風(fēng)電法蘭用鋼低溫沖擊韌度不均勻性原因分析

王啟丞

(鋼鐵研究總院華東分院， 江蘇 淮安 223000)

引 言

風(fēng)能作為一種清潔的再生資源，越來(lái)越受到人們的重視。在全球?qū)孙L(fēng)險(xiǎn)的謹(jǐn)慎下，潔凈的經(jīng)濟(jì)性、可再生的新能源——風(fēng)電將具備更廣闊的發(fā)展前景，風(fēng)電用鋼的需求增長(zhǎng)也將大幅凸現(xiàn)。風(fēng)電法蘭是風(fēng)電機(jī)組的重要部件，風(fēng)電法蘭一旦損壞，整個(gè)機(jī)器的維修是非常昂貴的，且有可能報(bào)廢。風(fēng)電機(jī)在低溫環(huán)境下工作，為了保證機(jī)器正常運(yùn)行，要求法蘭具有一定的低溫抗脆性破斷能力。過(guò)去風(fēng)電法蘭用鋼采用的是模鑄工藝生產(chǎn)的鋼錠，但用模鑄方法生產(chǎn)的鋼錠制造風(fēng)電法蘭成材率只有70%[1]，所以現(xiàn)在許多廠家正研究采用連鑄方法生產(chǎn)風(fēng)電法蘭用鋼。但連鑄方法生產(chǎn)風(fēng)電法蘭用鋼的低溫沖擊韌性不均勻，高低差別很大。所以生產(chǎn)該鋼種的主要技術(shù)難點(diǎn)在力學(xué)性能的要求，尤其是低溫沖擊韌性的要求上。

1 風(fēng)電法蘭用鋼的主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 化學(xué)成分

風(fēng)電法蘭用鋼的化學(xué)成分控制標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，試驗(yàn)鋼化學(xué)成分如表2所示。試驗(yàn)生產(chǎn)的2爐鋼均符合風(fēng)電法蘭用鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 風(fēng)電法蘭用鋼的化學(xué)成分控制標(biāo)準(zhǔn)

表2 風(fēng)電法蘭試驗(yàn)鋼化學(xué)成分分析結(jié)果

1.2 低溫沖擊試驗(yàn)

風(fēng)電法蘭用鋼要求-50 ℃時(shí)的沖擊值大于等于60 J。本試驗(yàn)每爐取10塊試樣，做低溫-50 ℃時(shí)的沖擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

從表3中看出兩爐試樣的沖擊值非常不均勻，其中1#爐沖擊值最小值為19 J，有2塊不合格；2#爐低溫沖擊值最小值為25 J，也有2個(gè)不合格。

表3 -50 ℃時(shí)的沖擊功試驗(yàn)結(jié)果

2 風(fēng)電法蘭用鋼的沖擊值不均勻的影響因素分析

2.1 斷口分析

圖1分別為沖擊值19 J和181 J試樣的宏觀斷口形貌，沖擊值越大斷口塑性變形越大，斷口的塑性區(qū)(纖維區(qū)+剪切唇區(qū))面積也增大。從沖擊試樣的斷口看，無(wú)異常斷口，斷口的放射區(qū)為解理斷口，塑性區(qū)為韌窩狀斷口，如圖2所示。

圖1 不同沖擊功試樣宏觀斷口形貌

圖2 沖擊試樣微觀斷口形貌

2.2 金相分析

2.2.1 帶狀組織分析

1#爐的不合格試樣的帶狀組織為2.5級(jí)，合格試樣的帶狀組織為1級(jí)，如圖3所示；同樣2#爐的不合格試樣的帶狀組織為2.5級(jí)，合格試樣的帶狀組織為1級(jí)，如圖4所示。

圖3 1#爐不同沖擊值試樣組織形態(tài)

圖4 2#爐不同沖擊值試樣組織形態(tài)

2.2.2 夾雜物分析

在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行夾雜物檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沖擊功值小的試樣傳統(tǒng)型夾雜物級(jí)別為A1.0，B0.5，C0，D0.5，DS0。沖擊功值大的試樣夾雜物級(jí)別為A0.5，B0.5，C0，D1.0，DS0。各試樣傳統(tǒng)型夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。但發(fā)現(xiàn)試樣中碳氮化物的數(shù)量是影響沖擊功大小的主要因素，圖5是兩爐試樣的沖擊功與試樣中碳氮化物的關(guān)系圖，可以看出兩爐鋼中均為沖擊功值小的試樣碳氮化物較多，且隨著沖擊值的降低，碳氮化物明顯增多，而沖擊值較高的(沖擊值218)試樣中未發(fā)現(xiàn)有碳氮化物，這些碳氮化物經(jīng)能譜分析主要為Nb(N，C)或Ti(N，C)等，如圖6(a)所示，以及以AlN形核的Nb(N，C)或Ti(N，C)，如圖6(b)所示，這些顆粒中Ti的含量很高。還有一些是(Ti，Nb)C，這些顆粒中Nb的含量較高，如圖6(c)所示，大的碳氮化物尺寸約20 μm。沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大顆粒的釩的碳氮化物。

圖5 試樣沖擊功與碳氮化物的關(guān)系

圖6 碳氮化物夾雜形態(tài)及能譜結(jié)果

3 分析討論

通過(guò)以上各試樣的分析可知，隨著沖擊功的逐漸減小，斷裂由韌窩斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫頂嗔眩此苄皂g窩區(qū)面積逐漸減少，韌脆轉(zhuǎn)變溫度逐漸提高，未發(fā)現(xiàn)異常斷口。

通過(guò)對(duì)以上兩爐不同沖擊值大小的試樣分析發(fā)現(xiàn)，造成沖擊值偏低的原因主要是大塊狀的Nb(N，C)或Ti(N，C)等的析出，其次是帶狀組織的影響。

帶狀組織中相鄰帶的顯微組織不同，性能也不相同，并具有明顯的各向異性，從而造成力學(xué)性能降低，所以它對(duì)沖擊性能也有一定的影響的。

大顆粒的Nb(N，C)和Ti(N，C)及(Ti，Nb)C的存在的影響，這些較大的共晶碳氮化物顆粒是在鑄造過(guò)程中的鋼液中形成的，在均熱后仍保持未溶狀態(tài)，只能以大顆粒夾雜物的形態(tài)存在。使材料的塑性降低，促進(jìn)了裂紋產(chǎn)生及裂紋的加速擴(kuò)展，造成低溫沖擊功降低。

Ti是強(qiáng)碳化物形成元素，在鋼中主要起細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化的作用，Ti含量高不利于鋼的塑性和韌性，尤其是形成大塊Ti(N，C)夾雜時(shí)，將嚴(yán)重惡化鋼的沖擊韌性[2]，而且TiC的析出對(duì)溫度和冷速較敏感，容易造成不同批次鋼材或同一批次鋼材不同部位的力學(xué)性能的波動(dòng)，故在滿足強(qiáng)度要求下要盡量降低Ti含量[3]。

在所有的微合金元素中，Nb的晶粒細(xì)化作用最大，可產(chǎn)生明顯的晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化作用。微合金化元素Nb、V等碳氮化物在奧氏體和鐵素體的析出過(guò)程可有效的控制變形奧氏體再結(jié)晶過(guò)程或防止再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，從而在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時(shí)細(xì)化成核，得到細(xì)小的鐵素體晶粒，鋼中加入一定量的Nb元素，大大提高奧氏體晶粒粗化溫度，但是大塊狀的Nb(N，C)的析出將嚴(yán)重影響鋼的沖擊韌性。另外微合金元素的強(qiáng)化效果與其晶格常數(shù)大小有關(guān)，Nb(N，C)的晶格常數(shù)與鐵素體晶格常數(shù)差異較大，因此Nb(N，C)析出強(qiáng)化效果較高，此外當(dāng)溫度降低到奧氏體→鐵素體相變溫度，NbC在界面上形成，其周?chē)膴W氏體先貧碳，促進(jìn)鐵素體向兩個(gè)垂直的方向長(zhǎng)大，同時(shí)碳原子向奧氏體側(cè)內(nèi)富集，孕育新的NbC粒子形成，形成微細(xì)的纖維狀的鐵素體與碳化物相間沉淀，這種組織有強(qiáng)化能力，但對(duì)韌性不利[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的組織、夾雜物、化學(xué)成分的分析比較得出：1)控制C、Si含量，使珠光體的含量降低，以提高鋼的韌性和塑性。2)采用低過(guò)熱度澆注，降低拉速，減少柱狀晶區(qū)，以減輕帶狀組織。3)控制N含量在60×10-6以下，以降低氮化物的析出。4)降低Ti、Nb的含量。