30Cr1Mo1V高中压转子表面缺陷分析

高建军 巴钧涛 邵奎祥 霍连喆 曲聪凯

(中国第一重型机械股份公司天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

30Cr1Mo1V材料是我国在20世纪90年代从美国引进的一种CrMoV转子钢，用以替代性能不稳定的30Cr2MoV转子钢，该材料目前已被广泛用于亚临界大型火力发电机组的高中压转子[1]。我公司在2010年为某公司生产了一支50 MW整体高中压转子，在用户精加工过程中，在转子冒口端轴颈部位目视发现许多条状缺陷。经与用户协商后对缺陷部位进行解剖分析，以确定缺陷性质，为以后此类产品的生产工艺改进提供依据。

1 取样

在转子轴颈端缺陷部位锯切下∅301.2 mm×230 mm的试料。将转子试料在车床上车削部分圆表面，并未发现肉眼可见缺陷。对车削后的试料取横向和纵向试片进行低倍试验。图1为低

倍及断口试样取样示意图。30Cr1Mo1V转子钢化学成分见表1。

图1 低倍及断口试样取样示意图Figure 1 The schematic drawing of sampling macroscopic fracture specimens

CSiMnPSCrNiMoVCuAl规格成分实际成分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 低倍及高倍检验

2.1 低倍检验

对图1中的1号横向试片、2号横向试片和纵向试片做低倍酸洗，结果如图2～图4所示。

图2 1号横向试片低倍形貌Figure 2 The macroscopic appearance of No.1 transverse test piece

图3 2号横向试片低倍形貌Figure 3 The macroscopic appearance of No.2 transverse test piece

图4 纵向试片低倍形貌Figure 4 The macroscopic appearance of longitudinal test piece

从图2和图3可以看出，1号横向试片低倍面中整个边缘区域均分布有较为密集、形态不规则的黑灰色点状偏析缺陷；在2号横向试片低倍面中整个边缘区域分布的点状偏析缺陷则更为密集和明显。进一步仔细观察发现，两片横向低倍组织中由密集分布的黑灰色点状偏析缺陷围成的边缘圆环区域中心与转子轴心并不重合，而是略有偏离，由此推断转子轴心偏离原钢锭中心，此现象是在锻造过程中形成的。由上述两片横向低倍组织中点状偏析缺陷围成的边缘圆环区域厚度的变化规律可以确定，向外偏心一侧的点状偏析缺陷围成的边缘圆环区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。图4所示的纵向试片低倍组织则显示上述横向试片低倍面显示的点状偏析缺陷在此表现为细小的条带状偏析缺陷。上述低倍检验说明了转子轴颈端的条带状缺陷就是转子内部靠近外表面区域密集分布的条带状缺陷的外露，其缺陷性质为典型的带状偏析，该区域即为原钢锭的A型偏析区。

2.2 宏观断口检验及体视镜观察

对图2和图3中所显示的两片横向低倍试片的边缘区域切取8块断口试样进行宏观断口检验，各横向低倍片上取断口样压折后拼接形貌分别见图5和图7，其宏观断口形态主要呈结晶状，见图6和图8。由于带状偏析缺陷非常细小，肉眼观察隐约可见，用五倍放大镜则清晰可见。该区域反光较弱，与基体断口分界明显，在体视显微镜下观察断口中带状偏析缺陷较为清晰，见图9和图10。另外，在部分断口中带状偏析缺陷中心处发现有夹杂物，见图11。在8组匹配断口中共计发现有15条带状偏析缺陷，这些缺陷非常细小，其宽度多在肉眼分辨的界限左右，最宽仅约为1 mm，但其长短不一。

2.3 断口电镜观察及能谱分析

将上述断口样品在扫描电镜下观察，其带状偏析区内微观断口形貌主要呈较为细碎的准解理状(见图12)，有的区域也呈韧窝与准解理混合状(见图13)。在断口中15个带状偏析区中的大多数中心断续分布有硫化物夹杂，而基体断口中极少发现有硫化物夹杂，即绝大多数硫化物夹杂偏聚在带状偏析区中。带状偏析区与基体的交界处断口形态呈沿晶状，见图14。基体断口微观形貌呈准解理和解理混合状，见图15。

在断口中选择一带状偏析区及附近进行能谱微区成分分析，其断口的低倍形貌见图16。把图

图5 1号横向低倍试片断口样压折后拼接形貌Figure 5 The macroscopic splicing appearance of fracture after crushingof No.1 transverse test piece

图6 1号横向低倍试片上断口的宏观形貌Figure 6 The macroscopic appearance of fracture of No.1 transverse test piece

图7 2号横向低倍试片断口样压折后拼接形貌Figure 7 The macroscopic splicing appearance of fracture after crushing of No.2 transverse test piece

图8 2号横向低倍试片上断口的宏观形貌Figure 8 The macroscopic appearance of fracture of No.2 transverse test piece

图9 断口中带状偏析缺陷体视显微镜放大形貌Figure 9 The stereoscope enlarged appearance of banded segregation in fracture

16中的黑框区域放大观察，在图17中带状偏析区内选7点，其中1号、2号为带状偏析区内，4号为硫化物夹杂处，在带状偏析区与基体交界的沿晶处为3号位，5号和6号位为基体区域。图17中1～6号位元素微区成分分析结果见表2。

从表2可以看出，带状偏析区内钼、铬、钒和锰元素的含量均高于基体。由于在能谱仪分析中碳含量误差很大，在此不进行碳含量对比分析。

图10 断口中带状偏析缺陷体视镜放大形貌Figure 10 The stereoscope enlarged appearance of banded segregation in fracture

图11 断口中带状偏析缺陷中夹杂物体视镜形貌Figure 11 The stereoscope appearance of inclusion of banded segregation in fracture

图12 带状偏析区内呈细碎准解理状的微观形貌Figure 12 The microscopic appearance of finely quasi cleavage in the banded segregation zone

图13 带状偏析区内呈韧窝与准解理混合状的微观形貌Figure 13 The microscopic appearance of the mixed type of toughening nest and quasi cleavage in the banded segregation zone

图14 断口中带状偏析区与基体交接处微观形貌Figure 14 The microscopic appearance of the junction between banded segregation area and matrix of fracture

图15 基体微观形貌Figure 15 The microstructure of matrix

图16 断口中带状偏析缺陷SEM低倍形貌Figure 16 The SEM macroscopic appearance of banded segregation defect in fracture

图17 黑框区域放大形貌Figure 17 The enlarged appearance of black box area

测量部位编号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

图18 断口中带状偏析区中颗粒状夹杂物形貌Figure 18 The appearance of granular inclusions in banded segregation zone

图19 颗粒夹杂物成分能谱图Figure 19 The spectrum diagram of granular inclusions compositions

图20 断口中带状偏析区内小颗粒状析出物形貌Figure 20 The appearance of small granular precipitates in banded segregation zone of fracture

进一步观察还发现，在断口中带状偏析区中心硫化物夹杂脱落后凹坑面上还镶嵌有颗粒状夹杂物(见图18)。经能谱仪成分分析确认为镁铝尖晶石夹杂，同时复合有MnO夹杂，见图19。在另一凹坑面上还镶嵌有细小颗粒状析出物(见图20)，经能谱仪成分分析，这些细小颗粒状中碳、钒、钼、铬元素的谱线明显偏高，还有钛和氧元素的谱线，见图21。

2.4 低倍组织体视镜观察

在图2和图3中各横向低倍试片上标注带状偏析密集分布的区域，在图5～图8中的断口试片中根据标注的带状偏析密集分布区域切取20块金相样品，按横、纵向金相面各分10块进行磨抛，再用4%的硝酸酒精溶液浸蚀，则在各金相面上肉眼可见其点状和带状偏析缺陷。在体视镜下观察，横向金相面上显示的带状偏析缺陷形貌见图22，其进一步放大形貌见图23。

图21 小颗粒状析出物成分能谱图Figure 21 The spectrum diagram of small granular precipitates compositions

图22 横向金相面上显示的带状偏析缺陷体视镜形貌Figure 22 The stereoscope appearance of banded segregation defects on transverse optical surface

图23 带状偏析缺陷体视镜放大形貌Figure 23 The enlarged stereoscope appearance of banded segregation defect

在纵向金相面上显示的带状偏析缺陷形貌见图24。图24中可见有许多颜色略暗的偏析条纹，在上述大的低倍圆片上因其表面粗糙度相对较大而显示不明显，但当偏析严重到一定程度时则成为图中颜色略白的带状偏析缺陷，即可在上述大的低倍圆片上清楚显示出来。

3 结论

(1)转子轴颈表面低倍酸洗面上显示的许多黑灰色细小条带状缺陷，其性质为严重带状偏析。该缺陷密集分布在转子所用钢锭A型偏析区域内，锻造热加工使A型偏析区域略有偏移，在机加工时使钢中A型偏析区内部分严重带状偏析缺陷暴露在转子轴颈表面。

图24 纵向金相面上显示的带状偏析缺陷体视镜形貌Figure 24 The stereoscope appearance of banded segregation defects on longitudinal optical surface

(2)带状偏析缺陷内部钼、铬和钒元素含量均明显偏高，碳、硅和锰元素含量也均高于基体，其显微组织中分布有钼、铬和钒元素含量较高的颗粒状合金碳化物，多数严重带状偏析区中心断续分布有硫化锰夹杂，部分硫化锰夹杂处还偏聚镁铝尖晶石等夹杂物。

[1] 毛雪平，等.30Cr1Mo1V转子钢的蠕变特性.动力工程， 2006(6):904-907.