風電法蘭用鋼低溫沖擊韌度不均勻性原因分析

王啟丞

(鋼鐵研究總院華東分院， 江蘇 淮安 223000)

引 言

風能作為一種清潔的再生資源，越來越受到人們的重視。在全球對核風險的謹慎下，潔凈的經濟性、可再生的新能源——風電將具備更廣闊的發展前景，風電用鋼的需求增長也將大幅凸現。風電法蘭是風電機組的重要部件，風電法蘭一旦損壞，整個機器的維修是非常昂貴的，且有可能報廢。風電機在低溫環境下工作，為了保證機器正常運行，要求法蘭具有一定的低溫抗脆性破斷能力。過去風電法蘭用鋼采用的是模鑄工藝生產的鋼錠，但用模鑄方法生產的鋼錠制造風電法蘭成材率只有70%[1]，所以現在許多廠家正研究采用連鑄方法生產風電法蘭用鋼。但連鑄方法生產風電法蘭用鋼的低溫沖擊韌性不均勻，高低差別很大。所以生產該鋼種的主要技術難點在力學性能的要求，尤其是低溫沖擊韌性的要求上。

1 風電法蘭用鋼的主要技術指標

1.1 化學成分

風電法蘭用鋼的化學成分控制標準如表1所示，試驗鋼化學成分如表2所示。試驗生產的2爐鋼均符合風電法蘭用鋼的標準要求。

表1 風電法蘭用鋼的化學成分控制標準

表2 風電法蘭試驗鋼化學成分分析結果

1.2 低溫沖擊試驗

風電法蘭用鋼要求-50 ℃時的沖擊值大于等于60 J。本試驗每爐取10塊試樣，做低溫-50 ℃時的沖擊實驗，結果如表3所示。

從表3中看出兩爐試樣的沖擊值非常不均勻，其中1#爐沖擊值最小值為19 J，有2塊不合格；2#爐低溫沖擊值最小值為25 J，也有2個不合格。

表3 -50 ℃時的沖擊功試驗結果

2 風電法蘭用鋼的沖擊值不均勻的影響因素分析

2.1 斷口分析

圖1分別為沖擊值19 J和181 J試樣的宏觀斷口形貌，沖擊值越大斷口塑性變形越大，斷口的塑性區(纖維區+剪切唇區)面積也增大。從沖擊試樣的斷口看，無異常斷口，斷口的放射區為解理斷口，塑性區為韌窩狀斷口，如圖2所示。

圖1 不同沖擊功試樣宏觀斷口形貌

圖2 沖擊試樣微觀斷口形貌

2.2 金相分析

2.2.1 帶狀組織分析

1#爐的不合格試樣的帶狀組織為2.5級，合格試樣的帶狀組織為1級，如圖3所示；同樣2#爐的不合格試樣的帶狀組織為2.5級，合格試樣的帶狀組織為1級，如圖4所示。

圖3 1#爐不同沖擊值試樣組織形態

圖4 2#爐不同沖擊值試樣組織形態

2.2.2 夾雜物分析

在光學顯微鏡下進行夾雜物檢驗，發現沖擊功值小的試樣傳統型夾雜物級別為A1.0，B0.5，C0，D0.5，DS0。沖擊功值大的試樣夾雜物級別為A0.5，B0.5，C0，D1.0，DS0。各試樣傳統型夾雜物檢驗結果均符合標準要求。但發現試樣中碳氮化物的數量是影響沖擊功大小的主要因素，圖5是兩爐試樣的沖擊功與試樣中碳氮化物的關系圖，可以看出兩爐鋼中均為沖擊功值小的試樣碳氮化物較多，且隨著沖擊值的降低，碳氮化物明顯增多，而沖擊值較高的(沖擊值218)試樣中未發現有碳氮化物，這些碳氮化物經能譜分析主要為Nb(N，C)或Ti(N，C)等，如圖6(a)所示，以及以AlN形核的Nb(N，C)或Ti(N，C)，如圖6(b)所示，這些顆粒中Ti的含量很高。還有一些是(Ti，Nb)C，這些顆粒中Nb的含量較高，如圖6(c)所示，大的碳氮化物尺寸約20 μm。沒有發現大顆粒的釩的碳氮化物。

圖5 試樣沖擊功與碳氮化物的關系

圖6 碳氮化物夾雜形態及能譜結果

3 分析討論

通過以上各試樣的分析可知，隨著沖擊功的逐漸減小，斷裂由韌窩斷裂逐漸轉變為解理斷裂，即塑性韌窩區面積逐漸減少，韌脆轉變溫度逐漸提高，未發現異常斷口。

通過對以上兩爐不同沖擊值大小的試樣分析發現，造成沖擊值偏低的原因主要是大塊狀的Nb(N，C)或Ti(N，C)等的析出，其次是帶狀組織的影響。

帶狀組織中相鄰帶的顯微組織不同，性能也不相同，并具有明顯的各向異性，從而造成力學性能降低，所以它對沖擊性能也有一定的影響的。

大顆粒的Nb(N，C)和Ti(N，C)及(Ti，Nb)C的存在的影響，這些較大的共晶碳氮化物顆粒是在鑄造過程中的鋼液中形成的，在均熱后仍保持未溶狀態，只能以大顆粒夾雜物的形態存在。使材料的塑性降低，促進了裂紋產生及裂紋的加速擴展，造成低溫沖擊功降低。

Ti是強碳化物形成元素，在鋼中主要起細化晶粒和彌散強化的作用，Ti含量高不利于鋼的塑性和韌性，尤其是形成大塊Ti(N，C)夾雜時，將嚴重惡化鋼的沖擊韌性[2]，而且TiC的析出對溫度和冷速較敏感，容易造成不同批次鋼材或同一批次鋼材不同部位的力學性能的波動，故在滿足強度要求下要盡量降低Ti含量[3]。

在所有的微合金元素中，Nb的晶粒細化作用最大，可產生明顯的晶粒細化和析出強化作用。微合金化元素Nb、V等碳氮化物在奧氏體和鐵素體的析出過程可有效的控制變形奧氏體再結晶過程或防止再結晶晶粒長大，從而在奧氏體向鐵素體轉變時細化成核，得到細小的鐵素體晶粒，鋼中加入一定量的Nb元素，大大提高奧氏體晶粒粗化溫度，但是大塊狀的Nb(N，C)的析出將嚴重影響鋼的沖擊韌性。另外微合金元素的強化效果與其晶格常數大小有關，Nb(N，C)的晶格常數與鐵素體晶格常數差異較大，因此Nb(N，C)析出強化效果較高，此外當溫度降低到奧氏體→鐵素體相變溫度，NbC在界面上形成，其周圍的奧氏體先貧碳，促進鐵素體向兩個垂直的方向長大，同時碳原子向奧氏體側內富集，孕育新的NbC粒子形成，形成微細的纖維狀的鐵素體與碳化物相間沉淀，這種組織有強化能力，但對韌性不利[5]。

4 結束語

通過以上的組織、夾雜物、化學成分的分析比較得出：1)控制C、Si含量，使珠光體的含量降低，以提高鋼的韌性和塑性。2)采用低過熱度澆注，降低拉速，減少柱狀晶區，以減輕帶狀組織。3)控制N含量在60×10-6以下，以降低氮化物的析出。4)降低Ti、Nb的含量。