30Cr2Ni4MoV低压转子用钢回火后显微组织分析

李红梅 常军委 张雪姣

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

30Cr2Ni4MoV低压转子用钢回火后显微组织分析

李红梅 常军委 张雪姣

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

利用光学显微镜、扫描电镜和透射电子显微镜分析了30Cr2Ni4MoV低压转子轴身距表面不同距离处回火后的显微组织。结果表明，低压转子回火后距表面不同位置硬度值变化不大；轴身处径向晶粒尺寸变化不明显，晶粒度均在6.5级左右；回火后距表面20 mm及300 mm位置处组织分别为回火马氏体、贝氏体；近表面处的主要碳化物类型为M3C、M7C3和M2C；距表面300 mm处的主要碳化物类型为M3C和M7C3。

30Cr2Ni4MoV钢；回火；微观组织；碳化物

随着社会经济的发展和工业化水平的提高，高效率、高参数、大容量的发电机组成为世界各国电力工业的主力机组。20世纪80年代初，我国引进了美国西屋公司300 MW和600 MW亚临界机组的制造技术，汽机、重机行业对其进行了消化吸收，85及93电站大锻件专用标准中也列出了该钢种，牌号为30Cr2Ni4MoV，对应国外钢种的牌号Ni3.5CrMoV[1-3]。30Cr2Ni4MoV钢是一种常用的中低合金高强度钢，由于具有淬透性高、综合力学性能好和冷热加工性能优良等特点，被广泛的用于制造大型发电机与汽轮机低压转子[4]。

对于转子这类大锻件，材料在热加工环节中，由于表面与内部传热速率不一样，会形成一定的温度差，对其组织及性能产生影响，研究表明低压转子的综合力学性能在很大程度上取决于它的热处理工艺及其所得的微观组织[5]。因而研究30Cr2Ni4MoV钢的组织转变，对制订低压转子的热处理工艺、控制低压转子的微观组织以及改善低压转子的最终性能，具有十分重要的指导意义。 在以往核电汽轮机低压转子的研究中，多侧重于热加工工艺优化、组织与性能改善及晶粒细化等方面[4-8]。由于低压转子的尺寸非常大，制造和解剖费用非常高，因此有关转子径向的化学成分、显微组织和力学性能分析的研究很少。我们对中国一重生产的1.7 m直径的低压转子锻件沿轴身及轴颈不同位置进行了纵剖，并研究了直径方向上不同位置的淬火、回火力学性能及显微组织。本文对轴身处距表面不同距离的显微组织进行了研究，这对优化转子的制造工艺，提高产品质量有着非常重要的意义。

1 实验材料与方法

实验材料取自本公司生产的直径1.7 m的低压转子，其化学成分见表1。将材料在830～850℃均匀化处理52 h后，595℃回火处理50 h。在轴身直径1723 mm处套料，分别在直径方向上距表面20 mm和300 mm处取样，取料示意图如图1所示。

所取棒料做维氏硬度测试，按GB/T 4340.1—2009执行，实验载荷为10 kg，保载时间10 s，每个位置测量3个点。

在低压转子轴身位置，距离表面20mm和300 mm处取10 mm×10 mm×15 mm的试样，在DM 4000M光学显微镜及QUANTA 400扫描电子显微镜下进行观察。同时，在距离表面20 mm和300 mm处用线切割切取0.3～0.4 mm厚的薄片，用砂纸磨至80 μm薄片，冲成∅3 mm的小圆片，用细砂纸磨至40～50 μm，配制5%的高氯酸酒精进行电解液双喷实验，采用JEM-2100场发射透射电镜观察碳化物的形貌。

图1 转子取料示意图Figure 1 Schematic of rotor reclaiming

CSiMnCrNiMoVSP0．240．0110．271．733．610．400．11<0．001<0．005

2 实验结果与讨论

2.1 硬度

淬火及回火状态下分别在距表面20 mm、95 mm、195 mm、305 mm、425 mm、610 mm处取试样测试维氏硬度，其结果如图2所示。从图2可以看出，淬火后从表面到距表面610 mm位置处，其硬度值呈明显下降趋势，回火后，其硬度变化不明显。材料的性能与其微观组织紧密相关，为了解其内部显微组织的变化，取低压转子轴身典型位置处的试样进行分析。

2.2 晶粒度和显微组织观察

图2 转子轴身不同位置处硬度曲线Figure 2 Hardness curve of rotor shaft body at different positions

30Cr2Ni4MoV钢淬火后距表面20 mm及300 mm处的晶粒度如图3所示。距表面20 mm处晶粒度为6.5～6.0级；距表面300 mm处晶粒度为7.0～6.5级。由此可以看出，从表面到距表面300 mm处，晶粒相对比较均匀，些许的差异可能是因为表面保温时间稍长。

(a)距表面20 mm (b)距表面300 mm图3 距表面不同距离的晶粒度Figure 3 Grain size at different locations to surface

图4为30Cr2Ni4MoV钢轴身位置处距表面20 mm及300 mm处的淬火及回火组织。可以看出，距表面20 mm处的淬火组织为马氏体，距表面300 mm处的淬火组织为贝氏体。可以观察到，低压转子不同位置试样的组织中分布着大量的细小碳化物。金相组织的观察受电镜放大倍数的限制，采用扫描电镜对其中的碳化物进行进一步的观察。

利用扫描电子显微镜观察30Cr2Ni4MoV钢距表面不同距离处的回火组织，如图5所示。可以看出，回火后组织中分布着大量的碳化物，碳化物呈条状和颗粒状，部分沿板条界或晶界呈一定 取向分布，部分分布在基体中。碳化物对钢的硬度起着至关重要的作用，钢的硬度主要取决于碳化物的自身硬度，碳化物的弥散分布状态，即与粒子自身特性、大小和相对量有关[9]。为进一步了解30Cr2Ni4MoV钢回火后碳化物的情况，对其进行透射观察。

(a)距表面20mm处淬火组织(b)距表面300mm处淬火组织(c)距表面20mm处回火组织(d)距表面300mm处回火组织

图4 30Cr2Ni4MoV钢淬火组织及回火组织Figure 4 Microstructures of 30Cr2Ni4MoV steel after quenching and tempering

图5 30Cr2Ni4MoV钢回火组织Figure 5 Microstructure of 30Cr2Ni4MoV steel after tempering

图6 距表面20 mm处的TEM形貌
Figure 6 TEM images at location of 20mm away from surface

2.3 回火后碳化物分析

回火后的碳化物对钢的性能有着很大的影响。为了解30Cr2Ni4MoV钢轴身位置回火后碳化物的种类、形态，利用透射电镜得到的一系列结果来分析和确定回火后不同位置碳化物的类型及形态。

图6为距转子轴身表面20 mm处的析出物形貌。可以看出，材料中存在大量的碳化物，碳化物从基体和板条界上析出，其形貌主要为短杆状、多边形状及颗粒状。其中，短杆状碳化物在板条界或板条内沿一定取向分布，多边形状及颗粒状碳化物分布于基体和板条中。

对转子轴身处距表面20 mm的短杆状及颗粒状碳化物进行分析，如图7所示。图7(a)中颗 粒1为短杆状碳化物，碳化物尺寸约为80nm×20 nm，长径比为4∶1。图7(b)为套取颗粒1的衍射斑得到的暗场像，对其进行衍射花样分析，此短杆状碳化物的类型为M3C。对图7(a)中颗粒2进行放大观察，如图7(c)所示，碳化物尺寸约90 nm，进行衍射花样分析发现此颗粒状碳化物为M3C。

(a)明场像(b)颗粒1暗场相及衍射花样(c)局部放大图(d)颗粒2暗场相及衍射花样

图7 短杆状及颗粒状碳化物的TEM观察Figure 7 TEM analysis of the short rod and granular carbide

图8 多边形状碳化物的TEM观察Figure 8 TEM analysis of polygon carbide

图9 颗粒状碳化物的TEM观察
Figure 9 TEM analysis of granular carbide

图8为对转子轴身位置距表面20 mm处的多边形状碳化物进行的分析，碳化物尺寸约120 nm，对其进行衍射花样分析，此碳化物为M7C3。一般认为，M7C3以“原位形核”的方式形成，即Cr首先向Fe3C中富集，当Cr的浓度超过Fe3C中的溶解度极限时，Fe3C发生晶格改组，转变为M7C3，它是30Cr2Ni4MoV钢回火态存在的主要碳化物之一[10]。对转子轴身位置距表面20 mm处的小颗粒状碳化物进行分析，如图9所示，小颗粒尺寸约20 nm，对衍射花样标定的结果进行分析，此碳化物为M2C。杨德新[11]的研究中指出，将含 钼钢置于500～700℃范围内时效时，会析出Mo2C，弥散分布在基体中产生二次硬化。

(a)明场像(b)暗场像及衍射花样

图10 长杆状碳化物的TEM观察Figure 10 TEM analysis of long rod carbide

图11 多边形状碳化物的TEM观察
Figure 11 TEM analysis of polygon carbide

30Cr2Ni4MoV钢轴身位置距表面300 mm处的碳化物分布如图10、图11所示。可以看出，碳化物形态主要有长杆状和多边形状。其中，长杆状碳化物沿一定取向分布，多边形状碳化物稀疏分布于基体中。图10中分析的长杆状碳化物尺寸约为250 nm×50 nm，长径比为5∶1，衍射花样分析此碳化物为M3C。轴身位置距表面300 mm的多边形状碳化物分析如图11所示，多边形状碳化物尺寸约为135 nm，衍射花样分析可知此碳化物为M7C3。

由以上分析可以得出，低压转子轴身位置距表面20 mm处的M3C明显短于距表面300 mm处的M3C，对其进行统计分析，如图12所示。可以看出，同为M3C，在不同的位置处其长度不同，距表面20 mm处的碳化物平均尺寸明显短于距表面300 mm处的碳化物；距表面20 mm处碳化物平均长为76 nm，宽为26 nm，长径比平均值为2.95∶1；距表面300 mm处碳化物平均长为186 nm，宽为46 nm，长径比平均值为4.08∶1。对两种位置的杆状碳化物不同范围的长度在所有统计颗粒中所占的比例进行统计，如图13所示。可以看出，距表面20 mm处的M3C，长度≤100 nm的颗粒约为88%，100～200 nm的颗粒约为12%；距表面300 mm处的M3C，长度≤100 nm的颗粒约为12%，100～200 nm的颗粒约为57%，>200 nm的颗粒约为31%。由此可见，距表面20 mm处的M3C整体而言的确短于距表面300 mm处的M3C。在回火过程中，马氏体分解，碳化物易于在晶界析出，板条界附近的碳原子也向板条界扩散，使这些碳化物沿板条界长大，或者连在一起，形成长条状碳化物[12]。徐盛[13]在研究45CrNiMoV钢时也发现，随回火温度的提高或回火时间的延长，长条状M3C碳化物数量减少，析出碳化物形貌逐渐由长条状向短杆状，由短杆状向球形演变，碳化物的长径比减小。对于30Cr2Ni4MoV钢而言，因为低压转子轴身位置处直径较大，表面在回火温度下保温时间稍长于内部，使得表面杆状碳化物的长度短于内部。

在大量的透射观察中，发现杆状及颗粒状的碳化物均有可能为M3C，为此对其进行了分析，如图14所示。可以看到，图14(a)中杆状的碳化物1倾转一定角度后在图14(b)中显现为颗粒状；图14(a)中杆状的碳化物2倾转一定角度后在图14(b)中仍显现为杆状。能谱分析得知，这两种碳化物均为M3C。由此可以看出，M3C在转子钢中有两种存在形态，即杆状和颗粒状，在不同的位置，其呈现的形貌可能不同。减鑫士[14]在研究45CrMoV钢时也指出，M3C呈颗粒状和杆状，杆状M3C的长度为0.2～0.3 μm，宽度为0.03～0.05 μm，颗粒状M3C的直径约为0.07～0.10 μm。经电子衍射标定，贝氏体与马氏体回火生成的M3C一样，与基体的晶体取向关系也符合Bagaryatsiki关系。

图12 不同位置处杆状碳化物尺寸统计Figure 12 Statistical analysis of carbides sizes at different locations

(a)某一位置碳化物形态(b)倾转一定角度碳化物形态(c)颗粒1EDS(d)颗粒2EDS

图14 30Cr2Ni4MoV钢中的碳化物
Figure 14 Carbide in 30Cr2Ni4MoV steel

2.4 分析与讨论

低压转子淬火后近表层组织为马氏体，距表面300 mm处的组织为贝氏体，使淬火硬度出现较大差别。不同位置的晶粒级别相差很小，晶粒度比较均匀，没有因为低压转子的直径大而在径向上产生很大的区别，也没有发现粗晶和混晶现象，这说明低压转子的晶粒度控制得比较好，有利于转子获得比较均匀的硬度。

以上研究表明，30Cr2Ni4MoV低压转子钢回火时主要析出M3C、M7C3和M2C等几种碳化物。王毛球[15]在研究CrMoNi钢的碳化物时发现，在300～700℃之间回火，析出M3C型碳化物，在M3C型碳化物中还溶有Cr和Mo；500℃回火开始析出M2C型碳化物；在640℃以上回火其X射线衍射峰较强，M2C型碳化物中的合金元素以Mo为主(约50%)，同时还溶有一定量的Cr和Fe；600℃回火时开始析出M7C3型碳化物，其X射线衍射峰较弱，M7C3型碳化物以Cr为主，还溶有Fe和Mo，但M7C3型碳化物的总量较少。M2C型碳化物主要取决于Mo的扩散，因此它在回火温度高于500℃时形成。M7C3型碳化物的形成是以“原位形核”的方式进行的。当扩散至Fe3C中的Cr超过一定限度时，M3C型碳化物发生晶格改组，转变为M7C3型碳化物[16]。

陈荐[17]在研究30Cr2MoV转子钢蠕变过程中的碳化物变化时发现其转变主要有：

(1)基体Fe3C→(Fe·Mo)3C→Mo2C→M6C。

(2)基体Fe3C→(Fe·Cr)3C→Cr7C3→M23C6。

(3)基体和晶界→析出Mo2C→M6C。

(4)基体和晶界→析出Cr7C3→M23C6。

经最终热处理过程，未蠕变的30Cr2MoV转子钢中以M3C型碳化物为主，而经长时间蠕变后，碳化物中以M23C6和M6C型等碳化物为主。A. inoue[18]在研究回火Cr-Mo钢时也发现，在600℃时M7C3开始形成，700℃时M7C3完全替代M3C。M3C有颗粒状和条状两种形态，颗粒状M3C尺寸较小，其直径为0.02～0.20 μm，均匀分布于基体中，原奥氏体晶界上的M3C颗粒比较大一些。长条状M3C有一定的方向性，表现出沿马氏体板条界析出的特征，其长度为0.50～1.0 μm，厚度为0.03～0.10 μm[19]。在低压转子30Cr2Ni4MoV钢中也观察到了M3C的颗粒状和杆状形态，只不过由于钢的成分和处理条件不同，碳化物的尺寸与其稍有差异。

低压转子不同位置显微组织的区别主要是因为转子本身的直径大，导致转子在锻造和热处理过程中出现了显微组织的不均匀。由以上分析可知，轴身位置试样的碳化物分布随着贝氏体及马氏体板条的方向具有一定的取向性，在试样的不同位置，碳化物的形貌和大小有一定的区别，碳化物的形状有杆状、块状及颗粒状等不同的形貌。低压转子本身尺寸较大，各部分显微组织存在差别，不易对比发现区别，我们认为有必要通过更加细致的研究分析才能确认这些变化，将继续进行后续的研究。

3 结论

(1)30Cr2Ni4MoV钢不同位置的晶粒度比较均匀，回火后轴身位置距表面20 mm及300 mm位置处组织分别为回火马氏体、贝氏体。

(2)低压转子回火后碳化物形貌主要为杆状、多边形状和颗粒状，轴身近表面处的主要碳化物类型为M3C、M7C3和M2C。距表面300 mm处的主要碳化物类型为M3C和M7C3。

(3)M3C在30Cr2Ni4MoV钢中以两种形态存在，分别为杆状、颗粒状。

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编辑 杜青泉

Microstructure Analysis of 30Cr2Ni4MoV Low Pressure Rotor Steel after Tempering

LiHongmei，ChangJunwei，ZhangXuejiao

The microstructure of shaft body of 30Cr2Ni4MoV low pressure rotor was analyzed after tempering at different distance to the surface by optical microscope, scan electron microscope and transmission electron micrscope. The result shows that the hardness of low pressure rotor is relatively uniform at different distances to the surface after tempering. The change of radial grain size at shaft body is not obvious, the grain grades are all about 6.5. The structures at locations of 20mm and 300mm away from the surface after tempering are respectively the tempered martensite and the bainite. The main types of carbide are M3C, M7C3and M2C, the main types of carbide at location of 300mm away from the surface are M3C and M7C3.

30Cr2Ni4MoV steel, tempering, microstructure, carbide

TG142

B

2017—05—04