岳 猛 ，于 晃 ，馬煜林

(1.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869； 2.沈陽(yáng)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110044)

25Cr2Ni3Mo鋼是根據(jù)鋼的合金化原理、考慮壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的制造特點(diǎn)以及在國(guó)外電站設(shè)備用鋼ASTMA-1100541No8等基礎(chǔ)上，適當(dāng)調(diào)整 C、Cr、Mo、Ni等主要元素的含量設(shè)計(jì)并研制的[1]。25Cr2Ni3Mo鋼主要應(yīng)用于壓縮機(jī)的葉輪、主軸以及緊固件等零件，因?yàn)榫哂幸欢ê康腘i元素，所以具有較好的低溫抗沖擊性能，在乙烯及丙烯壓縮機(jī)中有著較為廣泛的應(yīng)用[2]。目前對(duì)于25Cr2Ni3Mo鋼的研究主要集中于材料的熱處理工藝[3-4]，對(duì)于鋼的熱力學(xué)及相變等方面研究較少，本文利用軟件JMatpro對(duì)25Cr2Ni3Mo鋼進(jìn)行了熱力學(xué)和相轉(zhuǎn)變計(jì)算。

1 熱力學(xué)計(jì)算

25Cr2Ni3Mo鋼化學(xué)成分如表1所示。合金相圖如圖1所示，由圖可見(jiàn)，25Cr2Ni3Mo鋼奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Ac1為620 ℃，奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Ac3為750 ℃，溫度在700 ℃時(shí)，鐵素體和奧氏體各占50%。M7C3相在480 ℃以下時(shí)，含量較為平穩(wěn)，約為1.5%左右；當(dāng)溫度升高到480 ℃以上時(shí)，已存在的M7C3相與基體中合金元素形成M23C6型碳化物。M23C6相含量隨溫度的升高逐漸增加，在630 ℃時(shí)達(dá)到峰值，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.68%，溫度繼續(xù)升高，M23C6相逐漸分解至完全溶解。

表1 25Cr2Ni3Mo鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 25Cr2Ni3Mo鋼溫度-相組成圖Fig.1 Temperature-phase composition diagram of 25Cr2Ni3Mo steel

圖2為碳化物相中各元素含量變化曲線。由圖2(a)可見(jiàn)，在M7C3相中，M主要為Fe、Cr、Mn等元素，F(xiàn)e元素在M7C3相中的含量隨溫度的升高而增多，Cr元素含量隨溫度的升高而減少，Mn元素在480 ℃時(shí)達(dá)到最高峰值，隨后降低。

由圖2(b)可見(jiàn)，在M23C6相中，M主要為Fe、Cr、Mo、Ni、Mn等元素，Cr元素含量隨溫度的升高而增多，Ni元素含量隨溫度的升高而減少，當(dāng)溫度高于247 ℃時(shí)，Cr、Ni兩種元素變化量增大；Mo元素含量隨溫度的升高而減少，在630 ℃時(shí)達(dá)到最低值，隨后含量逐漸增大。

表2為25Cr2Ni3Mo鋼熱力學(xué)函數(shù)隨溫度變化的數(shù)值，其中比熱容在730 ℃左右出現(xiàn)峰值，然后又迅速下降，因?yàn)樵诖藴囟认掳l(fā)生了奧氏體轉(zhuǎn)變。

(a)M7C3；(b) M23C6圖2 M7C3、M23C6相中各元素含量隨溫度變化曲線Fig.2 Change curves of element content with temperature in M7C3 and M23C6 phase

表2 25Cr2Ni3Mo鋼熱力學(xué)函數(shù)隨溫度變化值

2 相變的計(jì)算

2.1 TTT和CCT圖模擬計(jì)算

相變計(jì)算時(shí)，原始晶粒等級(jí)設(shè)置為7級(jí)，加熱溫度為860 ℃。TTT曲線是反映過(guò)冷奧氏體等溫冷卻時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物類型以及轉(zhuǎn)變量與時(shí)間、溫度之間的關(guān)系曲線 。由圖3可見(jiàn)，25Cr2Ni3Mo鋼在奧氏體化后，冷卻時(shí)向鐵素體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度為747.3 ℃；向珠光體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度為712.3 ℃；向貝氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度為488.1 ℃；向馬氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度為329.8 ℃，50%轉(zhuǎn)變量的溫度為294.5 ℃，90%轉(zhuǎn)變量的溫度為212.6 ℃。

在TTT曲線中有三個(gè)“鼻尖”，分別為鐵素體轉(zhuǎn)變、珠光體轉(zhuǎn)變以及貝氏體轉(zhuǎn)變。25Cr2Ni3Mo鋼在奧氏體冷卻時(shí)，首先發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變，之后再發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變析出珠光體。鐵素體“鼻尖”溫度為599 ℃，在此溫度恒溫持續(xù)2605.7 s后，開(kāi)始發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變。在此溫度恒溫持續(xù)2791.18 s后，開(kāi)始發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變；恒溫持續(xù)1900 s時(shí)全部轉(zhuǎn)換成珠光體。貝氏體“鼻尖”轉(zhuǎn)變溫度為419 ℃，在此溫度持續(xù)保溫27.3 s后，發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，2855.98 s時(shí)全部轉(zhuǎn)換成貝氏體。

圖3 25Cr2Ni3Mo鋼TTT曲線Fig.3 TTT curves of 25Cr2Ni3Mo steel

25Cr2Ni3Mo鋼是轉(zhuǎn)子用鋼，其微觀組織對(duì)材料使用性能具有決定性作用[5]，組織調(diào)控方式為熱處理工藝的選擇。圖4為25Cr2Ni3Mo鋼CCT曲線，通過(guò)模擬結(jié)果可知，當(dāng)冷卻速度在0.01～0.03 ℃·s-1時(shí)，隨著溫度的降低，奧氏體首先發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變，然后發(fā)生珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變；當(dāng)冷卻速度在0.03～2 ℃·s-1時(shí)，得到的基體組織為貝氏體，以及少量的馬氏體。結(jié)合模擬結(jié)果，若使25Cr2Ni3Mo鋼具有高硬度的性能，即想要獲得全部馬氏體組織，最小臨界冷卻速度為30 ℃·s-1。表3為不同冷卻速度對(duì)淬火力學(xué)性能及相組織含量的影響。

2.2 再奧氏體化計(jì)算

工件加熱溫度達(dá)到A3或A1以上，使常溫下的鐵素體和滲碳體再轉(zhuǎn)變回奧氏體稱為再奧氏體化[6]。再奧氏體化要經(jīng)過(guò)形核、長(zhǎng)大、滲碳體溶解及奧氏體成分均勻化[7]。25Cr2Ni3Mo鋼是一種合金鋼，合金含量直接影響材料的完全奧氏體化溫度和保溫時(shí)間。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算25Cr2Ni3Mo鋼在奧氏體化時(shí)加熱速度為2 ℃·s-1，加熱溫度為860 ℃，保溫時(shí)間為3600 s，計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。25Cr2Ni3Mo鋼奧氏體均勻化溫度為857 ℃，經(jīng)過(guò)保溫 416 s后奧氏體全部均勻化。

圖4 25Cr2Ni3Mo鋼CCT曲線Fig.4 CCT curves of 25Cr2Ni3Mo steel

表3 不同冷卻速度時(shí)力學(xué)性能及相組織含量值

圖5 奧氏體化隨溫度變化曲線Fig.5 Change curves of austenitizing with temperature

圖6 奧氏體化隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Change curves of austenitizing with time

3 結(jié)論

1)25Cr2Ni3Mo鋼奧氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度Ac1為620 ℃，Ac3為750 ℃；奧氏體均勻化溫度為857 ℃，經(jīng)過(guò)保溫 416 s后奧氏體全部均勻化。

2)25Cr2Ni3Mo鋼在奧氏體化后冷卻時(shí)向鐵素體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度為747.3 ℃；向珠光體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度為712.3 ℃；向貝氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度為488.1 ℃；馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度為329.8 ℃，轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度為212.6 ℃。

3)在25Cr2Ni3Mo鋼TTT曲線中有三個(gè)“鼻尖”，分別是鐵素體轉(zhuǎn)變、珠光體轉(zhuǎn)變及貝氏體轉(zhuǎn)變，獲得全部馬氏體的最小冷卻速度為30 ℃·s-1。