叶片用X20Cr13钢的热处理工艺研究

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100816902010020054006HEATTREATMENTPROCESSOFX20CR13STEELFORBLADESONGFAN，FANGSHUNFA，YUANDA，DINGLIFENGCOLLEGEOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING，XIHUAUNIVERSITY，CHENGDU610039，SICHUANABSTRACTFORX2OCRL3STEELUSEDFORBLADES，THERELATEDHEATTREATMENTPROCESSPARAMETERSAFFECTINGTHEMECHANICALPROPERTIESWEREINVESTIGATEDTHERESULTSINDICATETHATIFTHEAUSTENITIZINGTEMPERATUREFORHARDENINGISONTHEHIGHSIDE，THEGRAINSOFSTEELWILLBECOARSENED，THUSRESULTINGINAPPRECIABLEREDUCTIONINIMPACTTOUGHNESSX20CRL3STEELISTOBEMOREQUICKLYCOOLEDFROMTHETEMPERINGTEMPERATUREBECAUSEOFITSOBVIOUSTEMPERBRITLLENESSANDTOBEFULLYTEMPEREDEVENIFTHESTEELISCOOLEDINFORCEDAIRFROMANAUSTENITIZINGTEMPERATUREITSGOODCOMBINATIONOFMECHANICALPROPERTIESCANSTILLBEOBTAINEDKEYWORDSAUSTENITIZINGTEMPERATUREFORHARDENING；QUENCHING；TEMPERBRITLLENESS；IMPACTTESTTEMPERATUREX2OCRL3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11化学成分和力学性能要求见表1、表2。表1X2OORL3钢的化学成分质量分数。TABLE1CHEMICALCOMPOSITIONOFX20CR13STEEL州表2X2OCRL3钢叶片的力学性能要求TABLE2MECHANICALPROPERTYREQUIREMENTSFORBLADESOFX20CR13STEEL12推荐的热处理工艺淬火9501050OC油冷或空冷；回火1650，空冷。收稿日期20090923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02164358331X3948，1381852850854热处理2010年第25卷第2期13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。21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。22工艺试验221原材料试验所用原材料为某公司提供的棒料，规格为301TIM46MM。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。TABLE3CHEMICALCOMPOSITIONOFSTEELUSEDFORTESTWT表4质保书提供的X20CRL3钢力学性能TABLE4MECHANICALPROPERTIESFR0MQUALITYGUARANTEELETTERFORX20CRL3STEE222热处理工艺参数和试验结果淬火温度取为980OC和L020，保温时问为均温后30RAIN，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3H。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TABLE5MECHANICALPROPERTIESASAFUNCTIONOFHEATTREATMENTPROCESSPARAMETERSFORX20CR3STEE6306501020油冷6706907107308521013160573815966176544771941180574749917180577703880182578657849180614L9，19，2022，22，2525272734353630，42，46444578热处理2010年第25卷第2期L93323002633350O393355673063022852822722663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。31从980OC和1020油淬的性能比较从980OC和1020油淬，在不同温度回火后的抗拉强度和冲击性能A3个试样的平均值见图1。从图1可以看出，980OC油淬和1020油淬的抗拉强度前者稍低，但其冲击值提高较多。试样经690QC回火后的显微组织见图2。RM980油冷J一K980油冷、1_L020油冷KV1020油冷一。且一二一一一_R毒伯是回火温度C图1X20CR13钢油淬后回火温度对抗拉强度和冲击性能的影响FIG1MECHANICALPROPERTIESOFX2OCRL3STEELOILQUENCHEDFROM980OR1020ANDSUBSEQUENTLYTEMPEREDATVRIOUSTEMPERATURESAB图2油淬并于690回火后钢的显微组织X500A980油冷；B1020油冷FIG2MICROSTRUCTURESOFX2OCRL3STEELQUENCHEDINOILANDTEMPEREDAT690500AQUENCHEDFROM980；BQUENCHEDFROM1020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，1020CI油冷I。的晶粒度为45级。这种晶粒度的差异也是如图1皇75OL二所示1020OC油冷比980OC油冷冲击值低的原因。嚣600L一3，2980OC和1020空冷淬火的性能比较450J由于钢厂来料的表面质量不理想，常常存在表L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FIG3M式淬火。980OC和1020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ECHANIEALPROPERTIESOFX2OCRL3STEELQUENCHEDINAIR980OR1020OCANDSUBSEQUENTLYTEMPEREDATVARIOUSTEMPERATURES56热处理2010年第25卷第2期瑚咖咖聊伽湖O雠喂从图3可以看出，980OC空冷淬火与1020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，980OC空冷的晶粒度为9级，1020空冷的晶粒度为5级。同理，这也是图3所示1020CIC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。AB图4空冷淬火并于690回火后钢的显微组织X500A980空冷；B1020空冷HG4MICROSTRUCTURESOFX2OCRL3STEELQUENCHEDINAIRANDSUBSEQUENTLYTEMPEREDAT690OCX500AQUENCHEDFROM980；BQUENCHEDFROM102033980OC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980OC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650OC730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690CC回火后的显微组织见图6。12001050900750警O0羹45O300L5OO160140120O0墨80止6040200回火温度图5油淬与空冷淬火并回火后的性能比较FIG5MECHANICALPROPERTIESOFX2OCRL3STEELQUENCHEDINOILORAIRANDSUBSEQUENTLYTEMPEREDATVARIOUSTEMPERATURESAB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X500A空冷；B油冷FIG6MICROSTRUCTURESOFX2OCRL3STEELQUENCHEDFROM980OCANDTEMPEREDAT690500AAIRQUENCHED；BOILQUENCHED980空冷淬火和980QC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980OC空冷淬火其力学性能是完全可以达到标准要求的。34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1000QC以上温度淬火，在热处理2010年第25卷第2期57J2OO1050900釜0量600450300L500一R1“口一KV目一一日一16014012010080走604020O9O8O7O60504O3020LO。，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37不同试验温度下的冲击值FIG9MECHANICALPROPERTIESASAFUNCTIONOFTEMPERINGDURATION取大生产叶片坯料的余料，测定不同试验温度AT700FORX20CRL3STEELAIRQUENCHEDFROM980下的冲击性能，结果见表9、图11。表8回火后不同速度冷却的X2OCRL3钢的力学性能TABLE8MECHANICALPROPERTIESOFX2OCRL3STEELCOOLEDATDIFFERENTRATESFROMTEMPERINGTEMPERATURE表9不同试验温度下的冲击值JTABLE9VALUESOFABSORBEDENERGYFROMIMPACTTESTSATVARIOUSTEMPERATURESFORX2OCRL3STEELJ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、H8844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，28CIC以上提高的趋势较为明显。4结论1X20CRL3钢叶片的淬火温度以1000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。3X20CRL3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5H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。6X20CRL3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。3530252015RH76LH762H88H884一一JL、；彳K。R试验温度图11试验温度对冲击性能的影响FIG11IMPACTTOUGHNESSASAFUNCTIONOFIMPACTTESTTEMPERATUREFORX20CR13