高中壓轉子是汽輪發電機組中的關鍵零件，其工作條件十分惡劣，長期在高溫高壓條件下工作，需要在傳遞扭矩時承受各種應力和因自重產生的彎矩，此外還要承受因非正常停機時產生巨大的瞬時沖擊。因此要求其要具有很高的綜合機械性能，即要有高的室溫和高溫強度，良好的塑韌性以及低的脆性轉變溫度（即FATT）。
1.問題引出
B12N-S為耐熱高強鋼，它與我們常見的汽輪機高中壓轉子用鋼30Cr1Mo1V的化學成分相似，調質后具有很高的高溫強度和韌性，是制造汽輪機高中壓轉子的良好材料。其化學成分如表1所示。
表1 B12N-S鋼的化學成分（%）
C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | V | Al |
0.23 ~0..33 | ≤ 0.35 | 0.35~ 0.85 | ≤ 0.020 | ≤ 0.020 | 1.00 ~1.50 | 0.40 ~0.80 | 1.00 ~1.30 | 0.25 ~.0.35 | ≤ 0.015 |
我公司為國內某廠生產的汽輪機高中壓轉子鍛件（尺寸輪廓見圖1）就是選用此材質，其制造及驗收標準采用的是法國阿爾斯通標準。該標準與國內同類產品標準和美國西屋標準相比較，除了同樣要求獲得所需的高溫性能外，還要求得到較高的沖擊韌性和較低的脆性轉變溫度。阿爾斯通、西屋和JB/T93標準的性能要求如表2所示。
圖1 工件初加工尺寸輪廓
表2 阿爾斯通、西屋和JB/T8707-1998標準力學性能
取樣位置 | σ0.2 /Mpa | σb /Mpa | δ5 （%） | ψ （%） | akv /J | FATT50 /℃ | |
阿爾斯通 | 縱切向 | ≥590 | 735~900 | ≥14 | ≥45 | ≥25 | ≤80 |
中心 | ≥560 | ≥700 | 參考 | 參考 | ≥25 | ≤100 | |
西屋JB/T8707-1998 | 縱徑向 | 590~690 | ≥720 | ≥15 | ≥40 | ≥8 | ≤116 |
中心 | ≥550 | ≥690 | ≥15 | ≥40 | ≥7 | ≤121 |
起初，我們按照常規熱處理工藝對B12N-S轉子鍛件進行調質處理，工藝曲線如圖2所示。調質后經檢驗，該轉子的沖擊韌性和脆性轉變溫度大大低于該標準的要求；隨后又提高回火溫度進行補充回火，回火后檢驗發現，除強度下降了以外，沖擊韌性和脆性轉變溫度仍無明顯改善。常規調質及補充回火機械性能如表3所示。
圖2 常規汽輪機高中壓調質工藝曲線
表3 常規調質和補充回火后機械性能結果
取樣位置 | σ0.2 /Mpa | σb /Mpa | δ5 （%） | ψ （%） | akv /J | FATT50 /℃ | |
常規調質 | A D E B | 645 665 655 655 | 780 805 790 785 | 19.0 18.5 19.0 20.5 | 62.5 61.0 59.5 65.5 | 20 23 16 15 16 9 12 21 20 14 19 12 | 93.6 |
補充回火 | A D E B | 600 625 635 630 | 755 780 780 765 | 19.5 18.5 19.5 19.0 | 64.0 57.5 58.0 62.5 | 25 17 17 18 15 21 20 17 18 17 20 20 | 87.1 |
由表2、表3可以看出阿爾斯通標準對材料的韌性要求和脆性轉變溫度已經達到了材料的極限。盡管隨后又重新退火細化晶粒進行正常調質，但沖擊性能仍無法得到改善。從而使產品由于沖擊韌性和FATT50達不到性能要求而無法正常交貨。為此我們對一些影響B12N-S鋼沖擊韌性和脆性轉變溫度等因素進行了一系列的分析研究，并在此基礎上制定了新的生產工藝，取得了良好的效果，達到了阿爾斯通標準的要求。
2.分析研究
我們知道影響材料沖擊韌性的因素很多，化學成分中雜質元素的多少也是其中之一。為了便于研究，我們從工件水、冒口兩端各套取一塊試料作化學成分分析，結果如表4所示。
表4 B12N-S鋼轉子鍛件化學成分（%）
C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | V | Al | |
水口 | 0.27 | 0.22 | 0.63 | 0.006 | 0.002 | 1.24 | 0.55 | 1.11 | 0.26 | 0.002 |
冒口 | 0.28 | 0.23 | 0.62 | 0.007 | 0.003 | 1.24 | 0.55 | 1.10 | 0.26 | 0.004 |
從表2中我們可以發現該標準對有害元素P和S的控制范圍較寬，這使得工件中的P含量較高（見表4）。由于P對材料有脆化效應，從而造成了沖擊韌性的降低。經采用電子顯微鏡觀察，證實了晶界處存在析出物，致使晶界弱化而導致沖擊韌性降低，脆性轉變溫度升高。在Cr-Mo-V鋼種中有一些表面活性元素如S、P、As、Sn、Sb等有向界面偏聚的傾向；在一定條件下，鋼中含量僅為幾十個ppm的一些有害元素在晶界出偏聚后，偏聚處的含量比其平均成分可增加數萬倍乃至幾十萬倍。因而極大的改變了界面的化學成分和組織結構，從而使晶界性能大為改變。
從圖3中我們可以看出在有害元素中P對沖擊韌性和脆性轉溫度的影響是最大的。所以如何解決P在晶界處析出而產生的脆性問題就至關重要。通過我公司技術人員大量的實驗研究，發現適當地降低淬火溫度能在不損失持久強度的情況下，有效遏制P對材料的脆化效應。因為降低淬火溫度在一定程度上能細化晶粒，增加晶界面積，減小P的偏析濃度，這樣就降低了P對晶界的弱化能力，從而使材料的沖擊韌性和FATT得到改善。
圖3 合金元素對鋼的脆性轉變溫度的影響
雖然通過降低淬火溫度在一定程度上遏制了P對材料的脆化效應，但還不足以充分發掘出B12N-S鋼的韌性潛力，為此我們還進行了下面的研究。眾所周知，淬火時提高冷卻速度可降低脆性轉變溫度，從而改善斷裂韌性。隨著真空技術的普遍應用，冶金質量不斷提高，一些高中壓轉子已開始采用水淬油冷的方式淬火。
有資料表明，原蘇聯烏拉爾重機廠很早就對25Cr1Mo1VA鋼的高中壓轉子的淬火冷卻方式改為水—空反復間歇冷卻，使轉子表面達到貝氏體轉變溫度，而后油冷至200℃以下。與正火油冷的高中壓轉子相比，表面區的強度和塑性并無區別，但表面沖擊韌性要好很多，這為我們的研究和工藝改進指出了一個方向。淬火時貝氏體的形成溫度越低，貝氏體的晶粒越小，所以強度和沖擊韌性也就越好。
據此，我們利用水在高溫區有較強的冷卻能力，使轉子鍛件表面迅速達到貝氏體轉變溫度；而油在低溫區有緩和的冷卻速度，達到了接近理想冷卻介質的冷卻特性，使得鋼在較理想的狀態下等溫淬火；從而使奧氏體組織能迅速充分地轉變為較為細小的貝氏體組織，一方面降低了P對晶界的弱化能力，同時還減少了鐵素體和珠光體的析出，從而提高了鋼的強度和韌性。經高溫回火后，鋼的沖擊韌性得到了顯著提高，脆性轉變溫度也得到了改善。
3.工藝改進
根據以上的分析研究，我們對B12N-S鋼高中壓轉子鍛件的調質工藝進行了改進，改進后工藝曲線如圖4所示。
圖4 改進后B12N-S鋼高中壓轉子調質工藝曲線
工藝改進后，經檢驗性能結果均達到了阿爾斯通標準的技術要求，尤其是沖擊韌性和FATT得到了顯著的改善。改進后工藝的性能結果如表5所示。隨后我們將改進后的熱處理調質工藝運用到生產中，生產了多件按阿爾斯通標準驗收的汽輪機高中壓轉子鍛件，性能結果均能滿足標準要求，獲得了成功。
表5 改進工藝后工件性能結果
取樣位置 | σ0.2 /Mpa | σb /Mpa | δ5 （%） | ψ （%） | akv /J | FATT50 /℃ | |
改進后 | A D E B | 680 665 675 665 | 815 805 790 810 | 21.0 21.5 21.5 22.0 | 64.0 67.5 68.0 69.5 | 78 91 121 80 84 97 105 123 81 90 82 79 | 19.4 |
通過對B12N-S鋼的研究，我們充分發掘了材質的潛力，并在提高B12N-S鋼高中壓轉子的沖擊韌性和降低脆性轉變溫度方面積累了一些經驗，對今后的生產有一定的指導作用。
4.結語
（1）在不犧牲高溫性能的情況下，適當降低淬火溫度能有效遏制P對材料的脆化效應，從而改善材質的沖擊韌性。
（2）淬火時將油冷改為水淬油冷，提高了冷卻能力，促進了貝氏體組織快速充分地轉變，能有效提高B12N-S鋼的沖擊韌性和降低鋼的FATT。
（3）細化晶粒也可使B12N-S鋼的沖擊韌性有所提高。
來源：熱處理生態圈
作者：陳洪、穆傳友
單位：中國一重軋電事業部
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
