30Cr1Mo1V高中壓轉(zhuǎn)子表面缺陷分析

高建軍 巴鈞濤 邵奎祥 霍連喆 曲聰凱

(中國第一重型機(jī)械股份公司天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

30Cr1Mo1V材料是我國在20世紀(jì)90年代從美國引進(jìn)的一種CrMoV轉(zhuǎn)子鋼，用以替代性能不穩(wěn)定的30Cr2MoV轉(zhuǎn)子鋼，該材料目前已被廣泛用于亞臨界大型火力發(fā)電機(jī)組的高中壓轉(zhuǎn)子[1]。我公司在2010年為某公司生產(chǎn)了一支50 MW整體高中壓轉(zhuǎn)子，在用戶精加工過程中，在轉(zhuǎn)子冒口端軸頸部位目視發(fā)現(xiàn)許多條狀缺陷。經(jīng)與用戶協(xié)商后對缺陷部位進(jìn)行解剖分析，以確定缺陷性質(zhì)，為以后此類產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝改進(jìn)提供依據(jù)。

1 取樣

在轉(zhuǎn)子軸頸端缺陷部位鋸切下?301.2 mm×230 mm的試料。將轉(zhuǎn)子試料在車床上車削部分圓表面，并未發(fā)現(xiàn)肉眼可見缺陷。對車削后的試料取橫向和縱向試片進(jìn)行低倍試驗(yàn)。圖1為低

倍及斷口試樣取樣示意圖。30Cr1Mo1V轉(zhuǎn)子鋼化學(xué)成分見表1。

圖1 低倍及斷口試樣取樣示意圖Figure 1 The schematic drawing of sampling macroscopic fracture specimens

CSiMnPSCrNiMoVCuAl規(guī)格成分實(shí)際成分0.27～0.340.300.17～0.370.240.70～1.000.80≤0.0120.006≤0.0120.0021.05～1.351.16≤0.500.501.00～1.301.150.21～0.290.25≤0.150.04≤0.010.01

2 低倍及高倍檢驗(yàn)

2.1 低倍檢驗(yàn)

對圖1中的1號橫向試片、2號橫向試片和縱向試片做低倍酸洗，結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 1號橫向試片低倍形貌Figure 2 The macroscopic appearance of No.1 transverse test piece

圖3 2號橫向試片低倍形貌Figure 3 The macroscopic appearance of No.2 transverse test piece

圖4 縱向試片低倍形貌Figure 4 The macroscopic appearance of longitudinal test piece

從圖2和圖3可以看出，1號橫向試片低倍面中整個邊緣區(qū)域均分布有較為密集、形態(tài)不規(guī)則的黑灰色點(diǎn)狀偏析缺陷；在2號橫向試片低倍面中整個邊緣區(qū)域分布的點(diǎn)狀偏析缺陷則更為密集和明顯。進(jìn)一步仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，兩片橫向低倍組織中由密集分布的黑灰色點(diǎn)狀偏析缺陷圍成的邊緣圓環(huán)區(qū)域中心與轉(zhuǎn)子軸心并不重合，而是略有偏離，由此推斷轉(zhuǎn)子軸心偏離原鋼錠中心，此現(xiàn)象是在鍛造過程中形成的。由上述兩片橫向低倍組織中點(diǎn)狀偏析缺陷圍成的邊緣圓環(huán)區(qū)域厚度的變化規(guī)律可以確定，向外偏心一側(cè)的點(diǎn)狀偏析缺陷圍成的邊緣圓環(huán)區(qū)域的一部分已被加工掉了，即有一部分偏析缺陷外露在表面。圖4所示的縱向試片低倍組織則顯示上述橫向試片低倍面顯示的點(diǎn)狀偏析缺陷在此表現(xiàn)為細(xì)小的條帶狀偏析缺陷。上述低倍檢驗(yàn)說明了轉(zhuǎn)子軸頸端的條帶狀缺陷就是轉(zhuǎn)子內(nèi)部靠近外表面區(qū)域密集分布的條帶狀缺陷的外露，其缺陷性質(zhì)為典型的帶狀偏析，該區(qū)域即為原鋼錠的A型偏析區(qū)。

2.2 宏觀斷口檢驗(yàn)及體視鏡觀察

對圖2和圖3中所顯示的兩片橫向低倍試片的邊緣區(qū)域切取8塊斷口試樣進(jìn)行宏觀斷口檢驗(yàn)，各橫向低倍片上取斷口樣壓折后拼接形貌分別見圖5和圖7，其宏觀斷口形態(tài)主要呈結(jié)晶狀，見圖6和圖8。由于帶狀偏析缺陷非常細(xì)小，肉眼觀察隱約可見，用五倍放大鏡則清晰可見。該區(qū)域反光較弱，與基體斷口分界明顯，在體視顯微鏡下觀察斷口中帶狀偏析缺陷較為清晰，見圖9和圖10。另外，在部分?jǐn)嗫谥袔钇鋈毕葜行奶幇l(fā)現(xiàn)有夾雜物，見圖11。在8組匹配斷口中共計(jì)發(fā)現(xiàn)有15條帶狀偏析缺陷，這些缺陷非常細(xì)小，其寬度多在肉眼分辨的界限左右，最寬僅約為1 mm，但其長短不一。

2.3 斷口電鏡觀察及能譜分析

將上述斷口樣品在掃描電鏡下觀察，其帶狀偏析區(qū)內(nèi)微觀斷口形貌主要呈較為細(xì)碎的準(zhǔn)解理狀(見圖12)，有的區(qū)域也呈韌窩與準(zhǔn)解理混合狀(見圖13)。在斷口中15個帶狀偏析區(qū)中的大多數(shù)中心斷續(xù)分布有硫化物夾雜，而基體斷口中極少發(fā)現(xiàn)有硫化物夾雜，即絕大多數(shù)硫化物夾雜偏聚在帶狀偏析區(qū)中。帶狀偏析區(qū)與基體的交界處斷口形態(tài)呈沿晶狀，見圖14?；w斷口微觀形貌呈準(zhǔn)解理和解理混合狀，見圖15。

在斷口中選擇一帶狀偏析區(qū)及附近進(jìn)行能譜微區(qū)成分分析，其斷口的低倍形貌見圖16。把圖

圖5 1號橫向低倍試片斷口樣壓折后拼接形貌Figure 5 The macroscopic splicing appearance of fracture after crushingof No.1 transverse test piece

圖6 1號橫向低倍試片上斷口的宏觀形貌Figure 6 The macroscopic appearance of fracture of No.1 transverse test piece

圖7 2號橫向低倍試片斷口樣壓折后拼接形貌Figure 7 The macroscopic splicing appearance of fracture after crushing of No.2 transverse test piece

圖8 2號橫向低倍試片上斷口的宏觀形貌Figure 8 The macroscopic appearance of fracture of No.2 transverse test piece

圖9 斷口中帶狀偏析缺陷體視顯微鏡放大形貌Figure 9 The stereoscope enlarged appearance of banded segregation in fracture

16中的黑框區(qū)域放大觀察，在圖17中帶狀偏析區(qū)內(nèi)選7點(diǎn)，其中1號、2號為帶狀偏析區(qū)內(nèi)，4號為硫化物夾雜處，在帶狀偏析區(qū)與基體交界的沿晶處為3號位，5號和6號位為基體區(qū)域。圖17中1～6號位元素微區(qū)成分分析結(jié)果見表2。

從表2可以看出，帶狀偏析區(qū)內(nèi)鉬、鉻、釩和錳元素的含量均高于基體。由于在能譜儀分析中碳含量誤差很大，在此不進(jìn)行碳含量對比分析。

圖10 斷口中帶狀偏析缺陷體視鏡放大形貌Figure 10 The stereoscope enlarged appearance of banded segregation in fracture

圖11 斷口中帶狀偏析缺陷中夾雜物體視鏡形貌Figure 11 The stereoscope appearance of inclusion of banded segregation in fracture

圖12 帶狀偏析區(qū)內(nèi)呈細(xì)碎準(zhǔn)解理狀的微觀形貌Figure 12 The microscopic appearance of finely quasi cleavage in the banded segregation zone

圖13 帶狀偏析區(qū)內(nèi)呈韌窩與準(zhǔn)解理混合狀的微觀形貌Figure 13 The microscopic appearance of the mixed type of toughening nest and quasi cleavage in the banded segregation zone

圖14 斷口中帶狀偏析區(qū)與基體交接處微觀形貌Figure 14 The microscopic appearance of the junction between banded segregation area and matrix of fracture

圖15 基體微觀形貌Figure 15 The microstructure of matrix

圖16 斷口中帶狀偏析缺陷SEM低倍形貌Figure 16 The SEM macroscopic appearance of banded segregation defect in fracture

圖17 黑框區(qū)域放大形貌Figure 17 The enlarged appearance of black box area

測量部位編號CSiMnSCrMoVFe1234560.390.400.93 -0.510.400.520.480.80-0.510.541.581.781.4660.741.290.63---39.26--2.152.442.16-1.541.642.204.312.99-1.421.680.781.24----92.3789.3591.65-94.7394.10

圖18 斷口中帶狀偏析區(qū)中顆粒狀夾雜物形貌Figure 18 The appearance of granular inclusions in banded segregation zone

圖19 顆粒夾雜物成分能譜圖Figure 19 The spectrum diagram of granular inclusions compositions

圖20 斷口中帶狀偏析區(qū)內(nèi)小顆粒狀析出物形貌Figure 20 The appearance of small granular precipitates in banded segregation zone of fracture

進(jìn)一步觀察還發(fā)現(xiàn)，在斷口中帶狀偏析區(qū)中心硫化物夾雜脫落后凹坑面上還鑲嵌有顆粒狀夾雜物(見圖18)。經(jīng)能譜儀成分分析確認(rèn)為鎂鋁尖晶石夾雜，同時復(fù)合有MnO夾雜，見圖19。在另一凹坑面上還鑲嵌有細(xì)小顆粒狀析出物(見圖20)，經(jīng)能譜儀成分分析，這些細(xì)小顆粒狀中碳、釩、鉬、鉻元素的譜線明顯偏高，還有鈦和氧元素的譜線，見圖21。

2.4 低倍組織體視鏡觀察

在圖2和圖3中各橫向低倍試片上標(biāo)注帶狀偏析密集分布的區(qū)域，在圖5～圖8中的斷口試片中根據(jù)標(biāo)注的帶狀偏析密集分布區(qū)域切取20塊金相樣品，按橫、縱向金相面各分10塊進(jìn)行磨拋，再用4%的硝酸酒精溶液浸蝕，則在各金相面上肉眼可見其點(diǎn)狀和帶狀偏析缺陷。在體視鏡下觀察，橫向金相面上顯示的帶狀偏析缺陷形貌見圖22，其進(jìn)一步放大形貌見圖23。

圖21 小顆粒狀析出物成分能譜圖Figure 21 The spectrum diagram of small granular precipitates compositions

圖22 橫向金相面上顯示的帶狀偏析缺陷體視鏡形貌Figure 22 The stereoscope appearance of banded segregation defects on transverse optical surface

圖23 帶狀偏析缺陷體視鏡放大形貌Figure 23 The enlarged stereoscope appearance of banded segregation defect

在縱向金相面上顯示的帶狀偏析缺陷形貌見圖24。圖24中可見有許多顏色略暗的偏析條紋，在上述大的低倍圓片上因其表面粗糙度相對較大而顯示不明顯，但當(dāng)偏析嚴(yán)重到一定程度時則成為圖中顏色略白的帶狀偏析缺陷，即可在上述大的低倍圓片上清楚顯示出來。

3 結(jié)論

(1)轉(zhuǎn)子軸頸表面低倍酸洗面上顯示的許多黑灰色細(xì)小條帶狀缺陷，其性質(zhì)為嚴(yán)重帶狀偏析。該缺陷密集分布在轉(zhuǎn)子所用鋼錠A型偏析區(qū)域內(nèi)，鍛造熱加工使A型偏析區(qū)域略有偏移，在機(jī)加工時使鋼中A型偏析區(qū)內(nèi)部分嚴(yán)重帶狀偏析缺陷暴露在轉(zhuǎn)子軸頸表面。

圖24 縱向金相面上顯示的帶狀偏析缺陷體視鏡形貌Figure 24 The stereoscope appearance of banded segregation defects on longitudinal optical surface

(2)帶狀偏析缺陷內(nèi)部鉬、鉻和釩元素含量均明顯偏高，碳、硅和錳元素含量也均高于基體，其顯微組織中分布有鉬、鉻和釩元素含量較高的顆粒狀合金碳化物，多數(shù)嚴(yán)重帶狀偏析區(qū)中心斷續(xù)分布有硫化錳夾雜，部分硫化錳夾雜處還偏聚鎂鋁尖晶石等夾雜物。

[1] 毛雪平，等.30Cr1Mo1V轉(zhuǎn)子鋼的蠕變特性.動力工程， 2006(6):904-907.