化學成分對ZG04Cr13Ni4Mo力學性能的影響研究

【摘 要】本文研究了化學成分對ZG 04Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼力學性能的影響，通過優化調整各合金元素的百分含量，從而得到良好的綜合力學性能和金相組織。

【關鍵詞】Nieq/Creq；力學性能

0.前言

ZG04Cr13Ni5Mo是目前已知的最合適制作水輪機葉片、上冠、下環等鑄件專用的馬氏體不銹鋼。隨機組容量的不斷增大，對水輪機用鋼的要求也不斷提高。在沒有發現更合適的水輪機轉輪應用材料之前，對提高ZG04Cr13Ni5Mo鋼的綜合力學性能的研究始終沒有停止過，其綜合力學性能得到不斷改善。本文旨在研究如何通過調整合金元素配比來提高ZG04Cr13Ni5Mo材料的綜合力學性能以滿足大容量機組的高要求。

1.試驗材料

試驗材料都是采用VOD精煉爐冶煉，然后將鋼水澆鑄成厚約60mm的鋼板備用，共準備了四組材料，四組材料化學成分如下：

表1 四組材料化學成分

2.試驗方法及試驗結果分析

試驗材料澆鑄成60×100×250mm試板后，統一編號，然后進行

1020℃～1040℃保溫1h空冷，630℃保溫2h空冷，600℃保溫2h爐冷熱處理，然后各組鋼板分別進行試樣機械加工及力學性能試驗。四組材料力學性能對比結果如下：

圖1

不同Nieq/Creq試樣的Rm，Rp0.2對照表，可以很明顯的看出，Nieq/Creq為0.409的材料Rm，Rp0.2力學性能較好。

圖2

不同Nieq/Creq試樣的斷面收縮率（Z）對照表，可以很明顯的看出，Nieq/Creq為0.409的材料斷面收縮率（Z）值高。

圖3

不同Nieq/Creq試樣進行力學性能后的伸長率（A）對照表，可以很明顯的看出，不同Nieq/Creq的材料伸長率（A）相差不大，主要集中在19～22之間。

圖 4

兩次回火后的金相組織，回火馬氏體與逆變奧氏體組織

本文Nieq/Creq計算公式：

Nieq=Ni+0.5（Mn）+30（C）+25（N）+0.3（Cu）+（Co）

Creq=Cr+2（Si）+1.5（Mo）+5（V）+5.5（Al）+1.75（Nb）+1.5（Ti）+0.5（W）

各成分對材料性能的影響分析：

C是穩定奧氏體的元素，過高的C容易與Cr形成碳化物降低基體中的Cr含量，減小抗蝕能力，同時增加了焊接難度，因此建議C≤0.04%，最好能控制在0.03～0.04%范圍內。

Cr是不銹鋼中的抗腐蝕元素，Cr與O在鋼表面形成的鈍化膜具有強抗腐蝕作用，起到抗腐蝕作用的最低含量為12.0%。同時Cr是強鐵素體形成元素，如果Cr含量過高，則正火后將得不到全馬氏體組織而含有部分δ鐵素體，而δ鐵素體的存在影響鋼的熱塑性，降低鋼的強度并惡化鋼的沖擊性。因此，為平衡Nieq/Creq，建議Cr的最高含量為13.5%。

Ni是奧氏體穩定元素，為使奧氏體組織從1030℃±10℃冷卻到室溫后完全轉變為馬氏體，ZG04Cr13Ni4Mo中Ni要保持一定含量，因為Ni降低Ms點，如果Ni含量過多，Ms點太低，冷卻到室溫時會導致殘余奧氏體的出現，得不到全馬氏體組織，使回火后的強度降低，因此，建議Ni含量控制在3.8～4.5%之間，我們的試驗數據也說明了這一點。

Mo是鐵素體的形成元素，可提高鋼的淬透性和回火抗力，減少回火時馬氏體的分解，保持硬度。Cr與Mo配合使用時，抗點蝕能力更好，但是Mo含量過低起不到上述作用，因此建議Mo含量控制在0.4～0.6%。

Mn是擴大奧氏體區的元素，在鋼中Mn穩定奧氏體組織的能力僅次于Ni，是提高鋼的淬透性元素，可以通過Mn來調節Nieq/Creq，因此建議Mn含量≤1.0%。

Si是強烈的鐵素體形成元素，Si對提高鐵基、鎳基合金在氧化介質中的耐蝕性有明顯的作用，但是Si含量過高對焊接不利，因此建議Si≤0.6%。

3.結論

ZG 04Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼在保證鋼水純凈度的前提下，控制好P、S含量及鋼中的氣體含量，同時滿足C含量控制在0.03～0.04%之間，Ni含量控制在3.8～4.5%之間，Cr的最高含量為13.5%，Mo含量控制在0.4～0.6%，Mn含量≤1.0%，Si≤0.6%，Nieq/Creq控制在0.36～0.44之間，ZG 04Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼綜合力學性能較好，并且Nieq/Creq越接近0.44，ZG 04Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼力學性能越好。

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