封頭鍛件淬火入水方式介紹

侯 猛

天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457

1 概述

在大鍛件中，封頭的形狀比較特殊，是一個(gè)不均勻的半封閉的空心體。封頭一般有平、球、橢球、錐形等多種形狀[1]，在加氫核電等大型鍛件中球形封頭的應(yīng)用比較廣泛，它們是以球冠為基本構(gòu)造，其中較為特殊的是核電上應(yīng)用的水室封頭，在它的球形基體上有一些貫通的孔和管嘴。本文以球形封頭為代表來簡述封頭類產(chǎn)品的淬火入水方式。

2 淬火時(shí)的影響因素

影響大型鍛件產(chǎn)品淬火的影響因素很多，由于加氫、核電等應(yīng)用的多為低碳合金鋼，在淬火時(shí)為了獲得貝氏體組織，盡量避免產(chǎn)生大量的先共析鐵素體或先共析鐵素體和珠光體[2]，一般要求有較快的冷卻速度，因此多采用較為激烈的淬火方式—水淬。影響水冷卻能力的因素主要是水溫[3]、水槽的容量、水循環(huán)速度以及水流方式。為了增強(qiáng)水的冷卻能力，增加水槽容量、增強(qiáng)水循環(huán)速度、改善水流方式（包括流速和流向）是必要的，然而已有研究表明當(dāng)鍛件淬火結(jié)束后水溫上升≤10℃[1]，水槽容量和水循環(huán)速度就已足夠。

除了以上所說的各種因素外，鍛件的入水方式也是影響淬火結(jié)果的一項(xiàng)因素，尤其是對一些形狀復(fù)雜或者形狀特殊的鍛件，要獲得理想的淬火效果并不容易，比如AP1000的整體頂蓋封頭，由于其內(nèi)徑較大，球冠較深，淬火條件不好，最終性能受到影響[4]。考慮到生產(chǎn)成本，在不改變水槽、循環(huán)系統(tǒng)等硬件設(shè)施的情況下，可以通過淬火方式的改變來達(dá)到提高淬火質(zhì)量的目的。封頭類鍛件由于其特殊的形狀，在淬火時(shí)較易出現(xiàn)變形，因此淬火入水時(shí)要給予充分的考慮。

3 淬火方式概述

3.1 球形封頭

球形封頭一般主要以開口朝上的入水方式淬火。上封頭、底封頭等一般為厚度均勻、形狀規(guī)則的球冠形狀，并且球形表面為封閉結(jié)構(gòu)。

其淬火方式主要有以下幾種：

1）專用料盤淬火方式。此類封頭淬火之前預(yù)先設(shè)計(jì)一個(gè)專用淬火料盤，料盤中間根據(jù)封頭尺寸設(shè)計(jì)一個(gè)合理大小直徑的透孔，淬火加熱以及入水時(shí)將封頭開口朝上坐于透孔上，透孔大小保證封頭底面不超出料盤底面，為保證熱均勻以及隨后淬火的冷卻效率，料盤的其它部位合理的開一定大小的透孔。淬火時(shí)，用天車平穩(wěn)吊起料盤浸入水中；

2）焊吊鉤淬火方式。淬火之前，先在封頭開口端每隔90°均勻焊接四個(gè)相同的吊鉤，淬火時(shí)用四個(gè)吊鉤同時(shí)將鍛件吊起，這樣可以在一定程度上防止封頭過度變形，能夠更加平穩(wěn)的將封頭浸入水中[5]，但是淬火時(shí)封頭內(nèi)會有積水；

3）專用料圈淬火方式。專用料圈淬火方式其實(shí)與料盤淬火方式類似，由于料盤的制造相對要復(fù)雜費(fèi)工，可以將其簡化為料圈形式，省時(shí)且節(jié)約成本。根據(jù)封頭尺寸制作一較封頭開口端直徑小的料圈，淬火時(shí)用料圈從封頭底側(cè)套起，用單臂吊托住料圈將封頭浸入水中。

以上3種方式，均可使封頭外表面獲得較好的冷卻效果，但是封頭的內(nèi)表面由于封頭的形狀，較容易存水，不能及時(shí)將水排走，使熱量部分儲存，使本來就冷卻較慢的內(nèi)側(cè)的冷卻能力進(jìn)一步降低，影響了內(nèi)表面尤其是底面的冷卻效果。

3.2 水室封頭淬火方式

水室封頭與一般球形封頭的主要區(qū)別是水室封頭的球形表面上有一些接管嘴和透孔，這些接管嘴也將封頭球形表面內(nèi)外貫通，所以水室封頭的外表面的形狀和構(gòu)造要復(fù)雜一些，這種形狀和構(gòu)造也使其淬火特性與一般的球形封頭表現(xiàn)出明顯的不同。

水室封頭的淬火一般是以開口朝下方式入水， 這種入水方式會導(dǎo)致淬火初始階段產(chǎn)生的大量蒸汽不能及時(shí)排出，盡管球形面上有一些透孔，進(jìn)而延長了蒸汽膜階段持續(xù)的時(shí)間，使得水室封頭內(nèi)側(cè)冷卻速度降低，尤其是底部會有大量蒸汽的聚集，阻礙了淬火介質(zhì)與鍛件的接觸，熱量不能及時(shí)被帶走，往往導(dǎo)致冷卻不足，不能獲得所需的組織，影響了淬火質(zhì)量。

日本室蘭廠曾經(jīng)在管板淬火時(shí)在管板底部凹槽處安置了排氣管，以使淬火時(shí)產(chǎn)生的大量蒸汽能夠及時(shí)排出[5]，這種方法給我們提供了借鑒，水室封頭淬火之前也可以安裝設(shè)置這樣一種機(jī)構(gòu)，使蒸汽及早盡快的排出，縮短蒸汽膜階段，有利于淬火質(zhì)量的提高。

由于大型鍛件在淬火時(shí)釋放的熱量非常的大，同時(shí)產(chǎn)生大量的蒸汽，尤其是淬火的初始階段，如何及早的破除蒸汽膜，盡快進(jìn)入到淬火的第二個(gè)階段-沸騰階段，將直接影響淬火的冷卻能力，盡管采取了一些措施，但是這些蒸汽不可能全部通過排氣管及時(shí)的排出。因此借鑒了封頭料圈的淬火方式，可以設(shè)計(jì)一個(gè)專用的料圈，在保證足夠起吊強(qiáng)度的情況下，盡量減少與封頭表面的接觸面積。這樣可以使水室封頭以開口端朝上的方式入水，就能使封頭內(nèi)表面的蒸汽不受鍛件底部的阻擋順利排出，但料圈的應(yīng)用要注意凸出外表面管嘴的影響。由于凹面的存在必然阻擋了凹口處的水流形態(tài)，影響了該處的水循環(huán)，不能對附著在鍛件表面的蒸汽膜有較好的沖刷作用，這種負(fù)面影響值得重視，可以通過其他措施進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)論

對于有些鍛件，因其特殊性受入水方式的影響較大，因此研究并改進(jìn)鍛件的淬火入水方式有時(shí)會起到比較明顯的效果。選擇一種合理的、較低成本的、便于操作的淬火入水方式將會非常有利于生產(chǎn)效率的提高。

[1]康大韜，葉國斌.大型鍛件材料及熱處理[M].北京：龍門書局，1998.

[2]王珉，劉慧琳.16MND5穩(wěn)壓器鍛件的工藝研究[J].核動力工程，1999，20(4).

[3]崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1998

[4]毛昌森，陳忠灼，陳富彬.AP1000反應(yīng)堆壓力容器大鍛件的制造難點(diǎn)與監(jiān)造風(fēng)險(xiǎn)分析[J].中國核能可持續(xù)發(fā)展，2008.

[5]第二重型機(jī)器廠編.大型鑄鍛件專有技術(shù)赴日培訓(xùn)總結(jié)，1988.