核主泵轴用0Cr13Ni4Mo钢低温冲击韧性研究

王海棠，吕蕊娇，张俊峰，董静晨，计 璇

( 沈阳科金特种材料有限公司，辽宁 沈阳110101)

0Cr13Ni4Mo钢是在Cr13型不锈钢基础上，通过添加Ni、Mo等元素，降低碳含量而发展出来的一种高强、高韧、耐蚀不锈钢。近年为了适应核电站主循环泵国产化的要求，该材料成为核主泵轴的首选，并进行了深入研究。在正常操作、工艺条件下，材料的力学性能指标[1]，强度很容易达到Rm800～1000 MPa，冲击功达到Akv150～200 J的水平，但是低温冲击韧性却往往显示出较大差别。这与钢的淬火温度、回火温度、去应力回火温度的选择有极大关系。因此如何调整热处理工艺，稳定地获得高的低温冲击韧性成为热处理生产中的重要课题。

1 试验

1.1 回火制度对低温冲击韧性的影响

试验采用感应炉加电渣双联冶炼工艺，电渣钢锭经过反复墩锻，具有足够大的锻比。试块尺寸为20 mm×20 mm×50 mm，钢的化学成分如表1所示。

表1 0Cr13Ni4Mo的化学成分(%)

试验了三种热处理工艺，分别测量其+20 ℃～-60 ℃的冲击功。

第一种工艺：1020 ℃淬火+600 ℃回火，空冷，为本钢种的常规处理工艺。

第二种工艺：1020 ℃淬火+600 ℃回火，空冷+550 ℃去应力4 h，为常规工艺加去应力回火。

第三种工艺：1020 ℃淬火+570 ℃回火，空冷+530 ℃去应力4 h。

1.2 淬火温度对低温冲击韧性的影响

研究了三种不同淬火温度对冲击韧性及硬度的影响。

第一种工艺：1020 ℃油淬，580 ℃4 h空冷+560 ℃4 h空冷。

第二种工艺：1000 ℃油淬，580 ℃4 h空冷+560 ℃4 h空冷。

第三种工艺：980 ℃油淬，580 ℃4 h空冷+560 ℃4 h空冷。

2 试验结果

2.1 回火制度对低温冲击试验影响的试验结果

温度与冲击韧性的关系如图1和表2所示。可以得到如下结论：

1)按工艺Ⅰ处理，冲击韧性可达到最佳韧性水平。在+20 ℃～-60 ℃温区内，宏观断口全部为韧性断裂。

图1 0Cr13Ni4Mo钢的低温冲击韧性

表2 0Cr13Ni4Mo钢的低温冲击韧性

2)按工艺Ⅱ处理的钢，在-60 ℃～+20 ℃温区内，冲击韧性都保持较高水平。冲击韧性与试验温度关系曲线与工艺Ⅰ相似，但是整体韧性水平略有下降。这与550 ℃回火时钢中合金碳、氮化物的析出有关。

钢的宏观断口形态如图2所示。-60 ℃～+20 ℃冲断的试块都具有很宽的剪切唇，断口电镜扫描的微观形貌见图3。试样的-40 ℃～+20 ℃微观断口为韧窝状，但是其-60 ℃的断口呈解理状。

(a)冲击试验温度+20℃ (b)冲击试验温度-40℃ (c)冲击试验温度-60℃图2 0Cr13Ni4Mo钢的低温冲击宏观断口

3)按工艺Ⅲ处理的钢，其+20 ℃的冲击韧性仍然较高，随试验温度下降Ak值急剧降低。在+20 ℃～-60 ℃冲击断口上(如图3所示)，其剪切唇基本消失。在扫描电镜中，断口呈解理状，没有观察到断口上有任何析出物，也没有发现沿晶断裂现象。初步测试可计算出，第Ⅲ组钢的韧-脆转变温度为-12 ℃。

(a)冲击试验温度+20℃ (b)冲击试验温度-40℃ (c)冲击试验温度-60℃图3 0Cr13Ni4Mo钢的低温冲击微观断口

2.2 淬火温度对低温冲击影响的试验结果

研究了在相同回火温度和去应力回火温度下，淬火温度对低温冲击韧性的影响，一般文献认为[2]，铬的碳、氮化物析出，是引起冲击值降低的主要原因。结果见表3。

表3 淬火温度对0Cr13Ni4Mo钢冲击韧性影响

由表3可以看出，在相同的回火和去应力处理温度下，淬火温度对-40 ℃低温冲击值有明显影响。当淬火温度下降到980 ℃以下，第Ⅵ组试样的硬度和-40 ℃冲击韧性同时降低。

从这一组试验可以进一步阐明，0Cr13Ni4Mo钢的淬火处理温度不能低于1000 ℃。为提高低温冲击值，必须选择较高的淬火温度。

3 结论

通过对0Cr13Ni4Mo钢的低温冲击性能与热处理工艺关系的研究，对获得较高的低温冲击韧性得到如下的认识：

1)钢的淬火温度不宜低于1020 ℃，以保证铬、钼等合金元素充分溶入钢中。为避免高温下晶粒粗化，试料在炉中保温时间不宜过长，1～2小时已足够。

2)钢的回火温度宜控制在590～620 ℃之间，回火后宜快速冷却，不许炉冷。对Φ350 mm以下的轴料，采用空冷方式可达到满意的效果。

3)对于必须进行第二次去应力回火的部件要注意温度选择，使去应力温度远离0Cr13Ni4Mo钢的回火脆性区(450～500 ℃)。一般宜选择500～560 ℃为宜。保温时间不宜长，以3～4小时为好。