Si含量对超超临界汽轮机转子钢30Cr2Ni4MoV组织和性能的影响

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 。
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
ｔｅｍ ｐｅｒｅｄ ａｔ ６００ ｏＣ ． Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａｓ ｔｈｅ Ｓｉ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｓｔｅｅ¨ ｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ０．０３％ ｔｏ ０．４５％ ．ｔｈｅ ａｍ ｏｕｎｔ 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．
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 Ｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｕｌｔｒａ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ Ｓｔｅａｍ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｒｏｔｏｒ Ｓｔｅｅｌ ３０ Ｃｒ２ Ｎｉ４ Ｍ ｏＶ
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）
Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ和 Ｖ等 元 素 强 ，能提 高钢 的 弹性 平 均值 均 能 满 足 标 准 要 求 。但 是 ，随 着 Ｓｉ含 量 从
极 限 、屈 服 强度 ，从 而提 高 钢 的 强度 。 同时 ，从 合金 ０．０３％增 加 到 ０．４５％ ，试 样 断 裂 的平 均 冲 击 功 从
Ｍ ａｔｅｒｉａｌ 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 世纪五六十年代就开始 了超临界汽轮机组的研制 ， 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 的低压 转子 用 钢 ，具 有 良好 的淬透 性 ，优 良的机 械性 能 ，如 高 的屈 服强度 ，高 的抗拉 强 度 ，高 的硬度 。
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。
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
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 ， 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
表 １ 试 验 钢 ３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ 的 化 学 成 分／％
Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｓｔ ｓｔｅｅｌ ３０Ｃｒ２Ｎｉ４Ｍ ｏＶ ％
锻 造 的钢锭 坯料 横 截 面积 Ｆ为 ３８．５ ｃｍ ，钢 锭 质 量 约为 ５ ｋｇ，可确定 拔 长锻 锤 吨位 为 １００ ｋｇ ，本 试验先选用 ４００ ｋｇ空气锤锻 造合金锭 ，然后 再用 １００ ｋｇ空 气 锤 锻 造 。始 锻 温 度 １ １８０℃ ［２１，终 锻 温
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２％时 ，可细化奥氏体晶粒 ，但 ≤３０，在 同一 母 线 上 的 ＨＢ硬 度 差 ≤４０。两 炉 钢 样
当 Ｓｉ＞１０．２％时 ，晶粒 粗 化 Ｊ。图 ２中可 以看 出 ，第 在硬度上均满足标准要求 ，而且两炉合金各钢样 的
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
１炉 ｓｉ含量 为 ０．０３％ 的合 金试 样 的 晶粒 明显 比第 ２ 硬 度值 比较 接 近 ，没 有 明显 差 异 。可 见 ，ｓｉ含 量 的
炉 ｓｉ含量 为 ０．４５％ 的合 金 晶粒 略微 细小 。
不 同对 试样 的硬 度没 有 明显 的影 响 。
２．２ 拉伸 性能
２．４ 冲击 功
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
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
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
第 ３２卷第 ４期 ２０１１年 ８月
特 殊 钢
ＳＰＥＣＩＡＬ ＳＴＥＥＬ
Ｖｏ１．３２．Ｎｏ．４ 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）
影 响 。 １ 试 验方 案
试 验材 料 制备工 艺 流程 为 １０ ｋｇ真 空感应 炉 一锻 造 一热 处 理 。 两 炉 ３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ 钢 的 Ｓｉ含 量 ，第 １ 炉钢 锭 为 ０．０３％ ，第 ２炉 钢锭 为 ０．４５％ ，试 验 钢 的 化 学成 分如 表 １所示 。
２０世 纪 ８０年 代 ，我 国从 美 国 引进 了一 批 发 电 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 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 强度 ，进而影 响其力学性 能 Ｊ。在此基 础上 ，本 文 针 对 低压 转子 用钢 ３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ，研 究 了 Ｓｉ含 量 对 汽 轮 机转 子 钢 ３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ 的组 织 和 力 学 性 能 的