叶片用X20Cr13钢的热处理工艺研究.pdf

：＼：全：舍：舍!全：舍：全：金： 一试验研究～ 叶片用X20Crl3钢的热处理工艺研究 宋帆，方顺发，袁达，丁丽锋 (上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海 200240) 摘要：试验研究了影响X20Crl3叶片钢力学性能的相关热处理工艺参数。试验结果表明，若淬火温度偏 高，晶粒易粗化，导致冲击性能降低较多。该钢有明显的回火脆性，因此回火冷却速度应稍快，回火 时间应充分。该钢风冷淬火也能获得良好的综合力学性能。 关键词：淬火温度；淬火冷却；回火脆性；冲击试验温度 中图分类号：TG161 文献标识码：A 文章编号：1008—1690(2010)02—0054—006 Heat Treatment Process of X20 Cr13 Steel for Blade SONG Fan，FANG Shun—fa，YUAN Da，DING Li．feng (College of Materials Science and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，Sichuan) Abstract：For X2OCrl 3 steel used for blades，the related heat treatment process parameters affecting the mechanical properties were investigated．The results indicate that if the austenitizing temperature for hardening is on the high side，the grains of steel will be coarsened，thus resulting in appreciable reduction in impact toughness．X20Crl 3 steel is to be more quickly cooled from the tempering temperature because of its obvious temper britlleness and to be fully tempered．Even if the steel is cooled in forced air from an austenitizing temperature．its good combination of mechanical properties can still be obtained． Key words：austenitizing temperature for hardening；quenching；temper britlleness；impact test temperature X2OCrl3为马氏体不锈钢，主要用作汽轮机动、 静叶片。产品经近二年多的使用，对该材料的热处 理工艺参数摸索出了一定的规律。但由于各钢厂的 来料在内在质量和表面质量上存在一定的差异，热 处理后有时常温冲击性能不合格，表面细微裂纹淬 火后扩展，在后续机加工中无法加工出图样尺寸而 造成报废等现象。 为此，针对生产现状，有必要对影响X2OCrl3 钢热处理后性能不合格的主要原因进行研究，积累 相关数据，为改进、完善大生产的热处理工艺提供可 靠的依据。 1 技术要求 1．1 化学成分和力学性能要求(见表1、表2)。 表1 X2OOrl3钢的化学成分(质量分数。％) Table 1 Chemical composition of X20Cr1 3 steel(州％) 表2 X2OCrl3钢叶片的力学性能要求 Table 2 Mechanical property requirements for blades of X20Cr1 3 steel 1．2推荐的热处理工艺 淬火：950—1050 oC油冷或空冷；回火：>1650 ℃，空冷 。 收稿日期：2009—09-23 作者简介：宋帆(1964．)，女，上海市人，工程师，长期从事汽轮机金属材料热处理工艺研究工作。联系电 话：021—64358331 X3948，13818528508 ·54· 《热处理》 2010年第25卷第2期 1．3影响叶片性能不合格或报废的因素 淬火温度，淬火冷却方式，回火温度，回火冷 却方式，回火时间，力学性能试验温度和钢厂来料 表面质量状况等。 2 工艺试验 X2OCrl3钢的化学成分与我国传统钢种2Cr13 钢相似。此系列钢因含有大量的碳化物形成元素 铬，过冷奥氏体稳定性很大，使C曲线右移，大大降 低了马氏体转变点，因此临界淬火速度小，奥氏体化 后空冷即可获得马氏体组织 。 根据我公司有关2Crl3钢的长期实际生产经 验，若淬火温度偏低，组织中的碳化物得不到充分溶 解，往往使强度与冲击韧度偏低；若淬火温度较高， 则有可能因过热而使马氏体组织粗大，导致回火后 冲击韧度降低。 分析近二年多该钢的生产情况和推荐的热处理 工艺，有必要对相关的工艺参数进行对比试验。 2．1 工艺试验项目 (1)淬火温度对力学性能的影响； (2)油冷和空冷淬火时，力学性能的差异； (3)回火时间对力学性能的影响； (4)回火后缓冷对冲击性能的影响； (5)冲击试验温度对冲击值的影响。 2．2工艺试验 2．2．1原材料 试验所用原材料为某公司提供的棒料，规格为 30 1Tim×46 mm。质保书提供的原材料化学成分和 小试样力学性能见表3和表4，全部符合规范要求。 表3试验钢的化学成分(质量分数。％) Table 3 Chemical composition of steel used for test(wt％) 表4质保书提供的X20Crl3钢力学性能 Table 4 Mechanical properties fr0m quality guarantee letter for X2．0Crl 3 stee 2．2．2热处理工艺参数和试验结果 淬火温度取为980 oC和l 020℃，保温时问为 均温后30 rain，以确定淬火温度对冲击性能的影响； 在不同温度回火，回火时间均为3 h。 热处理工艺参数与钢的力学性能之间的关系列 于表5。 表5热处理工艺参数与力学性能间的关系 Table 5 Mechanical properties as a function of heat treatment process parameters for X20Cr3 stee 630 650 1 020℃油冷 670 690 710 730 852 1 013 16．0 57．3 815 966 17．6 54．4 771 941 18．0 57．4 749 917 18．0 57．7 703 880 18．2 57．8 657 849 18．0 61．4 l9，19，20 22，22，25 25．27．27 34．35．36 30，42，46 44．45．78 《热处理》 2010年第25卷第2期 l9．33 23．00 26．33 35．0o 39．33 55．67 306 302 285 282 272 266 3试验结果分析 从表5的试验结果看，屈服强度、断后伸长率、 断面收缩率全部符合规范要求；抗拉强度、冲击性 能、硬度有部分数值超出规范要求。对表5中的主 要工艺参数、试验结果分析如下。 3．1 从980 oC和1 020℃油淬的性能比较 从980 oC和1 020℃油淬，在不同温度回火后 的抗拉强度和冲击性能A (3个试样的平均值)见 图1。 从图1可以看出，980 oC油淬和1 020℃油淬的 抗拉强度前者稍低，但其冲击值提高较多。 试样经690 qC回火后的显微组织见图2。 ▲=== ． +Rm 980℃油冷 —＼ —‘ j ～ ——▲ 一 k 980℃油冷… 、1_ + l020℃油冷 + kv 1020℃油冷 ’ ： ： ： ．—／一 ： ／ 。 ．且一— 二一一一 ．_ r 毒 伯 是 回火温度／'C 图1 X20Cr1 3钢油淬后回火温度对抗拉强度和冲击性能的影响 Fig．1 Mechanical properties of X2OCrl3 steel oil—quenched from 980℃or 1 020℃and subsequently tempered at v~rious temperatures (a) (b) 图2油淬并于690℃回火后钢的显微组织x500 (a)980℃油冷；(b)1 020℃油冷 Fig．2 Microstructures of X2OCrl3 Steel quenched in oil and tempered at 690℃ ×500 (a)quenched from 980℃；(b)quenched from 1 020℃ 从图2的显微组织看，均为保持马氏体位相的回 l20。厂。 火索氏体，980℃油冷的晶粒度为8级，1 020 cI=油冷 I。 的晶粒度为4～5级。这种晶粒度的差异也是如图1 皇75ol二 所示1 020 oC油冷比980 oC油冷冲击值低的原因。 嚣600l一 3，2 980 oc和1 020℃空冷淬火的性能比较 4…50 J-… 由于钢厂来料的表面质量不理想，常常存在表 ㈨LⅢ． 面细微裂纹，叶片坯料经调质、机加工后发现裂纹扩0 展，无法加工出所需尺寸，不得不报废，造成很大经 济损失。为此，从X2OCrl3钢的特性看，只要大生 图3空 产中能规范操作，完全可以采用较为缓慢的冷却方 Fig．3 M 式淬火。980 oC和1 020℃空冷淬火后经不同温度 from 回火的钢的抗拉强度和冲击性能如图3所示。 锕 跫 回火温度／℃ 冷淬火后回火温度对抗拉强度和冲击性能的影响 echanieal properties of X2OCrl3 steel quenched in air 980℃or 1 020 oC and subsequently tempered at various temperatures ·56· 《热处理》 2010年第25卷第2期 瑚咖咖聊㈣伽湖 o 雠喂 从图3可以看出，980 oC空冷淬火与1 020℃空 冷淬火的钢的抗拉强度相当，但前者的冲击值明显 较高。 试样经690℃回火后的显微组织示于图4。由 图4可以看出，经不同温度空冷淬火的钢均为保持 马氏体位相的回火索氏体，980 oC空冷的晶粒度为9 级，1 020℃空冷的晶粒度为5级。同理，这也是图 3所示1 020 cIC空冷比980℃空冷冲击值低的原因。 从解决冲击性能不合格角度出发，无论油淬还 是空冷淬火，采用较低温度淬火其冲击性能均较好。 (a) (b) 图4 空冷淬火并于690℃回火后钢的显微组织x500 (a)980℃空冷；(b)1 020℃空冷 Hg．4 Microstructures of X2OCrl3 steel quenched in air and subsequently tempered at 690 oC X 500 (a)quenched from 980℃；(b)quenched from 1 020℃ 3．3 980 oC油淬和空冷淬火的性能比较 为减少裂纹扩展深度，生产中宜采用较为缓慢的 淬火冷却方式。分别从980 oC油淬和空冷淬火并于 不同温度回火后钢的抗拉强度和冲击性能示于图5。 从图5中可以看出，980℃空冷淬火与980℃ 油淬比较，其抗拉强度不降低，但冲击性能有所降 低。在可以比较的650 oC～730℃回火温度范围 内，空冷淬火的冲击值大约降低20％。但无论油冷 还是空冷，650℃以上回火，冲击性能完全能达到规 范要求。 试样经690 cc回火后的显微组织见图6。 1200 1050 900 750 警 o0 羹45o 300 l5O O 160 140 120 O0墨 80止 60 40 20 0 回火温度／℃ 图5油淬与空冷淬火并回火后的性能比较 Fig．5 Mechanical properties of X2OCrl3 steel quenched in oil or air and subsequently tempered at various temperatures (a) (b) 图6从980℃空冷淬火与油冷淬火并于690℃回火后钢的显微组织x500 (a)空冷；(b)油冷 Fig．6 Microstructures of X2OCrl3 steel quenched from 980 oC and tempered at 690℃ ×500 (a)air—quenched；(b)oil—quenched 980℃空冷淬火和980 qC油淬的晶粒度为9级 和8级，无明显差异，但前者的冲击性能约低20％。 从以上结果看，叶片坯料从980 oC空冷淬火其 力学性能是完全可以达到标准要求的。 3．4淬火温度的影响 试样从不同温度空冷淬火并回火后钢的力学性 能见表6、图7。 由表6、图7可知，从1 000 qC以上温度淬火，在 《热处理》 2010年第25卷第2期 ·57· J2OO 1050 900 釜 0 量600 450 300 l50 0 ■—～ —●●一R1“ —口一 kv — 目一 —一 日—一 160 140 120 100{ 80走 60 40 20 O 9O 8O 7O 60 {50 4O 30 20 lO 。— ，-————～ ——————一 同火叫问／h 图9回火时间对力学性能的影响(98o℃空冷，700℃回火) 3．7 不同试验温度下的冲击值 Fig．9 Mechanical properties as a function oftempering duration 取大生产叶片坯料的余料，测定不同试验温度 at 700℃for X20Crl3 steel air—quenched from 980℃ 下的冲击性能，结果见表9、图1 1。 表8 回火后不同速度冷却的X2OCrl3钢的力学性能 Table 8 Mechanical properties of X2OCrl 3 steel cooled at different rates from tempering temperature 表9 不同试验温度下的冲击值／J Table 9 Values of absorbed energy from impact．tests at various temperatures for X2OCrl 3 steel／J 取不同试验温度下3个冲击值的平均值，作试样 编号为H761、H762和H883、H884 4个试样的冲击性 能趋势图，见图ll。从图ll可知，4个试样冲击值的 趋势基本一致：试验温度在23℃以上，冲击值开始有 提高的趋势，28 cIC以上提高的趋势较为明显。 4 结论 (1)X20Crl3钢叶片的淬火温度以1 000℃以 下为宜。 (2)空冷淬火叶片的性能完全可以达到要求， 在大生产装炉情况下，如冷速较慢，则影响冲击性 能，故采用风冷淬火较为合适。 (3)X20Crl3钢有回火脆性倾向，回火冷速应稍 快，风冷较为合适。 (4)回火时间应充分，回火5 h以上，钢的综合 力学性能较好。 (5)油淬后应力大，微裂纹扩展较深，应及时回 火；在保证满足力学性能要求的前提下，采用较为缓 慢的冷却方式(风冷)淬火是降低微裂纹扩展深度 的有效措施。 (6)X20Crl3钢对冲击试验温度较为敏感，取规 范中试验温度的上限较为有利。 35 30 25 20 15 —●r—H76l — H762 ／ H88] H884 —一一J L、～ > =：： ；彳 K ／。 ————— ／ ／ ／ - r— 试验温度／℃ 图1 1 试验温度对冲击性能的影响 Fig．1 1 Impact toughness as a function of impact test temperature for X20Cr1 3 steel 参考文献 [1]EN 10088-3：205 Stainless steels-Part 3：Technical delivery condi． tions for semi—finished products，bars，rods，wire，secions and bright products of corrosion resisting steel for general purposes[S]．2005． [2]徐州，姚寿山 材料加工原理[M]．北京：科学出版社，2003： 334-336． 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