還要求得到較高的沖擊韌性和較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。阿爾斯通、西屋和JB/T93標準的性能要求如表2所示。

圖1 工件初加工尺寸輪廓

表2 阿爾斯通、西屋和JB/T8707-1998標準力學(xué)性能

起初，我們按照常規(guī)熱處理工藝對B12N-S轉(zhuǎn)子鍛件進行調(diào)質(zhì)處理，工藝曲線如圖2所示。調(diào)質(zhì)后經(jīng)檢驗，該轉(zhuǎn)子的沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)變溫度大大低于該標準的要求；隨后又提高回火溫度進行補充回火，回火后檢驗發(fā)現(xiàn)，除強度下降了以外，沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)變溫度仍無明顯改善。常規(guī)調(diào)質(zhì)及補充回火機械性能如表3所示。

圖2  常規(guī)汽輪機高中壓調(diào)質(zhì)工藝曲線

表3 常規(guī)調(diào)質(zhì)和補充回火后機械性能結(jié)果

由表2、表3可以看出阿爾斯通標準對材料的韌性要求和脆性轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)達到了材料的極限。盡管隨后又重新退火細化晶粒進行正常調(diào)質(zhì)，但沖擊性能仍無法得到改善。從而使產(chǎn)品由于沖擊韌性和FATT50達不到性能要求而無法正常交貨。為此我們對一些影響B(tài)12N-S鋼沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)變溫度等因素進行了一系列的分析研究，并在此基礎(chǔ)上制定了新的生產(chǎn)工藝，取得了良好的效果，達到了阿爾斯通標準的要求。

2.分析研究

我們知道影響材料沖擊韌性的因素很多，化學(xué)成分中雜質(zhì)元素的多少也是其中之一。為了便于研究，我們從工件水、冒口兩端各套取一塊試料作化學(xué)成分分析，結(jié)果如表4所示。

表4  B12N-S鋼轉(zhuǎn)子鍛件化學(xué)成分（%）

從表2中我們可以發(fā)現(xiàn)該標準對有害元素P和S的控制范圍較寬，這使得工件中的P含量較高（見表4）。由于P對材料有脆化效應(yīng)，從而造成了沖擊韌性的降低。經(jīng)采用電子顯微鏡觀察，證實了晶界處存在析出物，致使晶界弱化而導(dǎo)致沖擊韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。在Cr-Mo-V鋼種中有一些表面活性元素如S、P、As、Sn、Sb等有向界面偏聚的傾向；在一定條件下，鋼中含量僅為幾十個ppm的一些有害元素在晶界出偏聚后，偏聚處的含量比其平均成分可增加數(shù)萬倍乃至幾十萬倍。因而極大的改變了界面的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，從而使晶界性能大為改變。

從圖3中我們可以看出在有害元素中P對沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)溫度的影響是最大的。所以如何解決P在晶界處析出而產(chǎn)生的脆性問題就至關(guān)重要。通過我公司技術(shù)人員大量的實驗研究，發(fā)現(xiàn)適當?shù)亟档痛慊饻囟饶茉诓粨p失持久強度的情況下，有效遏制P對材料的脆化效應(yīng)。因為降低淬火溫度在一定程度上能細化晶粒，增加晶界面積，減小P的偏析濃度，這樣就降低了P對晶界的弱化能力，從而使材料的沖擊韌性和FATT得到改善。

圖3 合金元素對鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響

雖然通過降低淬火溫度在一定程度上遏制了P對材料的脆化效應(yīng)，但還不足以充分發(fā)掘出B12N-S鋼的韌性潛力，為此我們還進行了下面的研究。眾所周知，淬火時提高冷卻速度可降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，從而改善斷裂韌性。隨著真空技術(shù)的普遍應(yīng)用，冶金質(zhì)量不斷提高，一些高中壓轉(zhuǎn)子已開始采用水淬油冷的方式淬火。

有資料表明，原蘇聯(lián)烏拉爾重機廠很早就對25Cr1Mo1VA鋼的高中壓轉(zhuǎn)子的淬火冷卻方式改為水—空反復(fù)間歇冷卻，使轉(zhuǎn)子表面達到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，而后油冷至200℃以下。與正火油冷的高中壓轉(zhuǎn)子相比，表面區(qū)的強度和塑性并無區(qū)別，但表面沖擊韌性要好很多，這為我們的研究和工藝改進指出了一個方向。淬火時貝氏體的形成溫度越低，貝氏體的晶粒越小，所以強度和沖擊韌性也就越好。

據(jù)此，我們利用水在高溫區(qū)有較強的冷卻能力，使轉(zhuǎn)子鍛件表面迅速達到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度；而油在低溫區(qū)有緩和的冷卻速度，達到了接近理想冷卻介質(zhì)的冷卻特性，使得鋼在較理想的狀態(tài)下等溫淬火；從而使奧氏體組織能迅速充分地轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為細小的貝氏體組織，一方面降低了P對晶界的弱化能力，同時還減少了鐵素體和珠光體的析出，從而提高了鋼的強度和韌性。經(jīng)高溫回火后，鋼的沖擊韌性得到了顯著提高，脆性轉(zhuǎn)變溫度也得到了改善。

3.工藝改進

根據(jù)以上的分析研究，我們對B12N-S鋼高中壓轉(zhuǎn)子鍛件的調(diào)質(zhì)工藝進行了改進，改進后工藝曲線如圖4所示。

圖4  改進后B12N-S鋼高中壓轉(zhuǎn)子調(diào)質(zhì)工藝曲線

工藝改進后，經(jīng)檢驗性能結(jié)果均達到了阿爾斯通標準的技術(shù)要求，尤其是沖擊韌性和FATT得到了顯著的改善。改進后工藝的性能結(jié)果如表5所示。隨后我們將改進后的熱處理調(diào)質(zhì)工藝運用到生產(chǎn)中，生產(chǎn)了多件按阿爾斯通標準驗收的汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子鍛件，性能結(jié)果均能滿足標準要求，獲得了成功。

表5 改進工藝后工件性能結(jié)果

通過對B12N-S鋼的研究，我們充分發(fā)掘了材質(zhì)的潛力，并在提高B12N-S鋼高中壓轉(zhuǎn)子的沖擊韌性和降低脆性轉(zhuǎn)變溫度方面積累了一些經(jīng)驗，對今后的生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)作用。

4.結(jié)語

（1）在不犧牲高溫性能的情況下，適當降低淬火溫度能有效遏制P對材料的脆化效應(yīng)，從而改善材質(zhì)的沖擊韌性。

（2）淬火時將油冷改為水淬油冷，提高了冷卻能力，促進了貝氏體組織快速充分地轉(zhuǎn)變，能有效提高B12N-S鋼的沖擊韌性和降低鋼的FATT。

（3）細化晶粒也可使B12N-S鋼的沖擊韌性有所提高。

作者：陳洪、穆傳友；單位：中國一重軋電事業(yè)部；來源：《金屬加工（熱加工）》雜志