提高34CrMo1A轉(zhuǎn)子沖擊韌性的研究

李守杰 趙 穎 李亞平

(中原特鋼股份有限公司，河南454685)

長(zhǎng)期以來(lái)，我們按照J(rèn)B/T 7022—2002《50MW以下汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量穩(wěn)定，用戶反映良好。但近期有用戶要求我們?cè)囍粕a(chǎn)34CrMo1A材質(zhì)的轉(zhuǎn)子，并且塑性及韌性要求遠(yuǎn)高于JB/T 7022—2002標(biāo)準(zhǔn)。我們按常規(guī)熱處理工藝生產(chǎn)后，強(qiáng)度基本無(wú)富裕量，沖擊韌性也遠(yuǎn)低于用戶要求，具體情況見(jiàn)以下描述。

1 生產(chǎn)試制

1.1 力學(xué)性能

按常規(guī)工藝生產(chǎn)的34CrMo1A材質(zhì)的轉(zhuǎn)子力學(xué)性能與指標(biāo)要求對(duì)比的情況見(jiàn)表1。

1.2 試制產(chǎn)品的化學(xué)成分

我們分別在轉(zhuǎn)子端部1/2半徑處和切向環(huán)上取樣進(jìn)行化學(xué)分析，其結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，該件的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且S、P、As、Sn、Sb、Pb含量均處于較低水平。從檢測(cè)數(shù)值來(lái)看，主要元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的下限。

1.3 金相組織

取縱向試片和切向環(huán)上的沖擊試樣按GB/T 10561、GB/T 6394及GB/T 13298進(jìn)行非金屬夾雜物、晶粒度和顯微組織檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 常規(guī)工藝生產(chǎn)轉(zhuǎn)子的力學(xué)性能Table 1 The rotor mechanical properties produced by general process

表2 轉(zhuǎn)子的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 The chemical composition (mass fraction, %)

表3 常規(guī)工藝生產(chǎn)轉(zhuǎn)子的金相組織Table 3 The result of metallurgical analysis for rotor produced by general process

表4 調(diào)整后的正火工藝Table 4 The normalizing process after adjustment

由表3可以看出，該件的非金屬夾雜物級(jí)別不高，但晶粒大小非常不均勻，且比較粗大，同時(shí)組織中上貝氏體量多，下貝氏體和回火索氏體量少。

眾所周知，晶粒粗大會(huì)使鋼的冷脆轉(zhuǎn)變溫度提高[1]。因晶粒與晶粒之間咬合的機(jī)會(huì)少，晶界表面畸變少，破壞阻力少，故而更脆，會(huì)使鋼在淬火后硬度均勻性變差，強(qiáng)度、韌性、疲勞強(qiáng)度降低，但對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響小于韌性。另外，過(guò)熱所致的粗晶往往在晶界析出一些沉淀相，弱化晶界。上貝氏體又稱羽毛狀貝氏體[2]，是在較高溫度區(qū)域內(nèi)形成的貝氏體，其典型形態(tài)是以大致平行、碳輕微過(guò)飽和的鐵素體板條為主體，短棒狀或短片狀碳化物分布于板條之間，在光學(xué)顯微鏡下觀察時(shí)呈羽毛狀。由于上貝氏體內(nèi)的滲碳體是以片狀分布在界面，鐵素體內(nèi)位錯(cuò)密度高，很大程度上降低了材料的塑性和韌性，生產(chǎn)上通常不希望得到這種組織。因此，我們可以確定，晶粒粗大且不均勻及上貝氏體量多是造成該件沖擊功較低的主要原因。

2 改進(jìn)措施

晶粒粗大的形成原因主要是原始鋼錠尺寸較大[3]，鍛造時(shí)間長(zhǎng)，加熱次數(shù)多，加熱速度慢，保溫時(shí)間長(zhǎng)，且鍛造比小，變形不均勻所致。在后道工序中因晶粒遺傳使粗大晶粒未得到有效細(xì)化。而上貝氏體量多是由于化學(xué)成分中碳及主要合金元素含量均偏低，使鋼的淬透性有所降低，同時(shí)規(guī)格尺寸增大，常規(guī)熱處理工藝已無(wú)法滿足要求。

2.1 增加正火次數(shù)、提高加熱速度及正火后冷速

晶粒粗大與轉(zhuǎn)子韌性差有著直接的關(guān)系，而對(duì)于晶粒遺傳造成的晶粒粗大，最有效的措施就是通過(guò)多次正火和提高重結(jié)晶時(shí)的加熱速度使晶粒獲得一定程度的細(xì)化[4]。因此，為了保證晶粒能夠得到有效細(xì)化，我們對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了兩次正火，并盡可能提高加熱速度，縮短保溫時(shí)間。同時(shí)考慮到轉(zhuǎn)子尺寸較大，又恰值生產(chǎn)期間天氣較暖，若正火后采用空冷，實(shí)際冷速將會(huì)非常緩慢，對(duì)細(xì)化晶粒將產(chǎn)生不利的影響。因此兩次正火后對(duì)轉(zhuǎn)子均進(jìn)行了強(qiáng)制風(fēng)冷，以提高冷卻速度，調(diào)整后的正火工藝見(jiàn)表4。

2.2 提高冷卻烈度

(1)降低預(yù)冷時(shí)間：將調(diào)整前的淬火保溫結(jié)束出爐后的預(yù)冷時(shí)間200 s改為≤80 s，提高轉(zhuǎn)子淬火入水溫度。

(2)降低初始入水溫度：將調(diào)整前的初始入水溫度30～40℃改為20～25℃，提高冷卻速度。

(3)延長(zhǎng)水冷時(shí)間：將調(diào)整前的420 s水冷時(shí)間改為620 s，加強(qiáng)冷卻效果。

2.3 工藝驗(yàn)證結(jié)果

采用新工藝后，轉(zhuǎn)子不僅強(qiáng)度有所提高，同時(shí)塑性及沖擊韌性也有了大幅度的提高，特別是沖擊韌性提高了一倍左右，不僅滿足了技術(shù)條件的要求且有較大富余。用新工藝生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子的力學(xué)性能和金相組織檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5、表6。

3 結(jié)論

實(shí)踐證明，通過(guò)對(duì)熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，采用多次正火、提高加熱速度、提高正火后的冷卻速度以及提高淬火冷卻烈度的熱處理方法，不僅解決了晶粒遺傳導(dǎo)致的晶粒粗大問(wèn)題，同時(shí)還使轉(zhuǎn)子的綜合力學(xué)性能得到了大幅度提高，尤其是使沖擊韌性提高了一倍左右。

表5 新工藝生產(chǎn)轉(zhuǎn)子的力學(xué)性能Table 5 The contrast between new and former properties

表6 新工藝生產(chǎn)轉(zhuǎn)子的金相組織Table 6 The comparison between new and former metallurgical analysis

[1] 王廣生等.金屬熱處理缺陷分析及案例.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.156.

[2] 孫珍寶，朱譜藩，林慧國(guó)等.合金鋼手冊(cè)：上冊(cè).北京：冶金工業(yè)出版社，1984.244.

[3] 康大韜，葉國(guó)斌等.大型鍛件材料及熱處理。北京：龍門書局出版，1998.139

[4] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理專業(yè)分會(huì)《熱處理手冊(cè)》編委會(huì)，熱處理手冊(cè)：第 2卷，典型零件熱處理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.5 255.