30CrMoNiV511高中壓轉(zhuǎn)子鍛件制造

劉高波

30CrMoNiV511鋼是制造30萬(wàn)千瓦、60萬(wàn)千瓦機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子的1%-Cr-Mo-V鋼，與30Cr1Mo1V鋼類(lèi)似，該鋼種不僅可用于制造亞臨界參數(shù)機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子，而且可用于制造23.5~25.0 MPa，538~540℃/538-566℃超臨界參數(shù)機(jī)組的高中壓轉(zhuǎn)子。由于轉(zhuǎn)子鍛件生產(chǎn)工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大，只有同時(shí)具備先進(jìn)的工藝和設(shè)備、熟練的操作水平以及嚴(yán)格的制造過(guò)程控制手段等條件才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的轉(zhuǎn)子鍛件。而研究分析和改進(jìn)轉(zhuǎn)子鍛件的制造工藝，尤其是熱加工工藝，對(duì)控制和提高轉(zhuǎn)子的質(zhì)量有著重要的意義。

1 技術(shù)要求

30CrMoNiV511轉(zhuǎn)子鍛件的技術(shù)要求主要是指其化學(xué)成分和機(jī)械性能（見(jiàn)表1、表2）。

2 材料特性分析

在該轉(zhuǎn)子成分中Ni會(huì)使共析溫度下降，使馬氏體點(diǎn)降低并使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線右移；提高材料的塑性以及低溫抗沖擊性能。Cr與Ni相互作用可提高淬透性，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)化作用；加入Mo元素可以降低Cr-Ni鋼回火脆性?xún)A向，同時(shí)應(yīng)盡量降低雜質(zhì)元素，以減少對(duì)回火脆性的影響；V元素可細(xì)化晶粒和提高回火抗力；Mn雖能保證淬透性，但也會(huì)降低高溫持久強(qiáng)度，促成P和其它有害雜質(zhì)元素向原奧氏體晶界偏析，從而降低晶界內(nèi)聚力，增加合金的回火脆性，所以應(yīng)降低Si、P、S等含量以保證高溫性能。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 機(jī)械性能

3 煉鋼和鑄錠

用堿性電爐初煉鋼水，鋼胞精煉爐真空精煉、真空碳脫氧（VCD），或采用電渣重熔（ESR）工藝，同時(shí)應(yīng)留足冒口和水口。為減少疏松，提高探傷合格率，在煉鋼階段就要采取提高鋼錠凝固質(zhì)量的措施：一是優(yōu)化鋼錠模結(jié)構(gòu)尺寸，改善鋼錠凝固狀況；二是優(yōu)化中間包結(jié)構(gòu)，改善中間包敷料的抗沖刷性能，避免中間包澆注時(shí)產(chǎn)生二次污染，確保鋼水純度；三是降低鋼水澆注過(guò)熱度，精確控制中間包溫度，減少澆注溫度波動(dòng)的影響；四是增加海綿鐵，減少鋼屑配入量，以減少?gòu)脑牧蠋氲挠泻堄嘣丶皻怏w；五是適當(dāng)推遲鋼錠脫模時(shí)間或做好提前脫帽口工作，以防止冒口凝固不徹底，減小因“淌湯”而造成冒口中心產(chǎn)生的大孔洞向錠身內(nèi)部擴(kuò)展的可能[2]。

上述煉鋼和鑄錠的改進(jìn)措施大大減少S、P及雜質(zhì)氣體的含量，減輕鋼錠中的各種偏析及伴隨出現(xiàn)的疏松、夾雜、成分偏析等缺陷，提高鍛件內(nèi)部的純凈度，提高鍛造及熱處理質(zhì)量。

4 鍛造

為了滿(mǎn)足機(jī)械性能指標(biāo)及無(wú)損探傷要求，必須壓實(shí)、焊合縮孔、疏松等缺陷[3]。根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，提高鋼錠心部壓實(shí)效果，焊合鋼錠心部疏松和彌散夾雜缺陷是鍛造工序的重點(diǎn)。因此應(yīng)使用100 MN或150 NM壓力機(jī)對(duì)鋼錠進(jìn)行鍛造，以形成細(xì)小而均勻的晶粒組織。

目前轉(zhuǎn)子鍛造中最常用KD法，即在高溫?cái)U(kuò)散加熱、寬砧（1 200 mm）、大壓下量鍛造法基礎(chǔ)上，以上、下V型寬砧（夾角135°）代替上平、下V型寬砧，使中心變形區(qū)加大、變形更均勻；利用上、下V型砧拔長(zhǎng)時(shí)，坯料翻轉(zhuǎn)90°閉合孔洞，拔長(zhǎng)效率更高。

加熱是鍛造生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。加熱溫度越高，變形也越容易。但加熱溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鍛造過(guò)程中產(chǎn)生裂紋。而加熱溫度過(guò)低，若壓下量過(guò)大，則又可能產(chǎn)生拉伸裂紋。因此,控制適當(dāng)?shù)募訜釡囟葮O為重要。轉(zhuǎn)子的鍛造溫度在1 250～900℃為最佳[3]。

5 熱處理

轉(zhuǎn)子鍛件的熱處理包括鍛后熱處理和調(diào)質(zhì)熱處理。對(duì)于已達(dá)到高純凈度的轉(zhuǎn)子材料，由于不再有回火脆性，只需調(diào)質(zhì)回火即可消除熱處理應(yīng)力和轉(zhuǎn)子開(kāi)槽及打中心孔的加工應(yīng)力，不必實(shí)施去應(yīng)力退火。

5.1 鍛后熱處理

鍛后熱處理又稱(chēng)預(yù)備熱處理或第一熱處理，該工序通常是在鍛造工序完成之后立即進(jìn)行的。其主要目的是細(xì)化晶粒，解決鍛造組織中的混晶問(wèn)題，對(duì)于已在煉鋼階段采用雙重脫氣處理的轉(zhuǎn)子鍛件，不必再進(jìn)行去除白點(diǎn)退火。但是為了消除鍛件材料中的粗晶與混晶，有時(shí)需要采取多次重結(jié)晶的辦法進(jìn)行復(fù)雜的正火處理。制定鍛后熱處理工藝一般要從以下幾個(gè)方面著手：

（1）組織轉(zhuǎn)變 將鍛后的鋼件盡快由奧氏體充分地轉(zhuǎn)變成為鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。既有利于脫氫，也利于對(duì)晶粒的細(xì)化和調(diào)整。制定鍛后熱處理工藝應(yīng)根據(jù)鍛件的過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，并考慮鍛件的組織和成分不均勻等因素，確定熱處理中的冷卻速度、過(guò)冷溫度以及過(guò)冷溫度下的保溫時(shí)間等參數(shù)。

（2）去氫 雖然真空澆注能夠顯著降低鋼錠中氫的含量，但微量的氫殘留仍然會(huì)對(duì)大鍛件的韌性產(chǎn)生危害。由于氫在鐵素體中的溶解度顯著小于在奧氏體中的溶解度，而它在鐵素體中的擴(kuò)散能力卻又顯著大于在奧氏體中的擴(kuò)散能力，所以去氫退火的要點(diǎn)在于鍛后盡快地進(jìn)行奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，并在鐵素體穩(wěn)定存在的最高溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫。使氫以最大速度擴(kuò)散，一部分氫逸出工件，其它則擴(kuò)散至含量低處，減少氫的偏析；而擴(kuò)散到工件中的不致密處的氫將由原子態(tài)變?yōu)椴换钴S的分子態(tài)。由于在該溫度下鋼的塑性較好，所以氫分子形成時(shí)所產(chǎn)生的壓力可通過(guò)塑性變形而釋放，避免白點(diǎn)的產(chǎn)生。

（3）重結(jié)晶 通過(guò)重結(jié)晶使鋼的晶粒細(xì)化、組織改善、性能提高，使晶粒組織符合性能熱處理的條件，減少鍛件內(nèi)部缺陷。

據(jù)此，編制出30CrMoNiV511的鍛后熱處理工藝曲線（見(jiàn)圖1）。

圖1 鍛后熱處理工藝曲線

5.2 性能熱處理

在粗加工后要進(jìn)行性能熱處理，也稱(chēng)調(diào)質(zhì)熱處理，其目的是使材料沿轉(zhuǎn)子鍛件的整個(gè)截面達(dá)到均勻一致的組織與性能，使其具有最高的蠕變極限與持久強(qiáng)度，所以通過(guò)淬火以獲得上貝氏體組織是編制高中壓轉(zhuǎn)子熱處理工藝的目標(biāo)[1]。

（1）奧氏體化 保溫階段的奧氏體轉(zhuǎn)變通常分為行核、長(zhǎng)大、碳化物溶解和成分均勻化四個(gè)階段。為避免奧氏體晶粒長(zhǎng)大，需要控制合金元素的擴(kuò)散時(shí)間。提高奧氏體化溫度對(duì)淬透性有利，但當(dāng)奧氏體化溫度接近1 000℃時(shí)，蠕變斷裂韌性會(huì)增加；而當(dāng)奧氏體化溫度低于930℃時(shí)，會(huì)發(fā)生碳化物不完全融解并產(chǎn)生不均勻組織。相比于低壓轉(zhuǎn)子對(duì)韌性的要求，高中壓轉(zhuǎn)子的奧氏體化更側(cè)重蠕變斷裂強(qiáng)度。

（2）淬火冷卻 適當(dāng)提高淬火冷卻速度可以增加鍛件的斷裂韌性，但對(duì)鍛件心部性能的作用有限，而且韌性會(huì)隨轉(zhuǎn)子工作時(shí)間的增長(zhǎng)而下降。過(guò)大的冷速會(huì)使輪緣處出現(xiàn)下貝氏體甚至馬氏體，進(jìn)而使蠕變抗力下降（一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)轉(zhuǎn)子最高進(jìn)汽溫度高于450℃時(shí)就需要考慮蠕變）。而冷速太慢則會(huì)在心部產(chǎn)生鐵素體，進(jìn)而降低斷裂韌性，但鐵素體主要降低σ0.2，即使心部鐵素體高達(dá)50%也不會(huì)對(duì)持久強(qiáng)度和蠕變抗力有顯著影響。基于轉(zhuǎn)子的化學(xué)成分，按照臺(tái)爾尼公式確定油淬，并且略增加冷卻速度，使FATT（即斷口形貌脆性轉(zhuǎn)變溫度）降至50℃以下。

在進(jìn)行性能熱處理時(shí)必須采用井式爐以避免轉(zhuǎn)子撓曲變形。淬火時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制降溫速度，最大限度減少殘余應(yīng)力。

（3）回火溫度 回火溫度的設(shè)定應(yīng)以在獲得σ0.2規(guī)定值的基礎(chǔ)上提高韌性為目標(biāo)?；鼗饻囟纫欣谔蓟\的沉淀。但當(dāng)溫度超過(guò)720℃時(shí)，碳化礬沉淀速度太快，易粗化，而局部偏析則會(huì)使這些區(qū)域發(fā)生重新奧氏體化。在回火工藝中，要根據(jù)Mo含量判斷并抑制第一類(lèi)回火脆性，根據(jù)Cr、Si的含量確定導(dǎo)致第一類(lèi)回火脆性的溫度范圍。規(guī)避第二類(lèi)回火脆性的關(guān)鍵是要將鍛件快速冷卻到室溫。所以，嚴(yán)格控制回火冷卻速度對(duì)獲得合格的最終性能有著重要影響。

綜合上述考慮，編制出30CrMoNiV511的性能熱處理的工藝曲線（見(jiàn)圖2）。

圖2 性能熱處理工藝曲線

6 工藝執(zhí)行結(jié)果

通過(guò)對(duì)兩支同型號(hào)的轉(zhuǎn)子按照上述制造工藝加工后獲得良好的性能（見(jiàn)表3）和金相組織（見(jiàn)圖3）。

表3 性能檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)范圍

圖3 金相照片

7 結(jié) 語(yǔ)

總之，30CrMoNiV511高中壓轉(zhuǎn)子鍛件與其它轉(zhuǎn)子的熱加工工藝總體上差別不大，從材質(zhì)和性能上看也并非很特殊，然而轉(zhuǎn)子類(lèi)鍛件的每一道熱工藝都會(huì)影響到鍛件的最終性能，任何一點(diǎn)疏忽都會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量事故。因此在制造過(guò)程中只有嚴(yán)格控制各項(xiàng)參數(shù)才能預(yù)防缺陷的產(chǎn)生，使轉(zhuǎn)子鍛件最終獲得優(yōu)良穩(wěn)定的質(zhì)量。

[1]康大韜,葉國(guó)斌.大型鍛件材料及熱處理 [M].北京∶龍門(mén)書(shū)局,1998∶404-427.

[2]韓雷,楊志洪,崔成萬(wàn),徐騫.30Cr1Mo1V高中壓轉(zhuǎn)子缺陷分析和改進(jìn)措施 [J].大型鑄鍛件,2010,12∶6-10.

[3]張宇.如何提高轉(zhuǎn)子鍛件的鍛造質(zhì)量 [J].一重技術(shù),2006,05∶44.