高中壓轉(zhuǎn)子是汽輪發(fā)電機(jī)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(shí)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(jī)時(shí)產(chǎn)生巨大的瞬時(shí)沖擊。因此要求其要具有很高的綜合機(jī)械性能，即要有高的室溫和高溫強(qiáng)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(qiáng)鋼，它與我們常見的汽輪機(jī)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(qiáng)度和韌性，是制造汽輪機(jī)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（%）
C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | V | Al |
0.23 ~0..33 | ≤ 0.35 | 0.35~ 0.85 | ≤ 0.020 | ≤ 0.020 | 1.00 ~1.50 | 0.40 ~0.80 | 1.00 ~1.30 | 0.25 ~.0.35 | ≤ 0.015 |
我公司為國內(nèi)某廠生產(chǎn)的汽輪機(jī)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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)采用的是法國阿爾斯通標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)同類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和美國西屋標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能
取樣位置 | σ0.2 /Mpa | σb /Mpa | δ5 （%） | ψ （%） | akv /J | FATT50 /℃ | |
阿爾斯通 | 縱切向 | ≥590 | 735~900 | ≥14 | ≥45 | ≥25 | ≤80 |
中心 | ≥560 | ≥700 | 參考 | 參考 | ≥25 | ≤100 | |
西屋JB/T8707-1998 | 縱徑向 | 590~690 | ≥720 | ≥15 | ≥40 | ≥8 | ≤116 |
中心 | ≥550 | ≥690 | ≥15 | ≥40 | ≥7 | ≤121 |
起初，我們按照常規(guī)熱處理工藝對B12N-S轉(zhuǎn)子鍛件進(jìn)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(yàn)，該轉(zhuǎn)子的沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)變溫度大大低于該標(biāo)準(zhǔn)的要求；隨后又提高回火溫度進(jìn)行補(bǔ)充回火，回火后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除強(qiáng)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(bǔ)充回火機(jī)械性能如表3所示。
圖2 常規(guī)汽輪機(jī)高中壓調(diào)質(zhì)工藝曲線
表3 常規(guī)調(diào)質(zhì)和補(bǔ)充回火后機(jī)械性能結(jié)果
取樣位置 | σ0.2 /Mpa | σb /Mpa | δ5 （%） | ψ （%） | akv /J | FATT50 /℃ | |
常規(guī)調(diào)質(zhì) | A D E B | 645 665 655 655 | 780 805 790 785 | 19.0 18.5 19.0 20.5 | 62.5 61.0 59.5 65.5 | 20 23 16 15 16 9 12 21 20 14 19 12 | 93.6 |
補(bǔ)充回火 | A D E B | 600 625 635 630 | 755 780 780 765 | 19.5 18.5 19.5 19.0 | 64.0 57.5 58.0 62.5 | 25 17 17 18 15 21 20 17 18 17 20 20 | 87.1 |
由表2、表3可以看出阿爾斯通標(biāo)準(zhǔn)對材料的韌性要求和脆性轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)達(dá)到了材料的極限。盡管隨后又重新退火細(xì)化晶粒進(jìn)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(dá)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(jìn)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(dá)到了阿爾斯通標(biāo)準(zhǔn)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（%）
C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | V | Al | |
水口 | 0.27 | 0.22 | 0.63 | 0.006 | 0.002 | 1.24 | 0.55 | 1.11 | 0.26 | 0.002 |
冒口 | 0.28 | 0.23 | 0.62 | 0.007 | 0.003 | 1.24 | 0.55 | 1.10 | 0.26 | 0.004 |
從表2中我們可以發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)亟档痛慊饻囟饶茉诓粨p失持久強(qiáng)度的情況下，有效遏制P對材料的脆化效應(yīng)。因?yàn)榻档痛慊饻囟仍谝欢ǔ潭壬夏芗?xì)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(jìn)行了下面的研究。眾所周知，淬火時(shí)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(jī)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(dá)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(qiáng)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(jìn)指出了一個(gè)方向。淬火時(shí)貝氏體的形成溫度越低，貝氏體的晶粒越小，所以強(qiáng)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(qiáng)的冷卻能力，使轉(zhuǎn)子鍛件表面迅速達(dá)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(dá)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(xì)小的貝氏體組織，一方面降低了P對晶界的弱化能力，同時(shí)還減少了鐵素體和珠光體的析出，從而提高了鋼的強(qiáng)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(jìn)
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(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后工藝曲線如圖4所示。
圖4 改進(jìn)后B12N-S鋼高中壓轉(zhuǎn)子調(diào)質(zhì)工藝曲線
工藝改進(jìn)后，經(jīng)檢驗(yàn)性能結(jié)果均達(dá)到了阿爾斯通標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)后工藝的性能結(jié)果如表5所示。隨后我們將改進(jìn)后的熱處理調(diào)質(zhì)工藝運(yùn)用到生產(chǎn)中，生產(chǎn)了多件按阿爾斯通標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收的汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子鍛件，性能結(jié)果均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，獲得了成功。
表5 改進(jìn)工藝后工件性能結(jié)果
取樣位置 | σ0.2 /Mpa | σb /Mpa | δ5 （%） | ψ （%） | akv /J | FATT50 /℃ | |
改進(jìn)后 | A D E B | 680 665 675 665 | 815 805 790 810 | 21.0 21.5 21.5 22.0 | 64.0 67.5 68.0 69.5 | 78 91 121 80 84 97 105 123 81 90 82 79 | 19.4 |
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(yàn)，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(dāng)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(shí)將油冷改為水淬油冷，提高了冷卻能力，促進(jìn)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(xì)化晶粒也可使B12N-S鋼的沖擊韌性有所提高。
來源：熱處理生態(tài)圈
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
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