铸钢件2.5Cr-1Mo系列材质化学成分与力学性能关系的探讨

2012-09-04谢永祥唐钟雪张生存

中国铸造装备与技术 2012年6期

谢永祥，唐钟雪，张生存

(宁夏共享铸钢有限公司，宁夏银川 750021)

自2006年以来我公司已成为世界F级燃气轮机铸钢件重要的生产基地，优化此类铸钢件材质2.5Cr-1Mo，获得稳定的钢液质量，降低铸件的夹渣缺陷量，成为产品制造过程中重要工作之一。公司对所有钢种的成分控制主要是根据牌号要求进行控制，对同一钢种没有形成固定的内部成分标准，因此各元素的波动范围比较大。由此，有可能造成铸件力学性能的不稳定，甚至出现力学性能不达标的情况。为了稳定铸件的力学性能，提高一次热处理的成功率，有必要根据具体的铸件及材质制定企业内部的成分控制标准，一旦内控标准制定之后，不仅能够稳定冶炼时的成分控制，而且还能将热处理工艺固化，便于实际操作。

1 实施过程

1.1 化学成分及力学性能要求

2.5 Cr-1Mo系列铸钢常用于燃气轮机铸件，化学成分及力学性能见表1、表2。

由表1可见，所有合金元素的控制范围均较大，通过合理调整成分，在满足其力学性能的前提下可节约大量成本。因此本文将从化学成分的配比考虑，通过成分优化提高其力学性能的稳定性，降低成本。

1.2 数据统计分析

针对2.5Cr-1Mo钢种，公司熔炼上百炉钢液，根据最终检测中心提供的化学成分及力学性能分析报告，利用Minitab软件进行统计分析。

表1 2.5Cr-1Mo化学成分要求（w%）

表2 2.5Cr-1Mo力学性能要求

1.2.1 2.5Cr-1Mo成分控制现状

C分布在中限0.175%;Si分布在0.53%～0.62%之间；Mn分布在0.75%，有几次控制偏低；Cr分布在2.4%以下；Mo分布范围比较窄，分布在0.96%～0.98%之间。

1.2.2 2.5Cr-1Mo力学性能现状

图1 Cr含量的时间序列图

抗拉强度分布在670MPa左右，有几个偏高偏低值，但都符合要求；屈服强度分布在485MPa左右，出现了几个异常值；延伸率分布在25%附近，有一个接近下限的值；断面收缩分布在65%左右，出现了几个异常值。目前所生产的铸件力学性能全部符合要求。

图2 力学性能箱线图

1.2.3 2.5Cr-1Mo抗拉强度与成分的关系

抗拉强度分布在650MPa～675MPa，占概率分布的80%以上。C分布范围0.168%～0.185%；Si分布范围0.50%～0.70%；Mn分布范围0.72%～0.80%；Cr的含量大部分位于2.2%～2.4%；Mo含量的变化比较小，位于0.94%～1.00%之间。

图3 抗拉强度与Mn%的边际图

经以上分析,目前的抗拉强度80%位于650MPa～675MPa之间，各个元素占80%以上的分布范围分别为：C=0.168%～0.185%，Si=0.50%～0.70%，Mn=0.72%～0.80%,Cr=2.20%～2.40%,Mo=0.94%～1.00%。

1.2.4 2.5Cr-1Mo延伸率与成分的关系

图4表明延伸率与化学成分无明显的对应关系，可以说目前的成分控制变化范围对延伸率影响不大。

1.2.5 2.5Cr-1Mo影响力学性能的主要元素

图5表明，C、Si、Mn三种元素的含量配比对于抗拉强度的影响最大。

图6表明，延伸率与C、Mn含量成反比，Mn元素含量对其影响最为显著。

图4 延伸率与Mo%的边际图

图5 响应为抗拉强度的因子效应排列图

图6 延伸率的主效应图

1.2.6 抗拉强度的等值模拟图

根据上图主要元素分析图可以看出，对力学性能影响最大的为 C、Si、Mn、Cr、Mo的成分。根据目前的概率分布最大的成分和适当考虑合金成本即可。等值线表明了强度随合金元素之间的变化情况：

图7 抗拉强度的等值线

Mn=0.70%时,C＞0.17%,则 Si在0.40%以上就能获得强度＞640MPa的性能。

Si=0.605%时，C=0.16%～0.19%，Mn=0.65%～0.70%，能获得强度660MPa～680MPa的性能。

C=0.18%时，Si＞0.50%，Mn＞0.63%，获得强度660MPa～680MPa的性能。

综合考虑后初步确定以下控制范围：

C=0.17%～0.19%；Si=0.40%～0.65%；Mn=0.60%～0.80%;Cr=2.2%～2.4%,Mo=0.94%～1.0%。

1.2.7抗拉强度的等值模拟分析

根据目前的数据分析，如果要得到650MPa的抗拉强度和30%的延伸率，则控制成分应该为C=0.187%;Si=0.43%；Mn=0.70%；Cr=2.20%,Mo=0.92%，结合上面的分析，同时考虑成本控制，拟定最终的成分控制范围为：C=0.17%～0.20%；Si=0.40% ～0.65%;Mn=0.60% ～0.80%；Cr=2.1%～2.3%，Mo=0.92%～1.0%。

1.2.8回归方程建立

回归方程为：抗拉强度=499+1079C%+187Si%+24.5Mn%-23.7Cr%-95.2Mo%，延伸率=22.4-21.0 C%+0.72Si%-9.72Mn%+0.92Cr%+11.1Mo%。