鑄鋼件2.5Cr-1Mo系列材質化學成分與力學性能關系的探討

謝永祥，唐鐘雪，張生存

(寧夏共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021)

自2006年以來我公司已成為世界F級燃氣輪機鑄鋼件重要的生產基地，優化此類鑄鋼件材質2.5Cr-1Mo，獲得穩定的鋼液質量，降低鑄件的夾渣缺陷量，成為產品制造過程中重要工作之一。公司對所有鋼種的成分控制主要是根據牌號要求進行控制，對同一鋼種沒有形成固定的內部成分標準，因此各元素的波動范圍比較大。由此，有可能造成鑄件力學性能的不穩定，甚至出現力學性能不達標的情況。為了穩定鑄件的力學性能，提高一次熱處理的成功率，有必要根據具體的鑄件及材質制定企業內部的成分控制標準，一旦內控標準制定之后，不僅能夠穩定冶煉時的成分控制，而且還能將熱處理工藝固化，便于實際操作。

1 實施過程

1.1 化學成分及力學性能要求

2.5 Cr-1Mo系列鑄鋼常用于燃氣輪機鑄件，化學成分及力學性能見表1、表2。

由表1可見，所有合金元素的控制范圍均較大，通過合理調整成分，在滿足其力學性能的前提下可節約大量成本。因此本文將從化學成分的配比考慮，通過成分優化提高其力學性能的穩定性，降低成本。

1.2 數據統計分析

針對2.5Cr-1Mo鋼種，公司熔煉上百爐鋼液，根據最終檢測中心提供的化學成分及力學性能分析報告，利用Minitab軟件進行統計分析。

表1 2.5Cr-1Mo化學成分要求（w%）

表2 2.5Cr-1Mo力學性能要求

1.2.1 2.5Cr-1Mo成分控制現狀

C分布在中限0.175%;Si分布在0.53%～0.62%之間；Mn分布在0.75%，有幾次控制偏低；Cr分布在2.4%以下；Mo分布范圍比較窄，分布在0.96%～0.98%之間。

1.2.2 2.5Cr-1Mo力學性能現狀

圖1 Cr含量的時間序列圖

抗拉強度分布在670MPa左右，有幾個偏高偏低值，但都符合要求；屈服強度分布在485MPa左右，出現了幾個異常值；延伸率分布在25%附近，有一個接近下限的值；斷面收縮分布在65%左右，出現了幾個異常值。目前所生產的鑄件力學性能全部符合要求。

圖2 力學性能箱線圖

1.2.3 2.5Cr-1Mo抗拉強度與成分的關系

抗拉強度分布在650MPa～675MPa，占概率分布的80%以上。C分布范圍0.168%～0.185%；Si分布范圍0.50%～0.70%；Mn分布范圍0.72%～0.80%；Cr的含量大部分位于2.2%～2.4%；Mo含量的變化比較小，位于0.94%～1.00%之間。

圖3 抗拉強度與Mn%的邊際圖

經以上分析,目前的抗拉強度80%位于650MPa～675MPa之間，各個元素占80%以上的分布范圍分別為：C=0.168%～0.185%，Si=0.50%～0.70%，Mn=0.72%～0.80%,Cr=2.20%～2.40%,Mo=0.94%～1.00%。

1.2.4 2.5Cr-1Mo延伸率與成分的關系

圖4表明延伸率與化學成分無明顯的對應關系，可以說目前的成分控制變化范圍對延伸率影響不大。

1.2.5 2.5Cr-1Mo影響力學性能的主要元素

圖5表明，C、Si、Mn三種元素的含量配比對于抗拉強度的影響最大。

圖6表明，延伸率與C、Mn含量成反比，Mn元素含量對其影響最為顯著。

圖4 延伸率與Mo%的邊際圖

圖5 響應為抗拉強度的因子效應排列圖

圖6 延伸率的主效應圖

1.2.6 抗拉強度的等值模擬圖

根據上圖主要元素分析圖可以看出，對力學性能影響最大的為 C、Si、Mn、Cr、Mo的成分。根據目前的概率分布最大的成分和適當考慮合金成本即可。等值線表明了強度隨合金元素之間的變化情況：

圖7 抗拉強度的等值線

Mn=0.70%時,C＞0.17%,則 Si在0.40%以上就能獲得強度＞640MPa的性能。

Si=0.605%時，C=0.16%～0.19%，Mn=0.65%～0.70%，能獲得強度660MPa～680MPa的性能。

C=0.18%時，Si＞0.50%，Mn＞0.63%，獲得強度660MPa～680MPa的性能。

綜合考慮后初步確定以下控制范圍：

C=0.17%～0.19%；Si=0.40%～0.65%；Mn=0.60%～0.80%;Cr=2.2%～2.4%,Mo=0.94%～1.0%。

1.2.7抗拉強度的等值模擬分析

根據目前的數據分析，如果要得到650MPa的抗拉強度和30%的延伸率，則控制成分應該為C=0.187%;Si=0.43%；Mn=0.70%；Cr=2.20%,Mo=0.92%，結合上面的分析，同時考慮成本控制，擬定最終的成分控制范圍為：C=0.17%～0.20%；Si=0.40% ～0.65%;Mn=0.60% ～0.80%；Cr=2.1%～2.3%，Mo=0.92%～1.0%。

1.2.8回歸方程建立

回歸方程為：抗拉強度=499+1079C%+187Si%+24.5Mn%-23.7Cr%-95.2Mo%，延伸率=22.4-21.0 C%+0.72Si%-9.72Mn%+0.92Cr%+11.1Mo%。

圖8 成分優化后的力學性能

圖9 延伸率的Xbar-R控制圖

2 改進結果

2.1 成分優化后的力學性能

驗證階段的力學性能表明，抗拉強度和屈服強度均達到并遠遠超過標準要求，延伸率、斷面收縮率出現幾個低值（但符合標準），應該是個體差異。

2.2 成分優化后的控制能力

抗拉和延伸的Xbar-R控制圖表明，改進階段的控制措施有效，處于可控范圍內。通過對改進后的數據進行試驗性生產驗證，證明了改進后力學性能是有效的、穩定的。

3 結論

（1）對2.5Cr-1Mo材質抗拉強度和延伸率影響最顯著的元素是C、Mn、Si，隨元素含量的增加，抗拉強度逐漸增高，延伸率逐漸降低；

（2）通過等值模擬結果表明：當 C=0.17%～0.20% ；Si=0.40% ～0.65% ；Mn=0.60% ～0.80% ；Cr=2.1%～2.3%,Mo=0.92%～1.0%時，力學性能比較穩定，同時也降低了成本；

（3）通過回歸方程分析：抗拉強度=499+1079C%+187Si%+24.5Mn%-23.7Cr%-95.2Mo%,延伸率=22.4-21.0C%+0.72Si%-9.72Mn%+0.92Cr%+11.1Mo%。