12%Cr超超临界转子钢中化学元素含量与淬火温度关系的研究

龚 虎 郭 桢 秦尚武 刘建生

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

12%Cr超超临界转子钢中化学元素含量与淬火温度关系的研究

龚 虎 郭 桢 秦尚武 刘建生

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

通过Jmat-Pro软件模拟不同化学元素含量对12%Cr超超临界转子钢中铁素体含量的影响，研究了钢中6种化学元素与淬火温度的关系。在此基础上，利用MATLAB软件建立了12%Cr超超临界转子钢中6种化学元素含量与淬火温度之间的关系模型。

12%Cr超超临界转子钢；铁素体；化学元素；淬火温度

超超临界转子是发电设备中非常重要和关键的零部件之一，它的优劣直接影响到发电设备的使用周期。火力发电机组的效率主要取决于机组的参数，即蒸汽压力和温度。机组参数越高，发电效率也越高。然而更高的温度和压力对材料的蠕变特性、抗氧化、抗疲劳等性能提出更为苛刻的要求[1]。12%Cr超超临界转子钢属于典型的马氏体耐热钢，是制造转子锻件的主要钢种。在锻造成形和热处理过程中，温度高于1150℃时会析出δ铁素体，其硬度约为200HV，明显低于马氏体硬度，降低钢的力学性能，尤其会显著降低钢的冲击韧性，造成钢的脆化，降低抗拉强度和屈服强度，缩短转子的使用周期[2-3]。因此，在实际生产过程中应当尽量降低或者避免铁素体的出现。

本文基于Jmat-Pro软件对不同化学元素含量的12%Cr超超临界转子钢进行模拟，研究了不同化学元素含量对12%Cr超超临界转子钢中铁素体含量的影响，建立了12%Cr超超临界转子钢中化学元素含量与淬火温度之间的关系模型，为转子锻件的热加工工艺提供了理论依据。

1 实验材料与方法

实验材料为12%Cr超超临界转子钢，其化学成分要求如表1所示。

由表1可以看出，12%Cr超超临界转子钢中的化学元素均在一定的范围内变化。根据这些化学元素对12%Cr超超临界转子钢的影响[4]，选取不同C、Cr、Co、Ni、V和W元素的含量，分析其对铁素体转变温度的影响。

当下计算机模拟分析技术日趋成熟稳定，减少了试验过程操作的繁琐。本文利用JMat-Pro软件模拟分析不同化学元素含量对12%Cr超超临界转子钢中铁素体含量的影响，然后利用数值分析软件MATLAB对所得出的数据进行多元线性回归，从而确定12%Cr超超临界转子钢的淬火温度区间。

JMat-Pro模拟分析时采用单一变量原则来确定，即在选取的6种化学元素中，改变一种化学元素的含量而其余的化学元素含量保持不变的情况下进行，分析这6种化学元素对铁素体转变温度的影响规律。

2 实验结果与分析

2.1 化学元素对铁素体转变温度的影响

表1 12%Cr超超临界转子钢化学成分要求(质量分数，%)Table 1 The requirements of chemical composition of 12% Cr ultra supercritical rotor steel (mass fraction, %)

图1 各化学元素含量对铁素体转变温度的影响Figure 1 The influence of each chemical element content on the transformation temperature of ferrite

由于超超临界转子钢成分复杂，合金元素以Cr、Mo、V为主，同时还适当添加W、Nb、N、Co等其它微量元素。而合金元素添加的种类和含量直接影响到铁素体的转变温度，从而影响到转子锻件的使用性能和周期。根据之前Jmat-Pro模拟得到6种化学元素C、Cr、Co、Ni、V和W的不同含量与铁素体转变温度之间的关系，其影响规律如图1所示。

超超临界转子钢中，C是提高高温强度的重要元素[5]，主要以固溶态或碳化物的形式存在。随着C元素含量的增加，δ铁素体(高温铁素体)析出的温度逐渐升高，而低温铁素体完全转变温度随C含量的增加而降低。说明C元素能够抑制铁素体的形成，即C元素含量的增加有助于减小铁素体存在的温度区间，其淬火温度范围变宽。

超超临界马氏体耐热钢中，Cr是铁素体形成元素，不仅能改善钢的抗氧化性和淬透性，更重要的是若含量适宜，对钢的高温蠕变强度也有重要贡献。当以Cr元素为变量，其它5种元素的含量不变时，Cr元素对铁素体转变温度的影响规律正好与C元素对铁素体转变温度的影响规律相反。随Cr元素含量的增加，相变点Ac3上升，奥氏体存在区间变窄[6]，δ铁素体的转变温度逐渐降低，低温铁素体的转变温度逐渐升高，淬火温度区间呈现变窄的趋势。这说明Cr元素能促进铁素体的形成，使得淬火温度区间变窄，所以应严格控制该元素的含量以降低铁素体的生成量。

由于Co是奥氏体形成元素，可抑制含多种元素的12%Cr超超临界转子钢中铁素体的生成[7]。而Ni在此钢中起固溶强化作用，若在钢中加入1%以上的Ni能有效避免δ铁素体的产生，但会降低蠕变断裂强度。Co元素和Ni元素对铁素体转变温度规律的影响趋于一致，其影响规律与C对铁素体转变温度的影响类似。高温铁素体析出温度都是随元素含量的增加而升高，低温铁素体完全转变温度随元素含量的增加而减少。

V在超超临界转子钢高温长时间保温时起重要的强化作用，其含量高低直接影响强化效果。V元素也是促进铁素体的形成的元素，与Cr元素对铁素体转变温度规律的影响类似，均为随元素含量的增加，铁素体存在区间变宽，淬火温度区间变窄。

W元素在钢中主要固溶于基体以及存在于第二相中，由于其本身原子半径与Fe原子半径相差很大，故有着显著的强化效果。当W含量在0.82%～0.96%时，高温铁素体析出温度随着W元素含量的增加而降低，低温铁素体完全转变温度随着W元素含量的增加而升高。当W元素含量在0.96%～1.07%之间时，淬火温度趋于稳定状态。这表明W元素含量在0.96%～1.07%时，均有铁素体生成，淬火区间变得很窄。

2.2 化学元素的含量与淬火温度区间之间的模型建立

根据Jmat-Pro模拟得出的理论数据，利用MATLAB软件对这6种化学元素的含量与淬火温度之间的关系建立数学模型。在MATLAB软件中的多元线性回归的数学计算模型可表示为[8]：

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

(1)

参数估计需要以误差平方和最小为前提，运用最小二乘法(或最大似然估计法)求解参数。通常情况下，采用最大似然估计法即可得到式(1)中计算模型的最大似然估计数值。即可得到μ(x1,x2,…,xp)=b0+b1x1+b2x2+…+bpxp的估计式可表示为：

(2)

式(2)为P元的理论线性回归方程。

现以6种化学元素C、Cr、Co、Ni、V和W的含量为自变量，将铁素体转变温度(即为淬火温度区间)视为因变量建立理论数学关系模型[9]。由于各化学元素对铁素体在高温与低温时的转变影响规律不同，故需要分别对高温铁素体析出温度和低温铁素体完全转变温度建立模型，从而确定铁素体含量最少或者无铁素体存在的区间，即可得出最佳淬火温度区间。

在MATLAB软件中将C、Cr、Co、Ni、V和W6种化学元素分别设为变量x1，x2，x3，x4，x5，x6。根据Jmat-Pro模拟得出的数据，再通过MATLAB编程处理，得到各化学元素的含量与最高淬火温度的数学表达式为：

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

(3)

同理可知，对此6种化学元素对低温铁素体完全转变温度的影响得到的数据，运用MATLAB进行编程求解，得到各化学元素的含量与最低淬火温度之间的数学表达式为：

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

(4)

结合式(3)和式(4)分析可知，淬火温度区间的宽窄与这6种化学元素的含量密切相关。当这6种化学元素的含量作为一个独立的因素产生作用时，随着非铁素体形成元素C、Ni和Co含量的增多能有效抑制铁素体的生成，使铁素体存在区间变窄，故而拓宽了淬火温度区间。而元素Cr、V和W是铁素体形成元素，促进了铁素体的形成，使铁素体存在区间变宽，从而减小了淬火温度区间。

如果已准确得知12%Cr超超临界转子钢中化学元素的含量(或各化学元素含量范围)，可通过式(3)和式(4)简便快捷地确定该钢的淬火温度区间。

3 结论

(1)C、Ni和Co均为非铁素体形成元素，能有效抑制铁素体的生成。随元素含量的增加能够有效减少铁素体存在的范围，从而淬火温度区间变宽。Co元素含量小于0.03%时，淬火温度基本趋于稳定。

(2)Cr、V和W均为铁素体形成元素，能促进铁素体的生成。随元素含量的增加，铁素体存在区间变大，造成淬火区间变窄。Cr和V对淬火温度的影响基本一致。W元素含量在0.82%～1.07%时，整个淬火区间都有铁素体生成。W含量高于0.96%时，淬火温度趋于稳定状态。

(3)通过Jmat-Pro软件和MATLAB数值分析软件确定了12%Cr超超临界转子钢中化学元素C、Cr、Co、Ni、V及W的含量与淬火温度之间的数学关系模型。

[1] 傅万堂，张百忠，王宝忠.超临界与超超临界转子材料发展情况综述[J].大型铸锻件，2008(5):33-36,41.

[2] 胡小强，肖纳敏，罗兴宏，等.含W型10%Cr超超临界钢中δ-铁素体的微观结构及其对力学性能的影响[J].金属学报，2009，(45)5:553-558.

[3] S aw ada K,Kimura K,Abe F.Mechanical response of 9% Cr heat-resistant martensitic steels to abrupt stress loading at temperature[J].Materials Science and Engineering, 2003,358(1-2):52-58.

[4] 张百忠.合金元素在12%Cr型超超临界转子钢中的作用[J].大型铸锻件，2008(5):9-11,32.

[5] K.Hara,H.A ok,i F.M asuyan a and T.Endo.Effect of Ni trogen on the high temperature creep behavior of 9Cr2Co steel IS IJ International,1997,37(2):181-187.

[6] 张学辉，李永强，庞海轮，等.Nb和Cr对冷轧机低碳低硅双相钢组织性能的影响[J].材料热处理学报，2009，30(1):96-99.

[7] 邹庆化.钢的成分、回火温度与硬度之间的关系[J].金属热处理，1994(3):41-43.

[8] 太田定雄著.铁素体系耐热钢-向世界前沿不懈攀登的研究与开发[M].张善元等译.北京：冶金工业出版社，2003.

[9] 王良龙.403钢热加工工艺的研究[D].上海大学，2013.

编辑 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

龚虎(1989—)，男，硕士，主要从事大型锻造理论与新技术研究。

TK263.6+1

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