如何改善B12N-S钢冲击韧性和FATT？

 高中压转子是汽轮发电机组中的关键零件，其工作条件十分恶劣，长期在高温高压条件下工作，需要在传递扭矩时承受各种应力和因自重产生的弯矩，此外还要承受因非正常停机时产生巨大的瞬时冲击。因此要求其要具有很高的综合机械性能，即要有高的室温和高温强度，良好的塑韧性以及低的脆性转变温度（即FATT）。

1.问题引出

B12N-S为耐热高强钢，它与我们常见的汽轮机高中压转子用钢30Cr1Mo1V的化学成分相似，调质后具有很高的高温强度和韧性，是制造汽轮机高中压转子的良好材料。其化学成分如表1所示。

表1  B12N-S钢的化学成分（%）

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

我公司为国内某厂生产的汽轮机高中压转子锻件（尺寸轮廓见图1）就是选用此材质，其制造及验收标准采用的是法国阿尔斯通标准。该标准与国内同类产品标准和美国西屋标准相比较，除了同样要求获得所需的高温性能外，还要求得到较高的冲击韧性和较低的脆性转变温度。阿尔斯通、西屋和JB/T93标准的性能要求如表2所示。

图1 工件初加工尺寸轮廓

表2 阿尔斯通、西屋和JB/T8707-1998标准力学性能

	取样位置	σ0.2 /Mpa	σb /Mpa	δ5 （%）	ψ （%）	akv /J	FATT50 /℃
阿尔斯通	纵切向	≥590	735~900	≥14	≥45	≥25	≤80
	中心	≥560	≥700	参考	参考	≥25	≤100
西屋JB/T8707-1998	纵径向	590~690	≥720	≥15	≥40	≥8	≤116
	中心	≥550	≥690	≥15	≥40	≥7	≤121

起初，我们按照常规热处理工艺对B12N-S转子锻件进行调质处理，工艺曲线如图2所示。调质后经检验，该转子的冲击韧性和脆性转变温度大大低于该标准的要求；随后又提高回火温度进行补充回火，回火后检验发现，除强度下降了以外，冲击韧性和脆性转变温度仍无明显改善。常规调质及补充回火机械性能如表3所示。

图2  常规汽轮机高中压调质工艺曲线

表3 常规调质和补充回火后机械性能结果

	取样位置	σ0.2 /Mpa	σb /Mpa	δ5 （%）	ψ （%）	akv /J	FATT50 /℃
常规调质	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
补充回火	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可以看出阿尔斯通标准对材料的韧性要求和脆性转变温度已经达到了材料的极限。尽管随后又重新退火细化晶粒进行正常调质，但冲击性能仍无法得到改善。从而使产品由于冲击韧性和FATT50达不到性能要求而无法正常交货。为此我们对一些影响B12N-S钢冲击韧性和脆性转变温度等因素进行了一系列的分析研究，并在此基础上制定了新的生产工艺，取得了良好的效果，达到了阿尔斯通标准的要求。

2.分析研究

我们知道影响材料冲击韧性的因素很多，化学成分中杂质元素的多少也是其中之一。为了便于研究，我们从工件水、冒口两端各套取一块试料作化学成分分析，结果如表4所示。

表4  B12N-S钢转子锻件化学成分（%）

	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

从表2中我们可以发现该标准对有害元素P和S的控制范围较宽，这使得工件中的P含量较高（见表4）。由于P对材料有脆化效应，从而造成了冲击韧性的降低。经采用电子显微镜观察，证实了晶界处存在析出物，致使晶界弱化而导致冲击韧性降低，脆性转变温度升高。在Cr-Mo-V钢种中有一些表面活性元素如S、P、As、Sn、Sb等有向界面偏聚的倾向；在一定条件下，钢中含量仅为几十个ppm的一些有害元素在晶界出偏聚后，偏聚处的含量比其平均成分可增加数万倍乃至几十万倍。因而极大的改变了界面的化学成分和组织结构，从而使晶界性能大为改变。

从图3中我们可以看出在有害元素中P对冲击韧性和脆性转温度的影响是最大的。所以如何解决P在晶界处析出而产生的脆性问题就至关重要。通过我公司技术人员大量的实验研究，发现适当地降低淬火温度能在不损失持久强度的情况下，有效遏制P对材料的脆化效应。因为降低淬火温度在一定程度上能细化晶粒，增加晶界面积，减小P的偏析浓度，这样就降低了P对晶界的弱化能力，从而使材料的冲击韧性和FATT得到改善。

图3 合金元素对钢的脆性转变温度的影响

虽然通过降低淬火温度在一定程度上遏制了P对材料的脆化效应，但还不足以充分发掘出B12N-S钢的韧性潜力，为此我们还进行了下面的研究。众所周知，淬火时提高冷却速度可降低脆性转变温度，从而改善断裂韧性。随着真空技术的普遍应用，冶金质量不断提高，一些高中压转子已开始采用水淬油冷的方式淬火。

有资料表明，原苏联乌拉尔重机厂很早就对25Cr1Mo1VA钢的高中压转子的淬火冷却方式改为水—空反复间歇冷却，使转子表面达到贝氏体转变温度，而后油冷至200℃以下。与正火油冷的高中压转子相比，表面区的强度和塑性并无区别，但表面冲击韧性要好很多，这为我们的研究和工艺改进指出了一个方向。淬火时贝氏体的形成温度越低，贝氏体的晶粒越小，所以强度和冲击韧性也就越好。

据此，我们利用水在高温区有较强的冷却能力，使转子锻件表面迅速达到贝氏体转变温度；而油在低温区有缓和的冷却速度，达到了接近理想冷却介质的冷却特性，使得钢在较理想的状态下等温淬火；从而使奥氏体组织能迅速充分地转变为较为细小的贝氏体组织，一方面降低了P对晶界的弱化能力，同时还减少了铁素体和珠光体的析出，从而提高了钢的强度和韧性。经高温回火后，钢的冲击韧性得到了显著提高，脆性转变温度也得到了改善。

3.工艺改进

根据以上的分析研究，我们对B12N-S钢高中压转子锻件的调质工艺进行了改进，改进后工艺曲线如图4所示。

图4  改进后B12N-S钢高中压转子调质工艺曲线

工艺改进后，经检验性能结果均达到了阿尔斯通标准的技术要求，尤其是冲击韧性和FATT得到了显著的改善。改进后工艺的性能结果如表5所示。随后我们将改进后的热处理调质工艺运用到生产中，生产了多件按阿尔斯通标准验收的汽轮机高中压转子锻件，性能结果均能满足标准要求，获得了成功。

表5 改进工艺后工件性能结果

	取样位置	σ0.2 /Mpa	σb /Mpa	δ5 （%）	ψ （%）	akv /J	FATT50 /℃
改进后	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

通过对B12N-S钢的研究，我们充分发掘了材质的潜力，并在提高B12N-S钢高中压转子的冲击韧性和降低脆性转变温度方面积累了一些经验，对今后的生产有一定的指导作用。

4.结语

（1）在不牺牲高温性能的情况下，适当降低淬火温度能有效遏制P对材料的脆化效应，从而改善材质的冲击韧性。

（2）淬火时将油冷改为水淬油冷，提高了冷却能力，促进了贝氏体组织快速充分地转变，能有效提高B12N-S钢的冲击韧性和降低钢的FATT。

（3）细化晶粒也可使B12N-S钢的冲击韧性有所提高。