一種微合金化0Cr13Ni4Mo不銹鋼的相圖及臨界轉(zhuǎn)變溫度研究

王振華 孫淑華 張亞才 呂知清

(1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 河北066004；2.燕山大學(xué)理學(xué)院， 河北066004；3.中國第一重型機(jī)械集團(tuán)股份公司， 黑龍江151042)

0Cr13Ni4Mo鋼因具有良好的鑄造性能和焊接性能以及優(yōu)異的力學(xué)性能和耐蝕性能，被廣泛用于制造能源、化工和軍事航天領(lǐng)域的大型結(jié)構(gòu)件[1,2]。目前國內(nèi)普遍采用0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼制造三峽、葛洲壩電站等大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及葉片[3]，但近十幾年大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行中發(fā)生多起開裂事故，而且一般為運(yùn)行過程中在焊接接頭處產(chǎn)生疲勞裂紋，這與焊接應(yīng)力未徹底消除有很大關(guān)系。因此，如何提高0Cr13Ni4Mo鋼的Ac1溫度，擴(kuò)大葉片焊后去應(yīng)力退火[4]溫度范圍而又不降低其強(qiáng)韌性，對于消除焊接接頭疲勞裂紋具有重要意義。

本文對一種V、N微合金化的0Cr13Ni4Mo鋼的相圖與臨界轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究，為新型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及葉片用不銹鋼的焊接及熱處理工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用V、N微合金化0Cr13Ni4Mo鋼由25 kg真空感應(yīng)爐冶煉而成，采用真空澆注方法鑄成試驗(yàn)鋼錠，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：C 0.025，Cr 12.6，Mn 0.36，Ni 3.59，Si 0.14，Mo 0.67，V 0.16，N 0.042，P 0.024及S 0.018，其余為Fe。

試驗(yàn)用鋼的偽二元平衡相圖用Thermo-Calc軟件P版本計(jì)算，采用TCFE2(TCS Steel/Fe-alloys database, v2)數(shù)據(jù)庫，平衡相摩爾分?jǐn)?shù)與平衡相組成的計(jì)算也用該數(shù)據(jù)庫。

試驗(yàn)用鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度在STA449C型熱分析儀上測定，試樣尺寸為3 mm×3mm×3 mm，試樣以200℃/h的速度從20℃升溫至1 200℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 偽二元平衡相圖

通過熱力學(xué)計(jì)算獲得的V、N微合金化0Cr13Ni4Mo鋼的偽二元平衡相圖如圖1所示。圖中標(biāo)出了各個(gè)相區(qū)的平衡相組成，豎虛線對應(yīng)著實(shí)際C含量(0.025%)，圖右側(cè)為每個(gè)平衡相轉(zhuǎn)變溫度的理論值。從圖1可以看出，試驗(yàn)用鋼的液相線為1 490 ℃，高于此溫度為單相液相區(qū)；溫度低于1 490 ℃后δ-鐵素體開始從液相中析出，低于1 460 ℃后，液相完全消失，進(jìn)入單相δ-鐵素體區(qū)；γ相開始從δ-鐵素體中析出的溫度為1 421 ℃，到1 230 ℃，δ鐵素體轉(zhuǎn)變完全，進(jìn)入γ單相區(qū)；溫度降低到1 010 ℃，VN開始從γ相中析出，而M23C6相在804 ℃開始析出，α-鐵素體的析出溫度為759 ℃；當(dāng)溫度下降至702 ℃時(shí)，Cr2N開始析出，最后σ相在溫度降低到485 ℃時(shí)開始析出。此時(shí)，微合金化0Cr13Ni4Mo鋼的平衡組織為γ+VN+M23C6+α+Cr2N+σ。

圖1 微合金化0Cr13Ni4Mo鋼的偽二元平衡相圖Figure 1 Pseudo binary equilibrium phase diagram for the microalloyed 0Cr13Ni4Mo steel

2.2 冷卻過程中各相摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度的變化

圖2(a)為不同溫度下微合金化0Cr13Ni4Mo鋼中γ相占整個(gè)體系摩爾分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，γ相在1 421℃開始從δ相中析出，并且在1 230℃時(shí)，摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到1。當(dāng)溫度下降到1 010℃時(shí)，由于VN的析出，使γ相摩爾分?jǐn)?shù)略有下降(圖中并不明顯)。在804 ℃，有少量的M23C6析出，也導(dǎo)致γ相摩爾分?jǐn)?shù)有所下降。當(dāng)溫度下降到759℃時(shí)，其摩爾分?jǐn)?shù)開始大幅度下降，是因?yàn)榇藭r(shí)從γ中大量析出α-鐵素體。當(dāng)溫度低于570 ℃后，其摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度的變化不太明顯。因此，可以近似認(rèn)為570 ℃為微合金化0Cr13Ni4Mo鋼的A1溫度。

圖2(b)為不同溫度下微合金化0Cr13Ni4Mo鋼中VN相占整個(gè)體系摩爾分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)標(biāo)定出了各個(gè)臨界溫度點(diǎn)。可以看出，當(dāng)溫度下降到1 010℃時(shí)，VN開始從γ相中析出，并且其摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度的降低明顯增加。在702℃以后VN相的摩爾分?jǐn)?shù)便基本趨于穩(wěn)定。

圖3(a)給出了不同溫度下微合金化0Cr13Ni4Mo鋼中M23C6相占整個(gè)體系摩爾分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，M23C6在804℃開始析出，并且當(dāng)溫度低于600℃后基本趨于穩(wěn)定。

圖3(b)為不同溫度下微合金化0Cr13Ni4Mo鋼中α相占整個(gè)體系的摩爾分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，α相在759℃時(shí)開始析出，其摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度降低逐漸增大。溫度降到約570℃左右，α相摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到最大，這與圖2中的A1點(diǎn)一致。在479℃，由于σ的析出，α相的摩爾分?jǐn)?shù)略有降低。

2.3 臨界轉(zhuǎn)變溫度的DSC測試結(jié)果

圖4為微合金化0Cr13Ni4Mo鋼在升溫時(shí)的DSC曲線，圖中標(biāo)出了Ac1、Ac3和VN的溶解溫度。顯然，微合金化0Cr13Ni4Mo鋼實(shí)際加熱過程的DSC曲線和其平衡相圖基本一致。其中，Ac1比相圖計(jì)算中的高10℃(顯著高于文獻(xiàn)5中的553℃)，Ac3比相圖計(jì)算中約低29℃。VN的溶解溫度和相圖計(jì)算一致。

(a) γ相(b) VN相圖2 微合金化0Cr13Ni4Mo鋼中γ相及VN相的摩爾分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系Figure 2 Relationship between molar fraction and temperature of γ and VN for the microalloyed 0Cr13Ni4Mo steel

(a) M23C6相(b) α相圖3 微合金化0Cr13Ni4Mo鋼中M23C6相及α相的摩爾分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系Figure 3 Relationship between molar fraction and temperature of M23C6 and α for the microalloyed 0Cr13Ni4Mo steel

圖4 微合金化0Cr13Ni4Mo鋼升溫時(shí)的DSC曲線Figure 4 DSC curve of the microalloyed 0Cr13Ni4Mo steel during heating

3 結(jié)論

獲得了微合金化0Cr13Ni4Mo鋼的偽二元平衡相圖、平衡條件下各相的摩爾分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系曲線，試驗(yàn)用0Cr13Ni4Mo鋼的Ac1溫度為580℃，比常規(guī)的0Cr13Ni4Mo鋼提高了近30℃，Ac3溫度為730℃，VN的析出溫度為1 010℃。

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