1Mn18Cr18N護環鋼固溶強化研究

牛廣斌，芮守泰，徐國濤，張建國

（天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457）

1Mn18Cr18N護環鋼固溶強化研究

牛廣斌，芮守泰，徐國濤，張建國

（天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457）

1Mn18Cr18N護環鋼熱處理過程中不發生相變，是單項奧氏體，所以鍛造時產生的碳化物只能通過固溶處理進入奧氏體。利用小試樣模擬試驗，在1050℃進行固溶處理，通過三種不同冷卻方式分析其對力學性能、組織、析出物的影響，得出在水冷（水循環良好）條件下的綜合力學性能良好，兼具較低的屈服強度和較好的韌性。

1Mn18Cr18N鋼；護環；固溶處理；強化

護環應具備足夠高的強度和良好的塑性與韌性，并且在高強度的前提下有一定的屈強比[1]。對于功率在300MW以上的大型電機來說，護環的屈服強度均在1000MPa以上。此外，護環在強磁場環境下工作，工作過程中易產生漏磁和渦流熱等損耗，為減少這些損耗，提高發電機效率，護環必須采用低導磁率單相奧氏體無磁鋼制造。由于奧氏體無磁鋼從高溫降至低溫時不發生相變，所以不能用常規的熱處理方法使其達到所要求的強度指標，只能采用冷變形強化的方法（鋼在再結晶溫度以下進行變形時，會產生加工硬化，使其屈服極限提高）來達到提高其力學性能的目的[2]。目前國際上主要采用1Mn18Cr18N鋼作為護環的主要材質，由于該護環鋼熱處理過程中不發生相變，是單項奧氏體，為得到穩定、均勻的奧氏體，從而保證冷變形強化的順利進行，對其進行固溶處理。把碳以固溶狀態的奧氏體組織進行快速冷卻保留到室溫，以提高材料的塑性、韌性和耐蝕性。利用小試樣模擬試驗，在1050℃對小試樣進行固溶處理，通過三種不同冷卻方式分析其對力學性能、組織、析出物的影響。

1 試驗材料及方法

試驗所用Mn18Cr18鋼采用電渣錠冶煉，經熱鍛后對其進行取樣。其晶粒度及化學成分如表1所示。

表1 試驗用試樣的晶粒度及化學成分/（%，質量分數）

對試樣進行如圖1所示的曲線固溶處理。固溶溫度參照相關經驗選取1050℃[3-4]。主要研究在不同冷卻條件下Mn18Cr18鋼晶界處碳化物析出對塑性的影響，小試樣模擬對應護環鍛件不同的冷卻條件。三種曲線對應護環鍛件三種冷卻條件：曲線1對應水冷條件下材料的塑性潛力（理想固溶條件下材料塑性）；曲線2對應?160mm有效截面鍛件水循環冷卻表面；曲線3對應?160mm有效截面鍛件浸水（無水循環）表面。

圖1 小試樣三種不同條件加熱冷卻曲線

通過實驗得到上述冷卻條件下材料性能及組織、析出物對比，其中力學性能拉伸試驗，采用室溫拉伸及100℃拉伸兩種方式，為后續冷變形提供數據支持。

2 試驗結果及討論

2.1 力學性能對比

從表2可以發現，在三種不同的冷卻條件下，室溫強度差別不明顯，韌性指標均良好，隨著冷卻速度變慢，沖擊功呈下降趨勢。在100℃實驗條件下屈服強度差別較大，在水循環冷卻條件下（曲線2），屈服強度最低。

表2 三種不同冷卻條件下的力學性能

從圖2可以清楚地發現，在浸水（水不循環）條件下（對應曲線 3），試樣的硬度值明顯升高，同時沖擊韌性下降較為明顯。結合表2中100℃拉伸試驗結果，可以總結出在水冷（水循環良好）條件下的綜合力學性能最為理想，兼具較低的屈服強度和較好的韌性，同時硬度最低，是可以滿足護環脹形的熱處理條件。

表3 三種不同冷卻條件下的室溫布氏硬度

圖2 三種不同冷卻條件下的室溫沖擊功及硬度變化情況

2.2 組織及晶界處析出物分析

對三種不同冷卻條件下的試樣進行了組織及析出物分析，結果如表4所示。

表4 三種不同冷卻條件下的金相組織及晶粒度

三種冷卻條件下組織及晶粒度均相同，由此可見，固溶處理對晶粒度幾乎沒有影響。如圖3所示。

從圖4可以觀察到在理想冷卻條件下（曲線1），晶內和晶界處幾乎沒有析出物。在水循環良好冷卻條件下（曲線2），晶內及晶界處均有少量析出物。在水不循環冷卻條件下（曲線3），晶內及晶界處析出物增多。但是從析出物的尺寸分析可以發現，析出物非常細小，只有數微米。對晶界處析出物進行能譜分析，如圖5所示，晶界處析出物可以定性為碳化物。

圖3 三種不同冷卻條件下試樣金相

圖4 三種不同冷卻條件下試樣的掃描電鏡照片

圖5 晶界處析出物能譜分析結果

在水不循環冷卻條件下（曲線3），晶界處碳化物析出增加是導致硬度上升和沖擊功下降的主要影響因素，見圖2。綜上，護環在良好水循環冷卻條件下即可保證得到單一的奧氏體組織，同時能夠有效抑制晶界處碳化物析出。

3 結論

1Mn18Cr18N護環鋼在良好水循環冷卻條件下即可保證得到單一的奧氏體組織，此時其綜合力學性能最為理想，兼具較低的屈服強度和較好的韌性，同時硬度最低，是可以滿足護環脹形的熱處理條件。1Mn18Cr18N護環鋼進行固溶后其強度降低不大，塑性提高，能夠為冷變形提供良好的基礎性能，經冷變形后才能達到技術標準的性能要求。

[1]周維志，孫曉潔，李子凌，等.奧氏體護環鋼的發展歷程[J].大型鑄鍛件，1999，（4）：43-45.

[2]楊 兵，曲東方，郭寶強，等.600MW 1Mn18Cr18N護環的制造[J].大型鑄鍛件，2010，（6）：31-34.

[3]趙俊民.1Mn18Cr18N鋼無磁性護環鍛件的試制[J].大型鑄鍛件，2010，（1）：27-29.

[4]李榮紅.30MW護環的制造工藝研究 [J].金屬加工，2012，（19）：52-53.

Study on solid solution strengthening process of 1Mn18Cr18Nretaining ring steel

NIU Guangbin，RUI Shoutai，XU Guotao，ZHANG Jianguo
（Tianjin Heavy Industries Co.,Ltd.,Tianjin 300457,China）

Since 1Mn18Cr18N retaining ring steeldoesn't have phase transformation during the heat treatment,which is single austenite,the carbide produced by forging can only go into austenite by solid solution treatment.By use of small sample simulation test,the solution treatment has been conducted at 1050℃;three different kinds of cooling way have been adopted to analyze its influence to mechanical performance,organization and precipitates.It is obtained that the comprehensive mechanical propertyis good under the condition of water cooling(when water cycle is good)with low yield strength and good toughness.

1Mn18Cr18N steel;Retaining ring;Solution treatment

TG317

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.029

1672-0121（2017）04-0098-03

2017-03-22；

2017-05-08

牛廣斌（1985-），男，碩士，工程師，從事電站大鍛件鍛造工藝研究。E-mail：ngbiai-9@163.com