ASTM A668 CLE材料热处理工艺试验

张海峰 张国利 滕 毅

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

水力发电做为“绿色能源”[1]符合当今世界电力发展的趋势，而且我国水利资源丰富，它的发展符合我国能源发展政策和产业发展政策。水轮机主轴是水轮发电机组中关键部件，为了提高发电效率，水轮发电机组越来越大型化，这就对水轮机主轴材料的性能提出了更高的要求，它既要保证高的强度和韧性，同时还要考虑焊接对材料碳当量的要求。

目前国内水轮机主轴一般选用的材料为20SiMn或18MnMoNb，其性能已经不能满足某些大型水电站的要求。三峡机组水轮机主轴的材料为ASTM A668 CLE级标准，为此我们对这种新材料进行了热处理参数的试验研究。以保证该材料在碳当量小于0.48%时也能满足相关标准对其强度的要求。

1 技术要求

水轮机主轴材料ASTM A668 CLE的化学成分要求见表1，力学性能要求见表2。

表1 ASTM A668 CLE化学成分(质量分数,%)Table 1 The chemical composition of ASTM A668 CLE (mass fraction,%)

注：碳当量Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15

表2 ASTM A668 CLE力学性能Table 2 Mechanical properties of ASTM A668 CLE

2 试验过程和试验结果

根据水轮机主轴技术条件的要求，我们采用25 kg真空感应电炉冶炼试验钢锭，并经过模拟锻造和模拟锻后热处理，测量材料相变临界点、CCT图及晶粒长大倾向等材料相关特性。同时将材料加工成拉力和冲击试样坯料，最后经过模拟性能热处理并进行力学性能检测。试验流程图见图1。材料的连续冷却转变曲线见图2。材料晶粒长大倾向试验结果见图3。材料的模拟性能热处理工艺见图4。材料经模拟热处理后的力学性能试验结果见表3。

3 试验结果分析

ASTM A668 CLE材料是一种低合金碳素结构钢，由资料[2]可知，该类型钢种对应的奥氏体化温度一般选定在T=AC3+30～70℃。根据材料的相变临界点测试结果，我们选定其奥氏体化温度在880～920℃范围内进行试验。由材料的连续冷却转变曲线(图2)可知：ASTM A668 CLE材料经水淬后组织为：铁素体+珠光体+少量贝氏体。由资料[3]可知，金属材料的强化途径主要有以下几个方面；(1)固溶强化；(2)形变强化；(3)沉淀强化(时效强化)与弥散强化；(4)细晶强化。ASTM A668 CLE材料强化类型为细晶强化。

图1 试验流程图Figure 1 The trial flow chart

图2 ASTM A668 CLE连续冷却转变曲线Figure 2 The continuous cooling transformation of ASTM A668 CLE

图3 ASTM A668 CLE晶粒长大趋势Figure 3 The grain growth tendency of ASTM A668 CLE

图4 模拟性能热处理工艺Figure 4 The simulated performance heat treatment process

Rp0.2/MPaRm/MPaA5(%)Z(%)AkV(0℃)/J工艺A工艺B29034051553532.530.571.073.0142/118191/186

由ASTM A668 CLE材料的晶粒长大倾向试验结果(图3)可知：当材料的奥氏体化温度一定时，随着保温时间的延长，奥氏体晶粒都有不同程度的长大；当保温时间一定时，随着奥氏体化温度的提高，奥氏体晶粒明显长大。具体地，当奥氏体化温度≤920℃时，随着保温时间的延长，材料奥氏体晶粒变化不明显；当奥氏体化温度≥930℃时，随着保温时间的延长，材料的奥氏体晶粒已经明显长大，并且有一部分奥氏体晶粒已经开始异常长大，达到4级～3.5级，这将会对材料的强度和韧性产生不利的影响，因此，该材料的奥氏体化温度不应该超过920℃。

由ASTM A668 CLE材料的力学性能结果(表3)可知：当材料的奥氏体化温度为890℃时，材料的屈服强度为290 MPa，未能满足技术条件的要求，但材料的抗拉强度、塑性和韧性都已经达到技术条件的规定；当材料的奥氏体化温度提高至910℃时，材料的屈服强度、抗拉强度和冲击韧性都明显提高，分别提高约17%、4%和46%，而且延伸率和断面收缩率都没有明显的降低，此时，材料的各项性能指标都满足技术条件的要求。产生这种现象的原因可能主要有两个方面：一方面，由材料晶粒长大倾向试验结果分析可知，在这两个奥氏体化温度下，材料的奥氏体晶粒没有明显的长大；另一方面，当材料的保温时间一定时，随着淬火温度的提高，材料中的碳元素以及合金元素分布更加均匀，这增加了过冷奥氏体的稳定性[4]，提高了材料的淬透性[5]，使材料的连续冷却转变曲线(CCT)向右移，材料冷却转变产生的组织(铁素体+珠光体+贝氏体)会更加弥散细小。因此，材料的屈服强度、抗拉强度以及冲击韧性会随着奥氏体化温度的提高而提高。由以上分析可知，ASTM A668 CLE材料的热处理形式可以为：910±10℃淬火+600±5℃回火。

4 结论

(1)经水淬后，ASTM A668 CLE材料的组织为：铁素体+珠光体+少量贝氏体；

(2)当淬火温度≥930℃时，ASTM A668 CLE材料的奥氏体晶粒会明显长大，并且会有一部分晶粒异常长大；

(3)ASTM A668 CLE材料适合的热处理工艺为：910±10℃淬火+600±5℃回火。

[1] 王平洋.西电开发与绿色电网.电力系统自动化，2001，8.

[2] 许天己.钢铁热处理使用技术.北京：化学工业出版社.

[3] 戴超勋.金属材料学.北京：化学工业出版社.

[4] 戚正风.金属热处理原理.北京：机械工业出版社.

[5] 干勇.钢铁材料手册.北京：化学工业出版社.