620℃汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件用鋼晶粒細(xì)化熱處理工藝研究

王曉芳

(上海重型機(jī)器廠有限公司，上海200245)

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620℃汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件用鋼晶粒細(xì)化熱處理工藝研究

王曉芳

(上海重型機(jī)器廠有限公司，上海200245)

摘要：結(jié)合9%～10%Cr 鐵素體鋼的材料特點，對620℃汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件用COST-FB2鋼晶粒細(xì)化熱處理工藝進(jìn)行試驗研究及分析。研究結(jié)果表明，原始組織為馬氏體，晶粒度大于00級的COST-FB2鋼試樣，經(jīng)660～760℃長時間等溫轉(zhuǎn)變處理后，可獲得鐵素體加碳化物擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變組織。擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變組織試樣在1 080～1 100℃溫度區(qū)間奧氏體化后淬火，可獲得6級～1級晶粒度，粗大原始組織遺傳被切斷。這可為轉(zhuǎn)子鍛件產(chǎn)品熱處理工藝的制定提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：COST-FB2鋼；等溫轉(zhuǎn)變；熱處理工藝；晶粒細(xì)化

超超臨界火電機(jī)組是目前世界上成熟先進(jìn)的發(fā)電技術(shù)，具有顯著的高效、節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢。我國清潔煤發(fā)電技術(shù)以發(fā)展超超臨界火電機(jī)組為主要方向，同時發(fā)展該技術(shù)也是解決電力短缺、提高能源利用率和治理環(huán)境污染等問題的最現(xiàn)實和有效的途徑[1-4]。

目前，我國再熱蒸汽溫度為620℃的超超臨界汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)子鍛件采用COST-FB2鋼，該鋼種屬于9%～10%Cr鐵素體系耐熱鋼，具有合金元素種類多、合金含量高及淬透性好的特點[5]。日本、德國等國外企業(yè)已具備該類轉(zhuǎn)子鍛件的生產(chǎn)制造能力，但國內(nèi)企業(yè)對于該鋼種轉(zhuǎn)子鍛件的研制還處于起步階段。

轉(zhuǎn)子鍛件晶粒粗大不僅使性能低劣，而且使其在超聲檢測時的檢驗靈敏度達(dá)不到要求，以至無法通過超聲檢測對工件內(nèi)部質(zhì)量情況做出判斷[6]。為了全面提高620℃汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件力學(xué)性能水平并改善其超聲檢測狀況，必須對轉(zhuǎn)子鍛件用COST-FB2鋼晶粒細(xì)化熱處理工藝進(jìn)行試驗研究，為后續(xù)轉(zhuǎn)子鍛件產(chǎn)品熱處理工藝的制定提供依據(jù)。

1試驗方案

1.1成分特點及試驗材料

COST (European Cooperation in Science and Technology) 計劃內(nèi)歐洲完成了對600℃和625℃汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件用材的開發(fā)[7-9]。625℃轉(zhuǎn)子用COST-FB2 鋼在600℃含B 轉(zhuǎn)子鋼的基礎(chǔ)上，降低了C含量并添加了Co元素。加入Co元素是為了抑制δ鐵素體的析出。

日本東芝、日立及三菱三大汽輪機(jī)公司也各自宣布完成了630℃鐵素體轉(zhuǎn)子鋼的開發(fā)，這些轉(zhuǎn)子鋼均含B 和Co。

歐洲和日本對于625℃汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件的合金化原則極其相似[10]，如表1所示。

本文試驗中的620℃超超臨界汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)子鍛件用COST-FB2鋼化學(xué)成分如表2所示。

試驗用材料原始組織為馬氏體，晶粒度大于00級。

從檢測結(jié)果可看出，該鋼種Ms點約為400℃，該材料以0.012℃/s速度冷卻( 相當(dāng)于在靜止空氣中) 時，也不會有鐵素體析出，具有較好的淬透性。[11]

表1　625℃汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件的合金化原則

表2　試驗材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2試驗原理及工藝

由含Cr、Ni等元素較多的高淬透性鋼制成的大鍛件組織遺傳嚴(yán)重，可采取以下措施：(1)臨界區(qū)快速加熱，得到球狀奧氏體；(2)多次奧氏體化再結(jié)晶；(3)等溫分解不穩(wěn)定過冷奧氏體，得到平衡轉(zhuǎn)變組織，再用等熱處理工藝方式進(jìn)行晶粒細(xì)化[12-13]。

620℃汽輪機(jī)超超臨界轉(zhuǎn)子鍛件直徑大，熱處理過程中需控制其加熱及冷卻速度，以避免熱處理過程中內(nèi)應(yīng)力過大而出現(xiàn)裂紋，因此很難通過臨界區(qū)快速加熱或冷卻來控制鍛件的晶粒大小。轉(zhuǎn)子鍛件鍛后多次奧氏體化再結(jié)晶正火工藝又易引起鍛件開裂而不采用[4]?；诖?，我們考慮在鍛件鍛造結(jié)束后的冷卻過程中使粗大過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體加碳化物的擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，然后在后續(xù)的熱處理過程中以適當(dāng)?shù)募訜釡囟群捅貢r間獲得需要的奧氏體晶粒，切斷原始粗大組織。熱處理過程中晶粒細(xì)化原理見圖1。

根據(jù)上述原理，將COST-FB2鋼晶粒細(xì)化熱處理工藝分為過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變及奧氏體化轉(zhuǎn)變兩部分。

試樣過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變熱處理工藝曲線見圖2。

圖1　高鉻鐵素體耐熱鋼晶粒細(xì)化原理示意圖

圖2　過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變熱處理工藝曲線

將試樣加熱至終鍛溫度約950℃時保溫適當(dāng)時間，隨后緩慢冷卻至660～760℃進(jìn)行長時間等溫處理，目的是獲得鐵素體加碳化物的擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變組織。同時，考慮到鍛件不同部位原奧氏體晶粒度的不均勻及局部有可能粗大，會使調(diào)質(zhì)處理前的超聲檢測靈敏度不理想。為提高轉(zhuǎn)子鍛件調(diào)質(zhì)前工藝性超聲檢測靈敏度，鍛后熱處理之后需獲得均勻細(xì)小的組織。為達(dá)到該目的，在第一次660～760℃長時間等溫后加一次奧氏體化再結(jié)晶過程。試驗測得，COST-FB2鋼的AC1和AC3分別為820℃、900℃。將COST-FB2鋼在950～1 000℃溫度下奧氏體化處理并快速冷卻，可得到細(xì)小均勻的晶粒度。因此，將第一次長時間等溫處理后的奧氏體化溫度定在950~1 000℃之間。試樣經(jīng)950～1 000℃奧氏體化處理后再進(jìn)行第二次660～760℃間平衡轉(zhuǎn)變，平衡轉(zhuǎn)變完成時間將縮短。

將等溫轉(zhuǎn)變處理后的試樣按圖3所示工藝進(jìn)行淬火處理，試樣在1 080℃、1 090℃、1 095℃及1 100℃溫度下分別保溫12 h后淬火，并分別進(jìn)行金相分析。

2試驗結(jié)果及分析

試驗材料原始金相組織為馬氏體，晶粒度大于00級，平均晶粒尺寸為0.8 mm～1.5 mm，如圖4所示。

對按圖2所示工藝進(jìn)行熱處理的試樣進(jìn)行金相檢測，結(jié)果如圖5所示。

圖4所示試樣經(jīng)等溫分解處理后，得到了擴(kuò)散型相變產(chǎn)物鐵素體加碳化物機(jī)械混合組織，試樣上未發(fā)現(xiàn)馬氏體或貝氏體等非擴(kuò)散相變產(chǎn)物存在。從圖5(a)、(b)可看出，原奧氏體晶界處存在網(wǎng)絡(luò)狀碳化物，并且原奧氏體晶粒內(nèi)部分布團(tuán)狀聚集、顏色較深的碳化物。從圖5(c)、(d)可看出，晶界附近碳化物成冷杉樹狀形貌聚集分布，并向原奧氏體晶粒內(nèi)部延伸。近晶界處碳化物數(shù)量很多，顆粒狀碳化物數(shù)量從晶界到晶內(nèi)逐漸減少。晶粒內(nèi)部大部分顆粒狀碳化物聚集成花朵狀形貌分布，碳化物數(shù)量從花朵心部到邊緣逐漸減少。晶粒內(nèi)部其余部位，亦存在彌散分布更小顆粒狀碳化物。此外，在原奧氏體晶界及晶粒內(nèi)不同塊與塊交界處有鏈狀碳化物存在。

圖3　淬火熱處理工藝曲線

圖4　等溫處理前試樣金相照片

(a)(b)(c)(d)

圖5過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變金相照片

Figure 5Metallograph of isothermal transformation heat treatment of super-cooled austenite

不穩(wěn)定過冷奧氏體在660～760℃區(qū)間進(jìn)行長時間等溫處理可獲得鐵素體加碳化物擴(kuò)散型相變產(chǎn)物。具有該組織的試樣再次加熱至奧氏體化溫度時形成球狀奧氏體，改變原始粗大組織位相。奧氏體化后冷卻可得到細(xì)小的晶粒度，切斷非平衡組織導(dǎo)致的遺傳，為后續(xù)調(diào)質(zhì)熱處理獲得合適的晶粒度打下基礎(chǔ)。

等溫轉(zhuǎn)變處理后試樣按圖3所示工藝進(jìn)行淬火處理，并對淬火后試樣進(jìn)行晶粒度檢測，結(jié)果見表3和圖6。

由檢測結(jié)果可知，試樣原始晶粒度大于00級，經(jīng)等溫轉(zhuǎn)變處理后在1 080～1 100℃溫度區(qū)間淬火，晶粒度可細(xì)化至6級～1級，原始粗大組織遺傳被切斷。隨淬火溫度升高，晶粒度逐漸長大，在1 080～1 100℃溫度區(qū)間，晶粒長大顯著，由1 080℃下的6級長大至1 100℃下的1級。

表3　奧氏體化溫度及晶粒度對應(yīng)表

(a)1080℃(b)1090℃(c)1095℃(d)1100℃

圖6不同奧氏體化溫度淬火得到的晶粒度照片

Figure 6Photographs of grain size after quenching processes with different austenitizing temperatures

3結(jié)論

通過試驗，研究了620℃汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件用COST-FB2鋼晶粒細(xì)化熱處理工藝，可得出以下結(jié)論：

(1)原始組織為馬氏體，晶粒度大于00級的COST-FB2鋼試樣，經(jīng)660～760℃長時間等溫轉(zhuǎn)變處理后，可獲得鐵素體加碳化物的擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變組織。

(2)等溫轉(zhuǎn)變處理后試樣，在1 080～1 100℃區(qū)間奧氏體化后淬火，可獲得6級～1級晶粒度，粗大原始組織遺傳被切斷。

致謝：感謝上海重型機(jī)器廠有限公司程莉，韓國盛等工程師在試驗過程中給予的大力幫助。

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編輯李韋螢

Research on Grain Refining Heat Treatment Process of Steel Used for 620℃ Steam Turbine Rotor Forgings

Wang Xiaofang

Abstract：By combining the characteristics of 9%~10%Cr Ferrite Steel, the grain refining heat treatment process of COST-FB2 steel used for 620℃ steam turbine rotor forgings has been experimentally studied and analyzed. It turned out that the original microstructure was the martensite. After 660℃~760℃isothermal transformation for a long time, the COST-FB2 steel samples with bigger than 00 grade of grain size could obtained a diffuse type transformed microstructure with the ferrite and the carbide. After austenitized in the range of 1080℃~1100℃ with the diffuse type transformed microstructure sample, 6 grade ~1 grade of grain size could be obtained after the quenching process. Meanwhile, the coarse original microstructure heredity was stopped. These can provide the basis for preparing the heat treatment process of rotor forgings.

Key words：COST-FB2 steel; isothermal transformation; heat treatment process; grain refining

作者簡介：王曉芳(1982—)，從事火電、核電鍛件材料及熱處理工藝研究。電話：15026691726

收稿日期：2015—07—13

中圖分類號：TG1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A