龔 虎 郭 楨 秦尚武 劉建生

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼中化學(xué)元素含量與淬火溫度關(guān)系的研究

龔 虎 郭 楨 秦尚武 劉建生

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

通過Jmat-Pro軟件模擬不同化學(xué)元素含量對12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼中鐵素體含量的影響，研究了鋼中6種化學(xué)元素與淬火溫度的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，利用MATLAB軟件建立了12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼中6種化學(xué)元素含量與淬火溫度之間的關(guān)系模型。

12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼；鐵素體；化學(xué)元素；淬火溫度

超超臨界轉(zhuǎn)子是發(fā)電設(shè)備中非常重要和關(guān)鍵的零部件之一，它的優(yōu)劣直接影響到發(fā)電設(shè)備的使用周期。火力發(fā)電機組的效率主要取決于機組的參數(shù)，即蒸汽壓力和溫度。機組參數(shù)越高，發(fā)電效率也越高。然而更高的溫度和壓力對材料的蠕變特性、抗氧化、抗疲勞等性能提出更為苛刻的要求[1]。12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼屬于典型的馬氏體耐熱鋼，是制造轉(zhuǎn)子鍛件的主要鋼種。在鍛造成形和熱處理過程中，溫度高于1150℃時會析出δ鐵素體，其硬度約為200HV，明顯低于馬氏體硬度，降低鋼的力學(xué)性能，尤其會顯著降低鋼的沖擊韌性，造成鋼的脆化，降低抗拉強度和屈服強度，縮短轉(zhuǎn)子的使用周期[2-3]。因此，在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)當(dāng)盡量降低或者避免鐵素體的出現(xiàn)。

本文基于Jmat-Pro軟件對不同化學(xué)元素含量的12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼進(jìn)行模擬，研究了不同化學(xué)元素含量對12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼中鐵素體含量的影響，建立了12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼中化學(xué)元素含量與淬火溫度之間的關(guān)系模型，為轉(zhuǎn)子鍛件的熱加工工藝提供了理論依據(jù)。

1 實驗材料與方法

實驗材料為12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼，其化學(xué)成分要求如表1所示。

由表1可以看出，12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼中的化學(xué)元素均在一定的范圍內(nèi)變化。根據(jù)這些化學(xué)元素對12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼的影響[4]，選取不同C、Cr、Co、Ni、V和W元素的含量，分析其對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響。

當(dāng)下計算機模擬分析技術(shù)日趨成熟穩(wěn)定，減少了試驗過程操作的繁瑣。本文利用JMat-Pro軟件模擬分析不同化學(xué)元素含量對12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼中鐵素體含量的影響，然后利用數(shù)值分析軟件MATLAB對所得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸，從而確定12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼的淬火溫度區(qū)間。

JMat-Pro模擬分析時采用單一變量原則來確定，即在選取的6種化學(xué)元素中，改變一種化學(xué)元素的含量而其余的化學(xué)元素含量保持不變的情況下進(jìn)行，分析這6種化學(xué)元素對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響規(guī)律。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)元素對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響

表1 12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The requirements of chemical composition of 12% Cr ultra supercritical rotor steel (mass fraction, %)

圖1 各化學(xué)元素含量對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響Figure 1 The influence of each chemical element content on the transformation temperature of ferrite

由于超超臨界轉(zhuǎn)子鋼成分復(fù)雜，合金元素以Cr、Mo、V為主，同時還適當(dāng)添加W、Nb、N、Co等其它微量元素。而合金元素添加的種類和含量直接影響到鐵素體的轉(zhuǎn)變溫度，從而影響到轉(zhuǎn)子鍛件的使用性能和周期。根據(jù)之前Jmat-Pro模擬得到6種化學(xué)元素C、Cr、Co、Ni、V和W的不同含量與鐵素體轉(zhuǎn)變溫度之間的關(guān)系，其影響規(guī)律如圖1所示。

超超臨界轉(zhuǎn)子鋼中，C是提高高溫強度的重要元素[5]，主要以固溶態(tài)或碳化物的形式存在。隨著C元素含量的增加，δ鐵素體(高溫鐵素體)析出的溫度逐漸升高，而低溫鐵素體完全轉(zhuǎn)變溫度隨C含量的增加而降低。說明C元素能夠抑制鐵素體的形成，即C元素含量的增加有助于減小鐵素體存在的溫度區(qū)間，其淬火溫度范圍變寬。

超超臨界馬氏體耐熱鋼中，Cr是鐵素體形成元素，不僅能改善鋼的抗氧化性和淬透性，更重要的是若含量適宜，對鋼的高溫蠕變強度也有重要貢獻(xiàn)。當(dāng)以Cr元素為變量，其它5種元素的含量不變時，Cr元素對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響規(guī)律正好與C元素對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響規(guī)律相反。隨Cr元素含量的增加，相變點Ac3上升，奧氏體存在區(qū)間變窄[6]，δ鐵素體的轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低，低溫鐵素體的轉(zhuǎn)變溫度逐漸升高，淬火溫度區(qū)間呈現(xiàn)變窄的趨勢。這說明Cr元素能促進(jìn)鐵素體的形成，使得淬火溫度區(qū)間變窄，所以應(yīng)嚴(yán)格控制該元素的含量以降低鐵素體的生成量。

由于Co是奧氏體形成元素，可抑制含多種元素的12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼中鐵素體的生成[7]。而Ni在此鋼中起固溶強化作用，若在鋼中加入1%以上的Ni能有效避免δ鐵素體的產(chǎn)生，但會降低蠕變斷裂強度。Co元素和Ni元素對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度規(guī)律的影響趨于一致，其影響規(guī)律與C對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的影響類似。高溫鐵素體析出溫度都是隨元素含量的增加而升高，低溫鐵素體完全轉(zhuǎn)變溫度隨元素含量的增加而減少。

V在超超臨界轉(zhuǎn)子鋼高溫長時間保溫時起重要的強化作用，其含量高低直接影響強化效果。V元素也是促進(jìn)鐵素體的形成的元素，與Cr元素對鐵素體轉(zhuǎn)變溫度規(guī)律的影響類似，均為隨元素含量的增加，鐵素體存在區(qū)間變寬，淬火溫度區(qū)間變窄。

W元素在鋼中主要固溶于基體以及存在于第二相中，由于其本身原子半徑與Fe原子半徑相差很大，故有著顯著的強化效果。當(dāng)W含量在0.82%～0.96%時，高溫鐵素體析出溫度隨著W元素含量的增加而降低，低溫鐵素體完全轉(zhuǎn)變溫度隨著W元素含量的增加而升高。當(dāng)W元素含量在0.96%～1.07%之間時，淬火溫度趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這表明W元素含量在0.96%～1.07%時，均有鐵素體生成，淬火區(qū)間變得很窄。

2.2 化學(xué)元素的含量與淬火溫度區(qū)間之間的模型建立

根據(jù)Jmat-Pro模擬得出的理論數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件對這6種化學(xué)元素的含量與淬火溫度之間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型。在MATLAB軟件中的多元線性回歸的數(shù)學(xué)計算模型可表示為[8]：

Y=β0+β1x1+β2x2+β3x3+…+βkxk+ε,ε～N(0,δ2)

(1)

參數(shù)估計需要以誤差平方和最小為前提，運用最小二乘法(或最大似然估計法)求解參數(shù)。通常情況下，采用最大似然估計法即可得到式(1)中計算模型的最大似然估計數(shù)值。即可得到μ(x1,x2,…,xp)=b0+b1x1+b2x2+…+bpxp的估計式可表示為：

(2)

式(2)為P元的理論線性回歸方程。

現(xiàn)以6種化學(xué)元素C、Cr、Co、Ni、V和W的含量為自變量，將鐵素體轉(zhuǎn)變溫度(即為淬火溫度區(qū)間)視為因變量建立理論數(shù)學(xué)關(guān)系模型[9]。由于各化學(xué)元素對鐵素體在高溫與低溫時的轉(zhuǎn)變影響規(guī)律不同，故需要分別對高溫鐵素體析出溫度和低溫鐵素體完全轉(zhuǎn)變溫度建立模型，從而確定鐵素體含量最少或者無鐵素體存在的區(qū)間，即可得出最佳淬火溫度區(qū)間。

在MATLAB軟件中將C、Cr、Co、Ni、V和W6種化學(xué)元素分別設(shè)為變量x1，x2，x3，x4，x5，x6。根據(jù)Jmat-Pro模擬得出的數(shù)據(jù)，再通過MATLAB編程處理，得到各化學(xué)元素的含量與最高淬火溫度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Tmax=1867.8+2885.7C-115.1Cr+339.2Co+438.5Ni-235.1V-209.9W

(3)

同理可知，對此6種化學(xué)元素對低溫鐵素體完全轉(zhuǎn)變溫度的影響得到的數(shù)據(jù)，運用MATLAB進(jìn)行編程求解，得到各化學(xué)元素的含量與最低淬火溫度之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Tmin=619.8-1091.4C+57.1Cr-382.0Co-453.7Ni+171.6V+204.4W

(4)

結(jié)合式(3)和式(4)分析可知，淬火溫度區(qū)間的寬窄與這6種化學(xué)元素的含量密切相關(guān)。當(dāng)這6種化學(xué)元素的含量作為一個獨立的因素產(chǎn)生作用時，隨著非鐵素體形成元素C、Ni和Co含量的增多能有效抑制鐵素體的生成，使鐵素體存在區(qū)間變窄，故而拓寬了淬火溫度區(qū)間。而元素Cr、V和W是鐵素體形成元素，促進(jìn)了鐵素體的形成，使鐵素體存在區(qū)間變寬，從而減小了淬火溫度區(qū)間。

如果已準(zhǔn)確得知12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼中化學(xué)元素的含量(或各化學(xué)元素含量范圍)，可通過式(3)和式(4)簡便快捷地確定該鋼的淬火溫度區(qū)間。

3 結(jié)論

(1)C、Ni和Co均為非鐵素體形成元素，能有效抑制鐵素體的生成。隨元素含量的增加能夠有效減少鐵素體存在的范圍，從而淬火溫度區(qū)間變寬。Co元素含量小于0.03%時，淬火溫度基本趨于穩(wěn)定。

(2)Cr、V和W均為鐵素體形成元素，能促進(jìn)鐵素體的生成。隨元素含量的增加，鐵素體存在區(qū)間變大，造成淬火區(qū)間變窄。Cr和V對淬火溫度的影響基本一致。W元素含量在0.82%～1.07%時，整個淬火區(qū)間都有鐵素體生成。W含量高于0.96%時，淬火溫度趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)通過Jmat-Pro軟件和MATLAB數(shù)值分析軟件確定了12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼中化學(xué)元素C、Cr、Co、Ni、V及W的含量與淬火溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。

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編輯 杜青泉

Research on Relation Between Chemical Element Content and Quenching Temperature of 12% Cr Ultra Supercritical Rotor Steel

Gong Hu, Guo Zhen, Qin Shangwu, Liu Jiansheng

By simulating the influence of different chemical element content on ferrite content of 12% Cr ultra supercritical rotor steel with Jmat-Pro software, the relation between six chemical elements in steel and quenching temperature has been studied. Based on this, the relation model between six chemical element content and quenching temperature of 12% Cr ultra supercritical rotor steel has been established by using MATLAB.

12% Cr ultra supercritical rotor steel; ferrite; chemical element; quenching temperature

2016—09—21

龔虎(1989—)，男，碩士，主要從事大型鍛造理論與新技術(shù)研究。

TK263.6+1

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