化学成分和热处理工艺对转子用403不锈钢组织和性能的影响

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403不锈钢属于12%Cr型马氏体不锈钢，具有高强度、较高的中温耐热性、优良的加工性能和焊接性等，在火电蒸汽涡轮、透平叶片、电机转子等方面有广泛的应用。根据转子用钢的力学性能和磁性能要求，在实验室采用不同的成分设计和合金化，使用真空感应的冶炼工艺，经锻造、热处理后，试验并分析了3种Ni、N元素含量不同的试验钢在不同热处理制度下的组织、力学性能及磁性能，得到了Ni及N元素对403不锈钢力学性能和磁性能的影响规律，为该钢的工业化生产应用提供理论支持。

根据添加合金的种类和含量不同分为试验钢1～3。与试验钢1相比，试验钢2的Ni含量较高，试验钢3的N含量较高。试验钢采用200kg真空感应炉冶炼。为保证试验对比效果，在冶炼过程严格控制钢的合金元素成分偏差。将试验钢铸锭锻造成Φ120mm圆棒，在1/2半径处钻取样屑分析其化学成分；同样在此处取棒材纵向力学性能试样，经多种热处理后测定其抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率和冲击吸收功，并进行金相分析；在棒材中心部位取样，制成外径D=6mm、内径d=5.5mm、高h=6mm的磁性能试样，使用MAST2010软磁直流测量仪测试其在一定磁场强度下的磁感应强度。使用Neophot-21型光学显微镜拍摄金相照片；采用向PHILIPS APD-10型X射线衍射仪（XRD，Co Ka）进行残余奥氏体量的测量。在H8000型透射电子显微镜（TEM）进行观察，使用日立S-4300型场发射扫描电镜（SEM）观察形貌。冶炼后试验钢的主要化学成分如表1 所示，采用的热处理工艺为：950～1000℃×1h油冷＋720～750℃×3h油冷。

表1  试验钢的化学成分（质量分数%）

试验钢	C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	N
1	0.11	0.44	0.32	12.30	0.15	0.50	0.0043
2	0.11	0.45	0.33	12.32	0.40	0.31	0.0043
3	0.11	0.58	0.31	12.27	0.16	0.30	0.0330

试验结果表明，添加Ni、N元素可以显著提高试验钢的力学性能、导磁性能，特别是冲击值等塑韧性指标；添加N元素可以明显提高试验钢在低磁场强度下的磁感应强度，而在高磁场强度下添加Ni元素更加有利。并对Ni、N元素的强化机制也进行了一定探讨，在此类Cr13系马氏体不锈钢中，Ni元素的主要作用是降低C在基体中的固溶度从而增加了马氏体量和碳化物的含量，因此可以轻微增加强度；N元素的作用主要是固溶强化，并在回火时与C一起生成碳、氮化物。在高于700℃回火时，N迅速产生脱溶沉淀，加速了钢的软化，但可以提高钢的持久强度，降低蠕变量。对此类钢在转子部件的应用具有一定的指导作用。