2023年12月18日发(作者：)

第３２卷第４期　特殊钢　Ｖｏ１．３２．Ｎｏ．４　２０１１年８月　ＳＰＥＣＩＡＬ　ＳＴＥＥＬ　Ａｕｇｕｓｔ　２０１１·５７·　Ｓｉ含量对超超临界汽轮机转子钢３０Ｃｒ２Ｎｉ４Ｍ０Ｖ组织和性能的影响　范倚　范新有　李士琦　韩建军　刘　超　（１北京科技大学冶金与生态工程学院，北京１０００８３；２新兴铸管有限公司，武安０５６３００）　摘要３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢（％：０．１５～０．１６Ｃ、０．０３—０．４５Ｓｉ、０．１２～０．１４Ｍｎ、０．００５Ｐ、０．００５—０．００６Ｓ、１．６２～　１．７２Ｃｒ、３．６０～３．６３Ｎｉ、０．５２～０．５３Ｍｏ、０．０７Ｖ、≤０．００５Ａ１）由１０　真空感应炉冶炼，锻后经９３０℃空冷＋９００℃空　冷＋６４０　ｏＣ空冷处理，再经８５０　ｏＣ水淬＋６００℃回火调质处理。试验结果表明，当钢中的ｓｉ含量由０．０３％增加至　０．４５％时，钢中马氏体量增加，晶粒更为粗大；钢的抗拉和屈服强度分别从９２２—９３６　ＭＰａ和８６８～８７３　ＭＰａ增至　１　０１５～１　０２８　ＭＰａ和９５０—９５９　ＭＰａ，但平均冲击功由２０５　Ｊ降至１５４　Ｊ。　关键词超超临界汽轮机转子钢３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ　Ｓｉ含量组织力学性能　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｓｉ　Ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｎ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｕｌｔｒａ　Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｓｔｅａｍ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｒｏｔｏｒ　Ｓｔｅｅｌ　３０　Ｃｒ２　Ｎｉ４　ＭｏＶ　Ｆａｎ　Ｙｉ　，Ｆａｎ　Ｘｉｎｙｏｕ　，Ｌｉ　Ｓｈｉｑｉ　，Ｈａｎ　Ｊｉａｎｊｕｎ　ａｎｄ　Ｌｉｕ　Ｃｈａｏ　（１　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３；　２　Ｘｉｎｘｉｎｇ　Ｄｕｃｔｉｌｅ　Ｉｒｏｎ　Ｐｉｐｅ　Ｃｏ　Ｌｔｄ，Ｗｕ’ａｎ　０５６３００）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｓｔｅｅｌ　３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ（％：０．１５～０．１６Ｃ．０．０３～０．４５Ｓｉ．０．１２—０．１４Ｍｎ．０．００５Ｐ，０．００５～０．００６Ｓ．　１．６２—１．７２Ｃｒ，３．６０～３．６３Ｎｉ，０．５２—０．５３Ｍｏ．０．０７Ｖ，≤０．００５Ａ１）ｉＳ　ｍｅｌｔｅｄ　ｂｙ　ａ　１０　ｋｇ　ｖａｃｕｕｍ　ｉｎｄｕｅｔｉｏｎ　ｆｕｒｎａｃｅ．　ｆｏｒｇｅｄ　ｂａｒ　ｔｒｅａｄｅｄ　ａｔ　９３０℃ａｉｒ　ｃｏｏｌｉｎｇ＋９００　ｏＣ　ａｉｒ　ｃｏｏｌｉｎｇ＋６４０℃ａｉｒ　ｃｏｏｌｉｎｇ．ｔｈｅｎ　ｗａｔｅｒ　ｑｕｅｎｃｈｅｄ　ａｔ　８５０℃ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒｅｄ　ａｔ　６００　ｏＣ．Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ａｓ　ｔｈｅ　Ｓｉ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｎ　ｓｔｅｅ¨ｎｃｒｅａｓｅｓ　ｆｒｏｍ　０．０３％ｔｏ　０．４５％．ｔｈｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ　ｉｎ　ｓｔｅｅｌ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｇｒａｉｎｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｍｏｒｅ　ｃｏａｒｓｅ：ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ａｎｄ　ｙｉｅｌｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｒｅ—　ｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｆｒｏｍ　９２２～９３６　ＭＰａ　ａｎｄ　８６８—８７３　ＭＰａ　ｔｏ　１　０１５～ｌ　０２８　ＭＰａ　ａｎｄ　９５０—９５９　ＭＰａ．ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｅｎ．　ｅｒｇｙ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｆｒｏｍ　２０５　Ｊ　ｔｏ　１５４　Ｊ．　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｉｎｄｅｘ　Ｕｌｔｒａ　Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｓｔｅａｍ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｒｏｔｏｒ　Ｓｔｅｅｌ　３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ．Ｓｉ　Ｃｏｎｔｅｎｔ，Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ。Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　美国、日本、欧洲等世界先进工业国家早在２０　影响。　世纪五六十年代就开始了超临界汽轮机组的研制，　１试验方案　现在仍在致力于提高超超临界汽轮机组的热效率，　３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ作为大型超超临界汽轮机组广泛采用　试验材料制备工艺流程为１０　ｋｇ真空感应炉一锻　的低压转子用钢，具有良好的淬透性，优良的机械性　造一热处理。两炉３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢的Ｓｉ含量，第１　能，如高的屈服强度，高的抗拉强度，高的硬度。　炉钢锭为０．０３％，第２炉钢锭为０．４５％，试验钢的　２０世纪８０年代，我国从美国引进了一批发电　化学成分如表１所示。　设备的用材，其中就包括低压转子用钢　３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ，此后我国开始研制这些高效发电机　表１试验钢３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ的化学成分／％　Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｓｔｅｅｌ　３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ　组用钢，并取得了一系列成果。对于汽轮机转子钢　％　３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ，从１９９３年至今，我国相继出台的ＪＢ／　１２６５—１９９３和ＪＢ／Ｔ１１０２０—２０１０，在其他化学成分基　本没有变动的情况下，ｓｉ的含量要求却有了很大的　变化，ＪＢ／１２６５—１９９３要求ｓｉ的含量为０．１７％～　０．３７％，而ＪＢ／Ｔ１１０２０—２０１０要求ｓｉ含量在０．０７％　以下。合金钢中ｓｉ的含量会影响屈服强度和拉伸　锻造的钢锭坯料横截面积Ｆ为３８．５　ｃｍ　，钢锭　强度，进而影响其力学性能　Ｊ。在此基础上，本文　质量约为５　ｋｇ，可确定拔长锻锤吨位为１００　ｋｇ　，本　针对低压转子用钢３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ，研究了Ｓｉ含量对　试验先选用４００　ｋｇ空气锤锻造合金锭，然后再用　汽轮机转子钢３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ的组织和力学性能的　１００　ｋｇ空气锤锻造。始锻温度１　１８０℃［２１，终锻温　

·５８·　特殊钢　第３２卷　度８５０　ｌ２ｊ，然后沙冷。冶炼得到的钢锭最大直径　为　７０　ｍｍ，断后形状为直径３５　ｍｍ的棒条，锻造比　约为４。　件的直径／３５　ｍｍ；确定保温时间约为９０　ｒａｉｎ。根据　３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢的热处理工艺相关要求　Ｊ，制定其　热处理工艺如图１所示。　锻件使用马弗炉加热。据热处理手册可知　，　保温时间￡：ＡＫＤ，其中：Ａ一加热系数，１．３—１．６　ｍｉｎ／ｍｍ；Ｋ．装炉条件修正系数，取１．０～１．５；Ｄ一锻　每炉热处理后的合金经机加工成３组性能试　样，试样先在砂纸上研磨，然后抛光，最后在４％的　ＨＮＯ　酒精溶液中浸蚀，在光学显微镜下观察ｓｉ对　图１　３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢的热处理工艺：（ａ）锻后热处理；（ｂ）调质处理　Ｆｉｇ．１　Ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｆｏｒ　ｓｔｅｅｌ　３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ：（ａ）ａｆｔｅｒ　ｆｏｒｇｉｎｇ；（ｂ）ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ　各合金组织的影响。　试样在万能材料试验机上按ＧＢ／Ｔ２２８－２００２测　发生了多形性转变，碳化物也要发生溶解或转化，Ｃ　与合金元素发生再分布，奥氏体晶粒的大小也发生　相应的变化。ｓｉ在奥氏体向贝氏体转变的过程中，　试室温抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率，采　用标准比例拉伸试验。室温冲击试验按ＧＢ／Ｔ２２９—　１９９４在摆锤式冲击试验机上测试。　２结果与讨论　２．１金相组织　减慢ｃ的扩散，从而强烈地阻止贝氏体转变时碳化　物的形成，促使未转变部分奥氏体富集碳，从而推迟　贝氏体的形成，因此，如图２所示，当ｓｉ含量从　０．０３％增加到０．４５％时，下贝氏体组织显著减少。　同时，ｓｉ属于缩小奥氏体相区的元素，也是增大过　冷奥氏体稳定性的元素，使钢的淬火临界冷却速度　减小，使组织更容易得到马氏体，所以，ｓｉ含量从　０．０３％增加Ｎｏ．４５％时，金相组织中马氏体显著增　试样的金相组织见图２，合金的晶粒都比较均　匀，显微组织都为马氏体和下贝氏体。在热处理阶　段，３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢被加热到９３０、９００、８５０℃，经历　了３次奥氏体化的过程，在奥氏体化过程中，铁素体　图２锻后处理和调质处理后３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢的组织形貌：（ａ）０．０３％Ｓｉ试样２；（ｂ）０．４５％Ｓｉ试样５　Ｆｉｇ．２　Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ　ｗｉｔｈ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｆｔｅｒ　ｆｏｒｇｅｄ　ａｎｄ　ｑｕｅｎｃｈｅｄ＋ｔｅｍｐｅｒｅｄ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ：（ａ）０．０３％　Ｓｉ，ｓａｍｐｌｅ　Ｎｏ２；（ｂ）０．４５％Ｓｉ，ｓａｍｐｌｅ　Ｎｏ５　

第４期　范倚等：Ｓｉ含量对超超临界汽轮机转子钢３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ组织和性能的影响　·５９·　多。此外，加入Ｓｉ＜０．２％时，可细化奥氏体晶粒，但　当Ｓｉ＞１０．２％时，晶粒粗化　Ｊ。图２中可以看出，第　１炉ｓｉ含量为０．０３％的合金试样的晶粒明显比第２　炉ｓｉ含量为０．４５％的合金晶粒略微细小。　２．２拉伸性能　≤３０，在同一母线上的ＨＢ硬度差≤４０。两炉钢样　在硬度上均满足标准要求，而且两炉合金各钢样的　硬度值比较接近，没有明显差异。可见，ｓｉ含量的　不同对试样的硬度没有明显的影响。　２．４冲击功　标准ＪＢ／Ｔ１　１０２０．２０１０要求３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢的　冲击功Ａ　≥８１　Ｊ。由表２可见，２炉钢样的冲击功　平均值均能满足标准要求。但是，随着Ｓｉ含量从　ｓｉ属于非碳化物形成元素，能溶于铁素体和奥　氏体中，有固溶强化的能力，其作用仅次于Ｐ，较　Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ和Ｖ等元素强，能提高钢的弹性　极限、屈服强度，从而提高钢的强度。同时，从合金　的金相图２可以看出，第２炉钢中的马氏体组织明　显比较多，马氏体中的位错和应力场产生的强化，以　及其亚结构强化和自回火现象产生的时效强化都会　提高钢的强度，但是，第１炉的晶粒比第２炉略微细　小些，细小的晶粒可提高试样的屈服强度。此外，ｓｉ　还会形成Ｎｉ　Ｓｉ￥Ｈ产生沉淀强化作用。试样的拉伸　性能如表２所示，当ｓｉ含量从０．０３％增加到　０．４５％，两炉试样平均抗拉强度和屈服强度从９３０　ＭＰａ和８７０　ＭＰａ都提高了近１００　ＭＰａ，同时，断面收　缩率和断面伸长率也都有明显的提高。　２．３硬度　径向和轴向的布氏硬度测试结果见表３。根据　国家标准规定，在同一圆周上各点间的ＨＢ硬度差　表２　Ｓｉ含量对３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢力学性能的影响　Ｔａｂｌｅ　２　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｓｉ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ　表３　Ｓｉ含量对３Ｏｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢ＨＢ硬度值的影响　Ｔａｂｌｅ　３　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｓｉ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｎ　ＨＢ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ　０．０３％增加到０．４５％，试样断裂的平均冲击功从　２０５　Ｊ降低为１５４　Ｊ，降低了５１　Ｊ；可见，ｓｉ含量的提　高使钢样的韧性降低，这主要是由于．ｓｉ含量低的试　样晶粒更为细小。研究表明…，晶粒细小时，晶内　的空位数目和位错数目都较少，塞积位错数目减小，　应力场的强度降低，推迟了裂纹萌生，增大了断裂应　变。同时，晶粒细，裂纹穿过晶界进入相邻晶粒并改　变方向的频率增加，消耗的能量增加，冲击功也就比　较高。　３结论　（１）当Ｓｉ含量从０．Ｏ３％增加到０．４５％，　３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢的金相组织中马氏体增多，下贝氏　体减少，同时晶粒也变得更为粗大。　（２）增加钢中ｓｉ含量，能显著提高钢的抗拉强度　和屈服强度，同时，断面收缩率和伸长率也有提高。　（３）ｓｉ含量在０．０３％～０．４５％变化时，并没有　明显影响３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢的硬度大小。　（４）冲击功随着ｓｉ含量的提高而降低，当ｓｉ含　量从０．０３％增加到０．４５％，试样断裂的平均冲击功　从２０５　Ｊ降低为１５４　Ｊ，降低了５１　Ｊ。　（５）Ｓｉ对３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢的综合力学性能的影　响既有利，又有弊，随ｓｉ含量的增加，既能提高钢的　屈服强度和抗拉强度等拉伸性能，又会有粗化晶粒　的作用，会降低其冲击韧性。　参考文献　１　赵振业．合金钢设计．北京：国防工业出版社，１９９９　２洪慎章，李名尧．锻造实用数据速查手册．北京：机械工业出版社，　２００７　３　中国机械工程学会热处理学会．热处理手册．典型零件热处理．第　４版．北京：机械工业出版社，２００８　４中华人民共和国国家经济贸易委员会．ＪＢ／Ｔ７０２７－２００２　３００　ＭＷ　及以上汽轮机转子体锻件技术条件．北京：机械工业出版社，２００３　５宋维锡．金属学．第２版．北京：冶金工业出版社，２００７　范　倚（１９８８一），男，博士生，钢铁冶金研究。　收稿日期：２０１１－０１－２３