1Mn18Cr18N护环钢固溶强化研究

牛广斌，芮守泰，徐国涛，张建国

（天津重型装备工程研究有限公司，天津 300457）

1Mn18Cr18N护环钢固溶强化研究

牛广斌，芮守泰，徐国涛，张建国

（天津重型装备工程研究有限公司，天津 300457）

1Mn18Cr18N护环钢热处理过程中不发生相变，是单项奥氏体，所以锻造时产生的碳化物只能通过固溶处理进入奥氏体。利用小试样模拟试验，在1050℃进行固溶处理，通过三种不同冷却方式分析其对力学性能、组织、析出物的影响，得出在水冷（水循环良好）条件下的综合力学性能良好，兼具较低的屈服强度和较好的韧性。

1Mn18Cr18N钢；护环；固溶处理；强化

护环应具备足够高的强度和良好的塑性与韧性，并且在高强度的前提下有一定的屈强比[1]。对于功率在300MW以上的大型电机来说，护环的屈服强度均在1000MPa以上。此外，护环在强磁场环境下工作，工作过程中易产生漏磁和涡流热等损耗，为减少这些损耗，提高发电机效率，护环必须采用低导磁率单相奥氏体无磁钢制造。由于奥氏体无磁钢从高温降至低温时不发生相变，所以不能用常规的热处理方法使其达到所要求的强度指标，只能采用冷变形强化的方法（钢在再结晶温度以下进行变形时，会产生加工硬化，使其屈服极限提高）来达到提高其力学性能的目的[2]。目前国际上主要采用1Mn18Cr18N钢作为护环的主要材质，由于该护环钢热处理过程中不发生相变，是单项奥氏体，为得到稳定、均匀的奥氏体，从而保证冷变形强化的顺利进行，对其进行固溶处理。把碳以固溶状态的奥氏体组织进行快速冷却保留到室温，以提高材料的塑性、韧性和耐蚀性。利用小试样模拟试验，在1050℃对小试样进行固溶处理，通过三种不同冷却方式分析其对力学性能、组织、析出物的影响。

1 试验材料及方法

试验所用Mn18Cr18钢采用电渣锭冶炼，经热锻后对其进行取样。其晶粒度及化学成分如表1所示。

表1 试验用试样的晶粒度及化学成分/（%，质量分数）

对试样进行如图1所示的曲线固溶处理。固溶温度参照相关经验选取1050℃[3-4]。主要研究在不同冷却条件下Mn18Cr18钢晶界处碳化物析出对塑性的影响，小试样模拟对应护环锻件不同的冷却条件。三种曲线对应护环锻件三种冷却条件：曲线1对应水冷条件下材料的塑性潜力（理想固溶条件下材料塑性）；曲线2对应ø160mm有效截面锻件水循环冷却表面；曲线3对应ø160mm有效截面锻件浸水（无水循环）表面。

图1 小试样三种不同条件加热冷却曲线

通过实验得到上述冷却条件下材料性能及组织、析出物对比，其中力学性能拉伸试验，采用室温拉伸及100℃拉伸两种方式，为后续冷变形提供数据支持。

2 试验结果及讨论

2.1 力学性能对比

从表2可以发现，在三种不同的冷却条件下，室温强度差别不明显，韧性指标均良好，随着冷却速度变慢，冲击功呈下降趋势。在100℃实验条件下屈服强度差别较大，在水循环冷却条件下（曲线2），屈服强度最低。

表2 三种不同冷却条件下的力学性能

从图2可以清楚地发现，在浸水（水不循环）条件下（对应曲线 3），试样的硬度值明显升高，同时冲击韧性下降较为明显。结合表2中100℃拉伸试验结果，可以总结出在水冷（水循环良好）条件下的综合力学性能最为理想，兼具较低的屈服强度和较好的韧性，同时硬度最低，是可以满足护环胀形的热处理条件。

表3 三种不同冷却条件下的室温布氏硬度

图2 三种不同冷却条件下的室温冲击功及硬度变化情况

2.2 组织及晶界处析出物分析

对三种不同冷却条件下的试样进行了组织及析出物分析，结果如表4所示。

表4 三种不同冷却条件下的金相组织及晶粒度

三种冷却条件下组织及晶粒度均相同，由此可见，固溶处理对晶粒度几乎没有影响。如图3所示。

从图4可以观察到在理想冷却条件下（曲线1），晶内和晶界处几乎没有析出物。在水循环良好冷却条件下（曲线2），晶内及晶界处均有少量析出物。在水不循环冷却条件下（曲线3），晶内及晶界处析出物增多。但是从析出物的尺寸分析可以发现，析出物非常细小，只有数微米。对晶界处析出物进行能谱分析，如图5所示，晶界处析出物可以定性为碳化物。

图3 三种不同冷却条件下试样金相

图4 三种不同冷却条件下试样的扫描电镜照片

图5 晶界处析出物能谱分析结果

在水不循环冷却条件下（曲线3），晶界处碳化物析出增加是导致硬度上升和冲击功下降的主要影响因素，见图2。综上，护环在良好水循环冷却条件下即可保证得到单一的奥氏体组织，同时能够有效抑制晶界处碳化物析出。

3 结论

1Mn18Cr18N护环钢在良好水循环冷却条件下即可保证得到单一的奥氏体组织，此时其综合力学性能最为理想，兼具较低的屈服强度和较好的韧性，同时硬度最低，是可以满足护环胀形的热处理条件。1Mn18Cr18N护环钢进行固溶后其强度降低不大，塑性提高，能够为冷变形提供良好的基础性能，经冷变形后才能达到技术标准的性能要求。

[1]周维志，孙晓洁，李子凌，等.奥氏体护环钢的发展历程[J].大型铸锻件，1999，（4）：43-45.

[2]杨 兵，曲东方，郭宝强，等.600MW 1Mn18Cr18N护环的制造[J].大型铸锻件，2010，（6）：31-34.

[3]赵俊民.1Mn18Cr18N钢无磁性护环锻件的试制[J].大型铸锻件，2010，（1）：27-29.

[4]李荣红.30MW护环的制造工艺研究 [J].金属加工，2012，（19）：52-53.

Study on solid solution strengthening process of 1Mn18Cr18Nretaining ring steel

NIU Guangbin，RUI Shoutai，XU Guotao，ZHANG Jianguo
（Tianjin Heavy Industries Co.,Ltd.,Tianjin 300457,China）

Since 1Mn18Cr18N retaining ring steeldoesn't have phase transformation during the heat treatment,which is single austenite,the carbide produced by forging can only go into austenite by solid solution treatment.By use of small sample simulation test,the solution treatment has been conducted at 1050℃;three different kinds of cooling way have been adopted to analyze its influence to mechanical performance,organization and precipitates.It is obtained that the comprehensive mechanical propertyis good under the condition of water cooling(when water cycle is good)with low yield strength and good toughness.

1Mn18Cr18N steel;Retaining ring;Solution treatment

TG317

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.029

1672-0121（2017）04-0098-03

2017-03-22；

2017-05-08

牛广斌（1985-），男，硕士，工程师，从事电站大锻件锻造工艺研究。E-mail：ngbiai-9@163.com