一种微合金化0Cr13Ni4Mo不锈钢的相图及临界转变温度研究

王振华 孙淑华 张亚才 吕知清

(1.燕山大学机械工程学院， 河北066004；2.燕山大学理学院， 河北066004；3.中国第一重型机械集团股份公司， 黑龙江151042)

0Cr13Ni4Mo钢因具有良好的铸造性能和焊接性能以及优异的力学性能和耐蚀性能，被广泛用于制造能源、化工和军事航天领域的大型结构件[1,2]。目前国内普遍采用0Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢制造三峡、葛洲坝电站等大型水轮机转轮及叶片[3]，但近十几年大型水轮机转轮在运行中发生多起开裂事故，而且一般为运行过程中在焊接接头处产生疲劳裂纹，这与焊接应力未彻底消除有很大关系。因此，如何提高0Cr13Ni4Mo钢的Ac1温度，扩大叶片焊后去应力退火[4]温度范围而又不降低其强韧性，对于消除焊接接头疲劳裂纹具有重要意义。

本文对一种V、N微合金化的0Cr13Ni4Mo钢的相图与临界转变温度进行理论计算与实验研究，为新型水轮机转轮及叶片用不锈钢的焊接及热处理工艺的优化提供理论依据。

1 试验材料和方法

试验所用V、N微合金化0Cr13Ni4Mo钢由25 kg真空感应炉冶炼而成，采用真空浇注方法铸成试验钢锭，其化学成分(质量分数，%)为：C 0.025，Cr 12.6，Mn 0.36，Ni 3.59，Si 0.14，Mo 0.67，V 0.16，N 0.042，P 0.024及S 0.018，其余为Fe。

试验用钢的伪二元平衡相图用Thermo-Calc软件P版本计算，采用TCFE2(TCS Steel/Fe-alloys database, v2)数据库，平衡相摩尔分数与平衡相组成的计算也用该数据库。

试验用钢的临界转变温度在STA449C型热分析仪上测定，试样尺寸为3 mm×3mm×3 mm，试样以200℃/h的速度从20℃升温至1 200℃。

2 试验结果和讨论

2.1 伪二元平衡相图

通过热力学计算获得的V、N微合金化0Cr13Ni4Mo钢的伪二元平衡相图如图1所示。图中标出了各个相区的平衡相组成，竖虚线对应着实际C含量(0.025%)，图右侧为每个平衡相转变温度的理论值。从图1可以看出，试验用钢的液相线为1 490 ℃，高于此温度为单相液相区；温度低于1 490 ℃后δ-铁素体开始从液相中析出，低于1 460 ℃后，液相完全消失，进入单相δ-铁素体区；γ相开始从δ-铁素体中析出的温度为1 421 ℃，到1 230 ℃，δ铁素体转变完全，进入γ单相区；温度降低到1 010 ℃，VN开始从γ相中析出，而M23C6相在804 ℃开始析出，α-铁素体的析出温度为759 ℃；当温度下降至702 ℃时，Cr2N开始析出，最后σ相在温度降低到485 ℃时开始析出。此时，微合金化0Cr13Ni4Mo钢的平衡组织为γ+VN+M23C6+α+Cr2N+σ。

图1 微合金化0Cr13Ni4Mo钢的伪二元平衡相图Figure 1 Pseudo binary equilibrium phase diagram for the microalloyed 0Cr13Ni4Mo steel

2.2 冷却过程中各相摩尔分数随温度的变化

图2(a)为不同温度下微合金化0Cr13Ni4Mo钢中γ相占整个体系摩尔分数的计算结果。可以看出，γ相在1 421℃开始从δ相中析出，并且在1 230℃时，摩尔分数达到1。当温度下降到1 010℃时，由于VN的析出，使γ相摩尔分数略有下降(图中并不明显)。在804 ℃，有少量的M23C6析出，也导致γ相摩尔分数有所下降。当温度下降到759℃时，其摩尔分数开始大幅度下降，是因为此时从γ中大量析出α-铁素体。当温度低于570 ℃后，其摩尔分数随温度的变化不太明显。因此，可以近似认为570 ℃为微合金化0Cr13Ni4Mo钢的A1温度。

图2(b)为不同温度下微合金化0Cr13Ni4Mo钢中VN相占整个体系摩尔分数的计算结果，同时标定出了各个临界温度点。可以看出，当温度下降到1 010℃时，VN开始从γ相中析出，并且其摩尔分数随温度的降低明显增加。在702℃以后VN相的摩尔分数便基本趋于稳定。

图3(a)给出了不同温度下微合金化0Cr13Ni4Mo钢中M23C6相占整个体系摩尔分数的计算结果。可以看出，M23C6在804℃开始析出，并且当温度低于600℃后基本趋于稳定。

图3(b)为不同温度下微合金化0Cr13Ni4Mo钢中α相占整个体系的摩尔分数计算结果。可以看出，α相在759℃时开始析出，其摩尔分数随温度降低逐渐增大。温度降到约570℃左右，α相摩尔分数达到最大，这与图2中的A1点一致。在479℃，由于σ的析出，α相的摩尔分数略有降低。

2.3 临界转变温度的DSC测试结果

图4为微合金化0Cr13Ni4Mo钢在升温时的DSC曲线，图中标出了Ac1、Ac3和VN的溶解温度。显然，微合金化0Cr13Ni4Mo钢实际加热过程的DSC曲线和其平衡相图基本一致。其中，Ac1比相图计算中的高10℃(显著高于文献5中的553℃)，Ac3比相图计算中约低29℃。VN的溶解温度和相图计算一致。

(a) γ相(b) VN相图2 微合金化0Cr13Ni4Mo钢中γ相及VN相的摩尔分数与温度的关系Figure 2 Relationship between molar fraction and temperature of γ and VN for the microalloyed 0Cr13Ni4Mo steel

(a) M23C6相(b) α相图3 微合金化0Cr13Ni4Mo钢中M23C6相及α相的摩尔分数与温度的关系Figure 3 Relationship between molar fraction and temperature of M23C6 and α for the microalloyed 0Cr13Ni4Mo steel

图4 微合金化0Cr13Ni4Mo钢升温时的DSC曲线Figure 4 DSC curve of the microalloyed 0Cr13Ni4Mo steel during heating

3 结论

获得了微合金化0Cr13Ni4Mo钢的伪二元平衡相图、平衡条件下各相的摩尔分数与温度的关系曲线，试验用0Cr13Ni4Mo钢的Ac1温度为580℃，比常规的0Cr13Ni4Mo钢提高了近30℃，Ac3温度为730℃，VN的析出温度为1 010℃。

[1] 马讯.热处理对0Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢组织和性能的影响.特殊钢，1995，16(5)：19-22.

[2] Zou De-ning, Han Ying, Zhang Wei. Influence of tempering process on mechanical properties of 00Cr13Ni4Mo supermartensitic stainless steel. Journal of Iron and Steel Research, International. 2010，17(8)：50-54.

[3] 孙立斌，许庆彦，柳百成.ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢铸件微观组织实验研究.铸造，2002，51(12)：745-749.

[4] 马永柱，秦斌，陈旭.氮合金化对马氏体不锈钢00Cr13Ni4Mo回火性能的影响.宝钢技术，2010，2：35-39.

[5] 赵宗鼎，金淑荃，栾俊.0Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢热处理工艺研究.1992，1：16-26.