一種微合金化0Cr13Ni4Mo不銹鋼的相圖及臨界轉變溫度研究

王振華 孫淑華 張亞才 呂知清

(1.燕山大學機械工程學院， 河北066004；2.燕山大學理學院， 河北066004；3.中國第一重型機械集團股份公司， 黑龍江151042)

0Cr13Ni4Mo鋼因具有良好的鑄造性能和焊接性能以及優異的力學性能和耐蝕性能，被廣泛用于制造能源、化工和軍事航天領域的大型結構件[1,2]。目前國內普遍采用0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼制造三峽、葛洲壩電站等大型水輪機轉輪及葉片[3]，但近十幾年大型水輪機轉輪在運行中發生多起開裂事故，而且一般為運行過程中在焊接接頭處產生疲勞裂紋，這與焊接應力未徹底消除有很大關系。因此，如何提高0Cr13Ni4Mo鋼的Ac1溫度，擴大葉片焊后去應力退火[4]溫度范圍而又不降低其強韌性，對于消除焊接接頭疲勞裂紋具有重要意義。

本文對一種V、N微合金化的0Cr13Ni4Mo鋼的相圖與臨界轉變溫度進行理論計算與實驗研究，為新型水輪機轉輪及葉片用不銹鋼的焊接及熱處理工藝的優化提供理論依據。

1 試驗材料和方法

試驗所用V、N微合金化0Cr13Ni4Mo鋼由25 kg真空感應爐冶煉而成，采用真空澆注方法鑄成試驗鋼錠，其化學成分(質量分數，%)為：C 0.025，Cr 12.6，Mn 0.36，Ni 3.59，Si 0.14，Mo 0.67，V 0.16，N 0.042，P 0.024及S 0.018，其余為Fe。

試驗用鋼的偽二元平衡相圖用Thermo-Calc軟件P版本計算，采用TCFE2(TCS Steel/Fe-alloys database, v2)數據庫，平衡相摩爾分數與平衡相組成的計算也用該數據庫。

試驗用鋼的臨界轉變溫度在STA449C型熱分析儀上測定，試樣尺寸為3 mm×3mm×3 mm，試樣以200℃/h的速度從20℃升溫至1 200℃。

2 試驗結果和討論

2.1 偽二元平衡相圖

通過熱力學計算獲得的V、N微合金化0Cr13Ni4Mo鋼的偽二元平衡相圖如圖1所示。圖中標出了各個相區的平衡相組成，豎虛線對應著實際C含量(0.025%)，圖右側為每個平衡相轉變溫度的理論值。從圖1可以看出，試驗用鋼的液相線為1 490 ℃，高于此溫度為單相液相區；溫度低于1 490 ℃后δ-鐵素體開始從液相中析出，低于1 460 ℃后，液相完全消失，進入單相δ-鐵素體區；γ相開始從δ-鐵素體中析出的溫度為1 421 ℃，到1 230 ℃，δ鐵素體轉變完全，進入γ單相區；溫度降低到1 010 ℃，VN開始從γ相中析出，而M23C6相在804 ℃開始析出，α-鐵素體的析出溫度為759 ℃；當溫度下降至702 ℃時，Cr2N開始析出，最后σ相在溫度降低到485 ℃時開始析出。此時，微合金化0Cr13Ni4Mo鋼的平衡組織為γ+VN+M23C6+α+Cr2N+σ。

圖1 微合金化0Cr13Ni4Mo鋼的偽二元平衡相圖Figure 1 Pseudo binary equilibrium phase diagram for the microalloyed 0Cr13Ni4Mo steel

2.2 冷卻過程中各相摩爾分數隨溫度的變化

圖2(a)為不同溫度下微合金化0Cr13Ni4Mo鋼中γ相占整個體系摩爾分數的計算結果。可以看出，γ相在1 421℃開始從δ相中析出，并且在1 230℃時，摩爾分數達到1。當溫度下降到1 010℃時，由于VN的析出，使γ相摩爾分數略有下降(圖中并不明顯)。在804 ℃，有少量的M23C6析出，也導致γ相摩爾分數有所下降。當溫度下降到759℃時，其摩爾分數開始大幅度下降，是因為此時從γ中大量析出α-鐵素體。當溫度低于570 ℃后，其摩爾分數隨溫度的變化不太明顯。因此，可以近似認為570 ℃為微合金化0Cr13Ni4Mo鋼的A1溫度。

圖2(b)為不同溫度下微合金化0Cr13Ni4Mo鋼中VN相占整個體系摩爾分數的計算結果，同時標定出了各個臨界溫度點。可以看出，當溫度下降到1 010℃時，VN開始從γ相中析出，并且其摩爾分數隨溫度的降低明顯增加。在702℃以后VN相的摩爾分數便基本趨于穩定。

圖3(a)給出了不同溫度下微合金化0Cr13Ni4Mo鋼中M23C6相占整個體系摩爾分數的計算結果。可以看出，M23C6在804℃開始析出，并且當溫度低于600℃后基本趨于穩定。

圖3(b)為不同溫度下微合金化0Cr13Ni4Mo鋼中α相占整個體系的摩爾分數計算結果。可以看出，α相在759℃時開始析出，其摩爾分數隨溫度降低逐漸增大。溫度降到約570℃左右，α相摩爾分數達到最大，這與圖2中的A1點一致。在479℃，由于σ的析出，α相的摩爾分數略有降低。

2.3 臨界轉變溫度的DSC測試結果

圖4為微合金化0Cr13Ni4Mo鋼在升溫時的DSC曲線，圖中標出了Ac1、Ac3和VN的溶解溫度。顯然，微合金化0Cr13Ni4Mo鋼實際加熱過程的DSC曲線和其平衡相圖基本一致。其中，Ac1比相圖計算中的高10℃(顯著高于文獻5中的553℃)，Ac3比相圖計算中約低29℃。VN的溶解溫度和相圖計算一致。

(a) γ相(b) VN相圖2 微合金化0Cr13Ni4Mo鋼中γ相及VN相的摩爾分數與溫度的關系Figure 2 Relationship between molar fraction and temperature of γ and VN for the microalloyed 0Cr13Ni4Mo steel

(a) M23C6相(b) α相圖3 微合金化0Cr13Ni4Mo鋼中M23C6相及α相的摩爾分數與溫度的關系Figure 3 Relationship between molar fraction and temperature of M23C6 and α for the microalloyed 0Cr13Ni4Mo steel

圖4 微合金化0Cr13Ni4Mo鋼升溫時的DSC曲線Figure 4 DSC curve of the microalloyed 0Cr13Ni4Mo steel during heating

3 結論

獲得了微合金化0Cr13Ni4Mo鋼的偽二元平衡相圖、平衡條件下各相的摩爾分數與溫度的關系曲線，試驗用0Cr13Ni4Mo鋼的Ac1溫度為580℃，比常規的0Cr13Ni4Mo鋼提高了近30℃，Ac3溫度為730℃，VN的析出溫度為1 010℃。

[1] 馬訊.熱處理對0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼組織和性能的影響.特殊鋼，1995，16(5)：19-22.

[2] Zou De-ning, Han Ying, Zhang Wei. Influence of tempering process on mechanical properties of 00Cr13Ni4Mo supermartensitic stainless steel. Journal of Iron and Steel Research, International. 2010，17(8)：50-54.

[3] 孫立斌，許慶彥，柳百成.ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼鑄件微觀組織實驗研究.鑄造，2002，51(12)：745-749.

[4] 馬永柱，秦斌，陳旭.氮合金化對馬氏體不銹鋼00Cr13Ni4Mo回火性能的影響.寶鋼技術，2010，2：35-39.

[5] 趙宗鼎，金淑荃，欒俊.0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼熱處理工藝研究.1992，1：16-26.