珠光體轉變在30Cr2Ni4MoV低壓轉子預備熱處理工藝中的應用研究

李 其 陽 鶴 房 鑫 王海英 趙 剛 沈國劬

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司鑄鍛公司，四川618000)

珠光體轉變在30Cr2Ni4MoV低壓轉子預備熱處理工藝中的應用研究

李 其 陽 鶴 房 鑫 王海英 趙 剛 沈國劬

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司鑄鍛公司，四川618000)

基于30Cr2Ni4MoV鋼的TTT轉變曲線，研究了不同珠光體轉變量對30Cr2NiMoV鋼100～500℃之間的高溫拉伸性能和調質后晶粒度的影響規(guī)律，并采用Deform-HT模擬了不同直徑的30Cr2Ni4MoV低壓轉子采用等溫熱處理工藝時的應力，通過對比高溫拉伸性能，確定其應力風險。結果表明，珠光體轉變量在40%以下時，斷口形貌為沿晶斷口和韌窩斷口，沿晶斷口出現在粗晶位置；珠光體轉變量大于40%時，斷口形貌為韌窩斷口。通過調質時的奧氏體自發(fā)再結晶和15%以上珠光體轉變量相結合的方式，可以通過1次奧氏體化加調質的方式使晶粒細化和均勻化，大幅度縮短熱處理工藝周期。不同直徑的低壓轉子采用等溫熱處理工藝時，應力風險很低。

30Cr2Ni4MoV；預備熱處理；珠光體轉變

30Cr2Ni4MoV鋼是汽輪機低壓轉子常用材料，其中添加了Cr、Ni、Mo、V等合金元素，淬透性很好，高溫奧氏體也十分穩(wěn)定，容易出現組織遺傳性，珠光體完成轉變需要很長時間。在低壓轉子的預備熱處理過程中，根據直徑不同，一般采用1～3次的正火預備熱處理方式[1]。為減少預備熱處理時間并細化晶粒，有采用Ac1～Ac3之間的高溫側奧氏體化[2]，也有采用1次奧氏體化等溫處理加1次正火的預備熱處理方式[3]。為進一步縮短預備熱處理的時間，本文研究了不同珠光體轉變量對30Cr2Ni4MioV鋼100～500℃之間的高溫 拉伸性能和調質后的晶粒度的影響規(guī)律。利用Deform-HT計算了不同直徑的30Cr2Ni4MoV鋼低壓轉子采用等溫處理方式的應力變化規(guī)律，通過對比不同直徑的30Cr2Ni4MoV低壓轉子采用的珠光體轉變工藝中的熱處理應力與實測應力值，確定其應力風險，從而建立30Cr2Ni4MoV鋼低壓轉子的等溫轉變的預處理工藝模式。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

利用30Cr2Ni4MoV低壓轉子的應力試環(huán)試料進行試驗，將應力試環(huán)切割成25 mm×25 mm×130 mm的試樣，試環(huán)的化學成分見表1。

1.2 試驗方法

在進行試驗前，先將試樣在1200℃粗化5 h，粗化后的晶粒度見圖1。按照ASTM E112進行評級，晶粒度為0.0級，晶粒直徑約350 μm。將粗化后的試樣加熱至930℃保溫5 h后，爐冷至625℃等溫[4]，分別保溫36 h、48 h、60 h、72 h、96 h、120 h、144 h、168 h和192 h后空冷至室溫，在100℃、200℃、300℃、400℃和500℃進行拉伸試驗，拉伸試驗完成后，其中的一段拉伸試樣采用掃描電鏡進行斷口觀察，另一段拉伸試樣進行組織觀察，并采用面積法統計不同等溫時間的珠光體轉變量，組織觀察完成后，將不同等溫時間的金相試樣加熱至840℃保溫4 h空冷后觀察晶粒度。

表1 試環(huán)的化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of test ring (Mass, %)

圖1 30Cr2Ni4MoV鋼1200℃保溫5 h后的晶粒度Figure 1 Grain size of 30Cr2Ni4MoV steel after heat preservation at 1200℃ for 5 h

1.3 低壓轉子冷卻、加熱過程的數值模擬

采用Deform-HT模塊，模擬不同直徑的30Cr2Ni4MoV低壓轉子采用等溫處理方式的應力值，并對比試樣的拉伸結果，確定不同直徑的低壓轉子采用珠光體轉變預備熱處理工藝模式時的應力風險。熱處理模擬時，根據轉子的不同直徑，網格數從10 000～30 000不等，材料熱物參數參考陳睿凱所做的研究[3]。

(a)36h(b)48h(c)60h(d)72h(e)96h(f)120h(g)144h(h)168h(i)192h

圖2 30Cr2Ni4MoV 650℃等溫不同時間后的組織
Figure 2 Structures of 30Cr2Ni4MoV after different time of isothermal at 650℃

圖3 不同等溫時間的珠光體轉變量Figure 3 Pearlite transition quantity at different isothermal time

2 結果與分析

試樣加熱至930℃保溫5 h后爐冷至650℃后保溫不同時間的組織見圖2。從圖2看到，隨著等溫時間的延長，珠光體轉變的量逐漸增加，珠光體的形態(tài)為粒狀珠光體和少量的片層狀珠光體。在等溫過程中，先共析鐵素體首先在晶界形核并長大，之后碳化物在鐵素體上形成，等溫時間較短時，碳化物析出少而稀，隨著等溫時間增加，

鐵素體析出量增加，碳化物析出的量也增大，密度變大。珠光體轉變量隨等溫時間的變化規(guī)律見圖3。從圖3看到，等溫時間小于36 h時，在晶界只有少量的珠光體組織，隨著等溫時間的增加，珠光體轉變量逐漸增加，等溫時間達到192 h時，珠光體轉變基本完成。

30Cr2Ni4MoV為低碳低合金鋼，在珠光體轉變時先析出鐵素體，在鐵素體的基體上形成碳化物。由于鋼種含有V、Mo、Cr等碳化物形成元素，使得在珠光體轉變過程中合金碳化物的擴散速度遠低于碳的擴散速度，因此珠光體的轉變孕育期和完成期都遠大于普通亞共析碳鋼的珠光體轉變速度，碳化物形態(tài)以顆粒狀為主，片狀很少。

試樣不同等溫時間在100℃、200℃、300℃、400℃和500℃下的屈服強度和抗拉強度試驗結果見圖4、圖5?？梢钥吹?，相同溫度下，隨著等溫時間的延長，試樣的屈服強度和抗拉強度呈下降趨勢，等溫時間在小于72 h時(珠光體轉變量小于20%)，試樣的屈服強度和抗拉強度迅速下降；當等溫時間大于72 h后，試樣的屈服強度和抗拉強度雖然也呈下降趨勢，但下降趨勢比較平緩。由于珠光體的強度明顯低于貝氏體，因此相同拉伸溫度下，等溫時間增加，材料的屈服強度和抗拉強度降低。相同等溫時間、不同溫度進行拉伸時， 隨著拉伸溫度的升高，材料的屈服強度和抗拉強度呈下降趨勢。等溫時間為36 h、48 h、60 h和72 h時，材料的屈服強度和抗拉強度在拉伸溫度低于400℃時，材料的屈服強度和抗拉強度降低緩慢；拉伸溫度為500℃時，屈服強度和抗拉強度快速下降。等溫時間為96 h、120 h、144 h、168 h和192 h的試樣在100℃和200℃拉伸時，屈服強度和抗拉強度降低緩慢；300℃拉伸時，屈服強度和抗拉強度較快速下降；300～500℃拉伸時，降低平緩。等溫時間小于72 h時，試樣的組織以貝氏體為主，材料強度高，400℃以下拉伸時，拉伸試驗中的保溫對貝氏體組織影響較小，屈服強度和抗拉強度隨拉伸溫度的升高，緩慢下降；500℃拉伸時，拉伸試驗的試樣均溫過程對貝氏體組織有回火軟化的作用，因此500℃拉伸時，材料的屈服強度和抗拉強度迅速下降。等溫時間大于96 h后，試樣的組織以珠光體組織為主，珠光體組織為平衡組織，拉伸試驗的試樣均溫過程對珠光體組織的力學性能沒有明顯的影響，因此等溫時間大于96 h的試樣，屈服強度和抗拉強度隨拉伸溫度的升高降低比較平緩。不同等溫時間的拉伸斷口(200℃拉伸試樣)的典型形貌見圖6。等溫時間小于72 h時，斷口形貌為沿晶斷口與纖維斷口，沿晶斷口主要出現在粗晶位置。等溫時間大于96 h后，斷口形貌為纖維斷口。

圖4 不同等溫時間的高溫拉伸屈服強度和抗拉強度Figure 4 High temperature tensile yield strength and tensile strength at different isothermal time

圖5 不同溫度拉伸的屈服強度和抗拉強度Figure 5 Yield strength and tensile strength at different temperature

圖6 不同等溫時間的典型拉伸斷口形貌
Figure 6 Typical tensile fracture morphology at different isothermal time

拉伸試樣經過1200℃×5 h的粗化后，再次加熱至930℃進行1次奧氏體化，粗大的晶粒得到了細化，但由于進行了1次奧氏體化，不同試料晶粒細化程度不一致，試樣存在混晶。等溫過程中，珠光體優(yōu)先在奧氏體細晶的晶界形核并長大，粗大晶粒的晶界位置相變量小，拉伸過程中，對于珠光體體相變量十分少的粗晶晶界位置，珠光體相為低強度相，而粗晶的塑性差，裂紋沿珠光體相擴展從而在粗晶位置形成沿晶斷口。等溫時間長時，在原奧氏體細晶和粗晶的晶界位置都有大量的珠光體形成，雖然裂紋仍優(yōu)先在珠光體相位置形成，但由于珠光體轉變量大，可以產生足夠的塑性變形，從而形成顯微狀斷口。

拉伸試樣加熱至840℃保溫4h空冷后的晶粒度腐蝕結果見圖7。從圖7看到，不同等溫時間的拉伸試樣經過840℃奧氏體化后，試樣的晶粒均得到大幅度的細化和均勻化，等溫時間小于48 h時，試樣的晶粒度局部存在粗大一點的晶粒；等溫時間大于48 h以后，試樣的晶粒度基本相同，按照ASTM E112進行評級，晶粒度為8.0級。晶粒度的細化主要來自兩個方面：一是試樣加熱至840℃奧氏體化，貝氏體組織位置發(fā)生一次奧氏體自發(fā)再結晶，使得晶粒得到細化；另一方面是加熱至840℃時，新的奧氏體晶核在珠光體位置形核并長大，將原來粗大的奧氏體晶粒分割，形成新的細小奧氏體晶粒。上述兩者的共同作用下，使得材料只需要部分珠光體轉變即可在減少正火次數的條件下，細化和均勻化晶粒。

(a)36h(b)48h(c)60h(d)72h(e)96h(f)120h(g)144h(h)168h(i)192h

圖7 不同等溫時間的拉伸試樣經840℃×4 h空冷后的晶粒度Figure 7 Grain size of sample for tensile at different isothermal time after air cooling at 840℃ for 4 h

圖8 不同直徑的30Cr2Ni4MoV轉子心部位置的應力變化模擬結果
Figure 8 Simulation result of stress at core of 30Cr2Ni4MoV rotor with different diameters

以某廠2016年制造的直徑大于1000 mm的30Cr2Ni4MoV低壓轉子為計算模型，采用Deform-HT模塊按照圖8(a)所示工藝進行計算，并跟蹤降溫過程中轉子心部位置應力最大的點，計算結果見圖8(b)。從圖8(b)可以看到，在熱處理工藝過程中低壓轉子出現3個應力峰值，第1個是 700℃附近，第2個是500℃附近，第3個峰值是100℃附近。不同等溫時間的拉伸試樣強度值高于熱處理過程中的最大應力值，因此沒有應力風險，在工廠轉子的預備熱處理過程中，可以采用等溫轉變的模式。

3 結論

30Cr2Ni4MoV材料發(fā)生珠光體轉變時，當珠光體轉變量較少時，易在粗晶位置產生沿晶開裂。奧氏體自發(fā)再結晶和15%以上的珠光體轉變量相結合的方式，可以通過1次奧氏體化加調質的方式使晶粒細化和均勻化，大幅度縮短熱處理工藝周期。不同直徑的30Cr2Ni4MoV轉子等溫熱處理工藝的模擬結果表明，采用部分珠光體轉變的方式不存在應力風險，直徑越大，出現的應力峰值越高，但都在安全范圍內，因此可以采用等溫處理的預備熱處理模式。

[1] 中國機械工程學會熱處理學會. 熱處理手冊：第4版[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2013：602-603.

[2] 王凱，黨淑娥，何艷，等. 30Cr2Ni4MoV鋼消除混晶的方法[J]. 大型鑄鍛件，2013(6)：9-10.

[3] 陳睿凱. 30Cr2Ni4MoV鋼低壓轉子熱處理工藝的研究[D]. 上海：上海交通大學，2012.

[4] 陳睿凱，顧劍鋒，潘建生，等. 低壓轉子鋼30Cr2Ni4MoV珠光體等溫轉變動力學[J]. 金屬熱處理，2012，37(5)：3-4.

編輯 杜青泉

Application Research on Transition of Pearlite in Preparing Heat Treatment Technical Procedure of 30Cr2Ni4MoV Low Pressure Rotor

LiQi,YangHe,FangXin,WangHaiying,ZhaoGang,ShenGuoxun

On the basis of the TTT transition curve of 30Cr2Ni4MoV steel, this paper introduces the research on the influence and the regularity of transition quantity of various pearlite to tensile property of 30Cr2NiMoV steel at high temperature of 100～500℃ and its grain size after quenching and tempering, and simulates the stresses of 30Cr2Ni4MoV low pressure rotor with different diameters by Deform-HT in the way of isothermal heat treatment process, identifies the risk of stress by contrasting the high temperature tensile property. The result shows that when the tranisition quantity of pearlite is lower than 40%, the fractures morphology are intergranular fracture and dimple fracture, the intergranular fracture appears at coarse grain′s, and when the transition quantity of pearlite is more than 40%, the fracture morphology is just dimple fracture. By combining the spontaneous recrystallization of austenite at the time of quenching and tempering and more than 15% pearlite transition quantity, the grain can be refined and homogenized by one austenitizing, quenching and tempering, which significantly shorten the period of heat treatment. The risk of stress is low when the low pressure rotors with different diameters are treated by isothermal heat treatment process.

30Cr2Ni4MoV, preperating heat treatment, pearlite transition

TG142.1

B

2017—05—12