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用比較廣泛，它們是以球冠為基本構造，其中較為特殊的是核電上應用的水室封頭，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品的淬火入水方式。

2 淬火時的影響因素

影響大型鍛件產品淬火的影響因素很多，由于加氫、核電等應用的多為低碳合金鋼，在淬火時為了獲得貝氏體組織，盡量避免產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、水循環速度以及水流方式。為了增強水的冷卻能力，增加水槽容量、增強水循環速度、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鍛件淬火結束后水溫上升≤10℃[1]，水槽容量和水循環速度就已足夠。

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果的一項因素，尤其是對一些形狀復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]。考慮到生產成本，在不改變水槽、循環系統等硬件設施的情況下，可以通過淬火方式的改變來達到提高淬火質量的目的。封頭類鍛件由于其特殊的形狀，在淬火時較易出現變形，因此淬火入水時要給予充分的考慮。

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、形狀規則的球冠形狀，并且球形表面為封閉結構。

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先設計一個專用淬火料盤，料盤中間根據封頭尺寸設計一個合理大小直徑的透孔，淬火加熱以及入水時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，用天車平穩吊起料盤浸入水中；

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

3）專用料圈淬火方式。專用料圈淬火方式其實與料盤淬火方式類似，由于料盤的制造相對要復雜費工，可以將其簡化為料圈形式，省時且節約成本。根據封頭尺寸制作一較封頭開口端直徑小的料圈，淬火時用料圈從封頭底側套起，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，但是封頭的內表面由于封頭的形狀，較容易存水，不能及時將水排走，使熱量部分儲存，使本來就冷卻較慢的內側的冷卻能力進一步降低，影響了內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外貫通，所以水室封頭的外表面的形狀和構造要復雜一些，這種形狀和構造也使其淬火特性與一般的球形封頭表現出明顯的不同。

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

日本室蘭廠曾經在管板淬火時在管板底部凹槽處安置了排氣管，以使淬火時產生的大量蒸汽能夠及時排出[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置這樣一種機構，使蒸汽及早盡快的排出，縮短蒸汽膜階段，有利于淬火質量的提高。

由于大型鍛件在淬火時釋放的熱量非常的大，同時產生大量的蒸汽，尤其是淬火的初始階段，如何及早的破除蒸汽膜，盡快進入到淬火的第二個階段-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的排出。因此借鑒了封頭料圈的淬火方式，可以設計一個專用的料圈，在保證足夠起吊強度的情況下，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，就能使封頭內表面的蒸汽不受鍛件底部的阻擋順利排出，但料圈的應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，影響了該處的水循環，不能對附著在鍛件表面的蒸汽膜有較好的沖刷作用，這種負面影響值得重視，可以通過其他措施進行改進。

4 結論

對于有些鍛件，因其特殊性受入水方式的影響較大，因此研究并改進鍛件的淬火入水方式有時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.金屬學與熱處理[M].機械工業出版社，1998

[4]毛昌森，陳忠灼，陳富彬.AP1000反應堆壓力容器大鍛件的制造難點與監造風險分析[J].中國核能可持續發展，2008.

[5]第二重型機器廠編.大型鑄鍛件專有技術赴日培訓總結，1988.