高溫擴散對12Cr鋼第二相、夾雜物的影響

梁曉宇 蘇金虎 劉建生

(太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

發電機轉子是發電設備的心臟，很多轉子的惡性事故都是由于轉子用鋼的內裂紋引發的脆性斷裂引起的。裂紋是當前影響鍛造生產發展和鍛件質量的突出問題，也是鍛造行業研究討論的熱點、難點課題。隨著科技的進步、社會經濟的發展，新機器、新材料的廣泛應用，鍛造中的新問題也不斷涌現，比如高合金鋼應用逐年增多，鍛造裂紋頻發也進一步突現，有的已經成為制約鍛造生產發展的瓶頸，引起了鍛造廠家的普遍關注。12Cr鋼為低碳馬氏體高合金鋼，經常作為轉子鋼材料，所以有必要研究加熱溫度和保溫時間對它的第二相、夾雜物的影響規律，以便為解決工藝中斷裂問題提供理論支持[1，2]。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗材料為超臨界轉子鋼12Cr，其化學成分見表1。將試樣制成10 mm×10 mm×13 mm的規格，共42個。

1.2 熱處理方法

將試樣在高溫電阻爐內分別加熱到900℃、1 000℃、1 100℃、1 150℃、1 200℃、1 250℃，每個溫度下設7個不同的保溫時間：1 h、3 h、5 h、8 h、10 h、15 h、20 h。從爐中取出后迅速水冷。

表1 12Cr鋼的化學成分 (質量分數，%)Table 1 chemical composition of 12Cr steel ( mass fraction, %)

1.3 金相測試方法

將加熱保溫過的試樣依次研磨、拋光、洗凈、吹干，然后將試樣在電子光學顯微鏡下觀察夾雜并拍照。

磨制好的試樣用腐蝕劑腐蝕，腐蝕劑成分為：1 g高錳酸鉀與10%硫酸混合溶液100 ml。將配好的腐蝕劑水浴加熱到70℃左右，然后放入試樣，不停地攪動腐蝕劑。約80 s后，將試樣從腐蝕劑中取出放入過飽和的草酸溶液中洗凈，然后再用水洗凈，酒精擦拭，吹風機吹干。最后在電子光學顯微鏡下觀察其金相組織并拍照。

2 實驗結果與分析

2.1 夾雜物的溶解規律

圖1是幾張具有代表性夾雜的圖片。

對照《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》[3]，對不同溫度、不同保溫時間的夾雜照片進行評級，得到圖2所示的規律。

用熱模擬機把?10 mm×121.5 mm的圓棒拉斷，用掃描電鏡觀察斷口，見圖3。韌窩中有球狀夾雜物，用能譜儀分析其成分，見圖4、圖5。

圖1 不同條件下的夾雜照片Figure 1 The inclusion pictures in different conditions

圖2 夾雜等級隨溫度和時間的變化規律Figure 2 The change rule of inclusion level with temperature and time

圖3 斷口掃描電鏡照片Figure 3 Fracture photograph by scanning electron microscope

圖4 圖3中1的成分Figure 4 The composition of 1 in the fig.3

根據以上檢驗結果可以得出以下結論：圖中夾雜物呈黑色，有帶角或圓形的，無規則分布；根據夾雜物的成分，可斷定此夾雜物為氧化鋁類；根據夾雜物的形狀及材料本身的性質可知所觀察到的都是D類夾雜物，即球狀氧化物類；夾雜物大小和等級并沒有隨加熱溫度及保溫時間的變化有明顯的變化規律；非金屬夾雜物破壞了鋼的基體的連續性，在靜載荷和動載荷的作用下，往往成為裂紋的起點[4]。

圖5 圖3中2的成分Figure 5 The composition of 2 in the fig.3

2.2 第二相的溶解規律

2.2.1 碳化物隨保溫時間的變化規律

圖6是在1 250℃，分別保溫1 h、3 h、5 h、10 h、15 h、20 h后，拍攝得到的金相照片。利用金相分析軟件MIAPS-M得到碳化物個數，規律如圖7。

圖6 不同保溫時間下的金相照片Figure 6 The pictures in different holding time

圖7 碳化物隨時間的變化規律Figure 7 The change rule of carbide with time

由此可以得出結論：在一定的加熱溫度下，隨著保溫時間的延長，碳化物(第二相)的個數在明顯地減少。

2.2.2 碳化物隨加熱溫度的變化規律

圖8是加熱溫度分別為900℃、1 000℃、1 100℃、1 150℃、1 200℃、1 250℃，保溫時間為10 h得到的金相照片(500倍)。利用金相分析軟件MIAPS-M得到碳化物個數，規律如圖9。

由此可得到下述結論：在一定的保溫時間下，隨著加熱溫度的升高，碳化物含量在明顯減少。

2.3 結果分析

(1) 12Cr鋼是低碳高鉻鋼，該鋼種雖然碳含量只有0.089%，但是由于含有大量的合金元素，這些元素抑制了碳原子的擴散，使得多數碳原子保留在基體中形成了馬氏體組織。淬火后大量碳元素未溶，主要以大塊碳化物和彌散的特殊碳化物的形式析出，沿晶界分布在基體上，這在圖片上多處可明顯看到。碳化物沿晶界呈網狀分布時割裂了基體，必須使其充分融解才能提高鋼基體中合金元素含量，提高其抗腐蝕性和力學性能[5]。

(2) 隨著奧氏體化溫度的升高，晶粒尺寸增大。在1 150℃以上淬火，發現組織中沿原奧氏體晶界有大量δ鐵素體析出，且隨著溫度升高，鐵素體的數量和尺寸也增加，對應的宏觀表現是在1 200℃和1 250℃淬火時，試樣表面用肉眼可以觀察到大量的淬火裂紋。裂紋產生的原因是組織中析出了大量的δ鐵素體，而鐵素體與奧氏體的線膨脹系數差別較大。

(3) 由于淬火作用大量奧氏體組織被保留下來，數量極多，約占總面積的10%～40%，造成組織極不均勻，這在圖片中也明顯看到[4]。

圖8 不同溫度下的金相照片Figure 8 The pictures in different tempreture

(4) 由于組織和碳化物的不均勻性問題造成了該材料脆性較大，易產生裂紋。在實際工藝上表現為工件探傷不合格，易斷裂等問題。

(5) 夾雜物(氧化鋁類)沒有隨加熱溫度及保溫時間而變化，說明它主要還是受力學變形影響。

圖9 碳化物隨溫度的變化規律Figure 9 The change rule of carbide with temperature

3 結論

(1) 在沒有變形量的條件下，只靠高溫擴散，夾雜物含量變化不明顯。

(2) 在一定的加熱溫度下，隨著保溫時間的延長，碳化物(第二相)含量逐漸減少。

(3) 在一定的保溫時間下，隨著加熱溫度的升高，碳化物(第二相)含量逐漸減少。

[1] 李欣，劉婧.12Cr超臨界轉子鋼裂紋愈合研究[J].材料開發與應用，2009，24(1)：50-55.

[2] 何文武，郭會光，劉建生.鍛造裂紋的分析與防治[J].鍛壓技術，2010，35(1)：16-19.

[3] GB/T 10561—2005.鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法[S].

[4] 崔忠.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業出版社，2000.129.

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