25Cr2Ni3Mo鋼熱力學及相轉變計算

岳 猛 ，于 晃 ，馬煜林

(1.沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869； 2.沈陽大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110044)

25Cr2Ni3Mo鋼是根據鋼的合金化原理、考慮壓縮機轉子的制造特點以及在國外電站設備用鋼ASTMA-1100541No8等基礎上，適當調整 C、Cr、Mo、Ni等主要元素的含量設計并研制的[1]。25Cr2Ni3Mo鋼主要應用于壓縮機的葉輪、主軸以及緊固件等零件，因為具有一定含量的Ni元素，所以具有較好的低溫抗沖擊性能，在乙烯及丙烯壓縮機中有著較為廣泛的應用[2]。目前對于25Cr2Ni3Mo鋼的研究主要集中于材料的熱處理工藝[3-4]，對于鋼的熱力學及相變等方面研究較少，本文利用軟件JMatpro對25Cr2Ni3Mo鋼進行了熱力學和相轉變計算。

1 熱力學計算

25Cr2Ni3Mo鋼化學成分如表1所示。合金相圖如圖1所示，由圖可見，25Cr2Ni3Mo鋼奧氏體轉變開始溫度Ac1為620 ℃，奧氏體轉變結束溫度Ac3為750 ℃，溫度在700 ℃時，鐵素體和奧氏體各占50%。M7C3相在480 ℃以下時，含量較為平穩，約為1.5%左右；當溫度升高到480 ℃以上時，已存在的M7C3相與基體中合金元素形成M23C6型碳化物。M23C6相含量隨溫度的升高逐漸增加，在630 ℃時達到峰值，質量分數為4.68%，溫度繼續升高，M23C6相逐漸分解至完全溶解。

表1 25Cr2Ni3Mo鋼化學成分(質量分數，%)

圖1 25Cr2Ni3Mo鋼溫度-相組成圖Fig.1 Temperature-phase composition diagram of 25Cr2Ni3Mo steel

圖2為碳化物相中各元素含量變化曲線。由圖2(a)可見，在M7C3相中，M主要為Fe、Cr、Mn等元素，Fe元素在M7C3相中的含量隨溫度的升高而增多，Cr元素含量隨溫度的升高而減少，Mn元素在480 ℃時達到最高峰值，隨后降低。

由圖2(b)可見，在M23C6相中，M主要為Fe、Cr、Mo、Ni、Mn等元素，Cr元素含量隨溫度的升高而增多，Ni元素含量隨溫度的升高而減少，當溫度高于247 ℃時，Cr、Ni兩種元素變化量增大；Mo元素含量隨溫度的升高而減少，在630 ℃時達到最低值，隨后含量逐漸增大。

表2為25Cr2Ni3Mo鋼熱力學函數隨溫度變化的數值，其中比熱容在730 ℃左右出現峰值，然后又迅速下降，因為在此溫度下發生了奧氏體轉變。

(a)M7C3；(b) M23C6圖2 M7C3、M23C6相中各元素含量隨溫度變化曲線Fig.2 Change curves of element content with temperature in M7C3 and M23C6 phase

表2 25Cr2Ni3Mo鋼熱力學函數隨溫度變化值

2 相變的計算

2.1 TTT和CCT圖模擬計算

相變計算時，原始晶粒等級設置為7級，加熱溫度為860 ℃。TTT曲線是反映過冷奧氏體等溫冷卻時，轉變產物類型以及轉變量與時間、溫度之間的關系曲線 。由圖3可見，25Cr2Ni3Mo鋼在奧氏體化后，冷卻時向鐵素體轉變的開始溫度為747.3 ℃；向珠光體轉變的開始溫度為712.3 ℃；向貝氏體轉變的開始溫度為488.1 ℃；向馬氏體轉變的開始溫度為329.8 ℃，50%轉變量的溫度為294.5 ℃，90%轉變量的溫度為212.6 ℃。

在TTT曲線中有三個“鼻尖”，分別為鐵素體轉變、珠光體轉變以及貝氏體轉變。25Cr2Ni3Mo鋼在奧氏體冷卻時，首先發生鐵素體轉變，之后再發生共晶轉變析出珠光體。鐵素體“鼻尖”溫度為599 ℃，在此溫度恒溫持續2605.7 s后，開始發生鐵素體轉變。在此溫度恒溫持續2791.18 s后，開始發生珠光體轉變；恒溫持續1900 s時全部轉換成珠光體。貝氏體“鼻尖”轉變溫度為419 ℃，在此溫度持續保溫27.3 s后，發生貝氏體轉變，2855.98 s時全部轉換成貝氏體。

圖3 25Cr2Ni3Mo鋼TTT曲線Fig.3 TTT curves of 25Cr2Ni3Mo steel

25Cr2Ni3Mo鋼是轉子用鋼，其微觀組織對材料使用性能具有決定性作用[5]，組織調控方式為熱處理工藝的選擇。圖4為25Cr2Ni3Mo鋼CCT曲線，通過模擬結果可知，當冷卻速度在0.01～0.03 ℃·s-1時，隨著溫度的降低，奧氏體首先發生鐵素體轉變，然后發生珠光體和貝氏體轉變；當冷卻速度在0.03～2 ℃·s-1時，得到的基體組織為貝氏體，以及少量的馬氏體。結合模擬結果，若使25Cr2Ni3Mo鋼具有高硬度的性能，即想要獲得全部馬氏體組織，最小臨界冷卻速度為30 ℃·s-1。表3為不同冷卻速度對淬火力學性能及相組織含量的影響。

2.2 再奧氏體化計算

工件加熱溫度達到A3或A1以上，使常溫下的鐵素體和滲碳體再轉變回奧氏體稱為再奧氏體化[6]。再奧氏體化要經過形核、長大、滲碳體溶解及奧氏體成分均勻化[7]。25Cr2Ni3Mo鋼是一種合金鋼，合金含量直接影響材料的完全奧氏體化溫度和保溫時間。經過模擬計算25Cr2Ni3Mo鋼在奧氏體化時加熱速度為2 ℃·s-1，加熱溫度為860 ℃，保溫時間為3600 s，計算結果如圖5和圖6所示。25Cr2Ni3Mo鋼奧氏體均勻化溫度為857 ℃，經過保溫 416 s后奧氏體全部均勻化。

圖4 25Cr2Ni3Mo鋼CCT曲線Fig.4 CCT curves of 25Cr2Ni3Mo steel

表3 不同冷卻速度時力學性能及相組織含量值

圖5 奧氏體化隨溫度變化曲線Fig.5 Change curves of austenitizing with temperature

圖6 奧氏體化隨時間變化曲線Fig.6 Change curves of austenitizing with time

3 結論

1)25Cr2Ni3Mo鋼奧氏體臨界轉變溫度Ac1為620 ℃，Ac3為750 ℃；奧氏體均勻化溫度為857 ℃，經過保溫 416 s后奧氏體全部均勻化。

2)25Cr2Ni3Mo鋼在奧氏體化后冷卻時向鐵素體轉變的開始溫度為747.3 ℃；向珠光體轉變的開始溫度為712.3 ℃；向貝氏體轉變的開始溫度為488.1 ℃；馬氏體開始轉變溫度為329.8 ℃，轉變結束溫度為212.6 ℃。

3)在25Cr2Ni3Mo鋼TTT曲線中有三個“鼻尖”，分別是鐵素體轉變、珠光體轉變及貝氏體轉變，獲得全部馬氏體的最小冷卻速度為30 ℃·s-1。