860 MPa強(qiáng)度等級(jí)百萬級(jí)核電勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件的試制

王曉芳　劉　燁　郝興敏

(上海電氣上重鑄鍛有限公司，上海200245)

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860 MPa強(qiáng)度等級(jí)百萬級(jí)核電勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件的試制

王曉芳劉燁郝興敏

(上海電氣上重鑄鍛有限公司，上海200245)

摘要：在不改變25Cr2Ni4MoV化學(xué)成分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采取合適的冶煉、鍛造工藝，并通過工藝性試驗(yàn)研究，摸索出適合該材質(zhì)860 MPa高強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)子鍛件的熱處理工藝參數(shù)，成功試制出各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的轉(zhuǎn)子鍛件。

關(guān)鍵詞：25Cr2Ni4MoV；860 MPa強(qiáng)度等級(jí)；轉(zhuǎn)子鍛件；熱處理工藝；試制

25Cr2Ni4MoV鋼是20世紀(jì)80年代初期我國(guó)引進(jìn)、研制和開發(fā)的新鋼種，對(duì)應(yīng)國(guó)外鋼種的牌號(hào)為 Ni3.5CrMoV[1-2]。該鋼種主要用于制造大型汽輪機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)用轉(zhuǎn)子鍛件等產(chǎn)品。

該鋼種淬透性較好，具有高的強(qiáng)度、良好的塑性與低溫韌性，能夠滿足現(xiàn)行汽輪機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)組使用要求，但其具有對(duì)回火脆性敏感、粗大原奧氏體組織及晶粒遺傳嚴(yán)重等缺點(diǎn)[3-4]。

目前，由25Cr2Ni4MoV鋼鍛制的 300 MW～600 MW汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件力學(xué)性能要求主要為590 MPa及660 MPa強(qiáng)度等級(jí)[5]。本文試制25Cr2Ni4MoV百萬級(jí)核電勵(lì)磁機(jī)用轉(zhuǎn)子鍛件要求強(qiáng)度等級(jí)為860 MPa，強(qiáng)度較300 MW～600 MW汽機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件有很大幅度提高，這對(duì)材料冶金質(zhì)量、熱加工技術(shù)提出了更高的要求。

1技術(shù)要求

國(guó)內(nèi)某百萬級(jí)核電項(xiàng)目發(fā)電配套勵(lì)磁機(jī)用轉(zhuǎn)子鍛件采用合金鋼25Cr2Ni4MoV制造，化學(xué)成分要求與300 MW～600 MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件一致，具體詳見表1。但其力學(xué)性能要求大幅度提高，詳細(xì)指標(biāo)要求對(duì)比見表2。

表1　25Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鍛件 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1　Chemical composition requirements of 25Cr2Ni4MoV rotor forging (mass fraction,%)

表2　不同強(qiáng)度等級(jí)要求下25Cr2Ni4MoV 轉(zhuǎn)子鍛件力學(xué)性能要求對(duì)比Table 2　Comparison of mechanical property requirements of 25Cr2Ni4MoV rotor forgings between different strength grades

在不改變化學(xué)成分設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升該材質(zhì)轉(zhuǎn)子鍛件的力學(xué)性能，進(jìn)行了下述工藝性試驗(yàn)研究，并制定相關(guān)制造工藝方案。

2試制工藝

該轉(zhuǎn)子鍛件試制工藝路線為：原材料準(zhǔn)備→冶煉→鍛造→預(yù)備熱處理→粗加工→工藝性超聲檢測(cè)→性能熱處理→半精加工→超聲檢測(cè)→取樣及理化檢測(cè)→精加工→成品檢驗(yàn)→完工。

2.1冶煉

轉(zhuǎn)子鍛件化學(xué)成分上具有高C、低Si、低Al的特點(diǎn)，無損檢測(cè)缺陷及夾雜物等級(jí)要求高。采用真空碳脫氧(VCD)方法冶煉鋼錠，以獲得高純凈度鋼錠。

鋼錠冶金質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)有：

(1)優(yōu)選爐料，對(duì)原材料中合金及雜質(zhì)元素進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，嚴(yán)格控制爐料中雜質(zhì)元素含量。對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行徹底的清潔及干燥，為保證鋼水純凈度提供先決條件。

(2)電爐粗煉鋼水(EF)，冶煉過程中嚴(yán)格控制S、P等雜質(zhì)元素含量，并將合金元素調(diào)整至接近規(guī)定值。

(3)真空精煉(LF)，使用C粉均勻擴(kuò)散脫氧，提高真空度進(jìn)行除氣處理，同時(shí)調(diào)整合金成分至內(nèi)控指標(biāo)。

(4)真空澆注，鋼水化學(xué)成分及溫度達(dá)到工藝要求后，在真空室實(shí)現(xiàn)滴流澆注，真空室真空度不超過65 Pa。

轉(zhuǎn)子鍛件成品化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果為：S=0.002%，P=0.005%，Si=0.05%，Cu?0.10%。有害元素含量很低，完全滿足采購(gòu)規(guī)范要求。

2.2鍛造

鍛造過程中，鋼錠水口、冒口端有足夠切除量，以保證鍛件無縮孔缺陷并滿足非金屬夾雜物等級(jí)要求。同時(shí)確保鍛件中心線和鋼錠軸中心線相一致。

鋼錠脫模后熱送至鍛造車間，采用鐓粗+拔長(zhǎng)+分料成形三火次出成品工藝。最后一火次，合適設(shè)置加熱保溫溫度，嚴(yán)格控制鍛造變形量及終鍛溫度，保證鍛后鍛件組織及晶粒度的均勻，避免“混晶”問題的出現(xiàn)。鍛件總鍛比為6.5，可確保鍛件中心的壓實(shí)效果。

2.3熱處理

25Cr2Ni4MoV鋼是含有較高的Cr、Ni合金元素的高淬透性鋼，組織遺傳較嚴(yán)重[3]。鍛造過程形成的粗大和不均勻的原奧氏體組織較難細(xì)化。預(yù)備熱處理采用“兩次正火+一次回火”工藝來調(diào)整和改善鍛件組織及晶粒度狀況[6]，目的是切斷組織遺傳，細(xì)化晶粒，提高超聲檢測(cè)可探性，為后續(xù)性能熱處理做組織準(zhǔn)備。

針對(duì)轉(zhuǎn)子鍛件強(qiáng)度等級(jí)要求提高的特點(diǎn)，從調(diào)整性能熱處理工藝參數(shù)角度出發(fā)進(jìn)行了系列工藝性試驗(yàn)。

2.3.1試驗(yàn)研究

根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)及該材質(zhì)轉(zhuǎn)子鍛件前期制造經(jīng)驗(yàn)，制定表3所示工藝性試驗(yàn)參數(shù)。

鍛件預(yù)備熱處理結(jié)束后，從轉(zhuǎn)子端面割取試料，按表3所示工藝參數(shù)進(jìn)行模擬性能熱處理，淬火及回火保溫時(shí)間模擬轉(zhuǎn)子鍛件執(zhí)行。熱處理結(jié)束后，制取拉伸及夏比V形缺口試樣進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表4。

表3　工藝性試驗(yàn)參數(shù)Table 3　Parameters for the technological test

表4　工藝性試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果Table 4　Technological test results

由表4可見，在相同淬火工藝參數(shù)情況下，隨回火溫度由560℃提高至590℃，試樣抗拉及屈服強(qiáng)度逐漸降低，分別由1 091 MPa、984 MPa降低至945 MPa及847 MPa，塑性、韌性提高，塑性提高幅度較小，室溫夏比V形缺口沖擊值由143 J～149 J提高至193 J～208 J?；鼗饻囟仍?70℃、565℃下，試樣力學(xué)性能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3.2性能熱處理

根據(jù)工藝性模擬試驗(yàn)結(jié)果，制定圖1所示轉(zhuǎn)子鍛件性能熱處理工藝曲線。轉(zhuǎn)子鍛件性能熱處理時(shí)，在井式電爐中加熱保溫，采用旋轉(zhuǎn)噴水淬火冷卻方式，這可保證轉(zhuǎn)子鍛件不同部位加熱保溫溫度及淬火冷卻速度的均勻性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子鍛件整體組織及力學(xué)性能均勻化控制。

3檢驗(yàn)結(jié)果

性能熱處理后，對(duì)轉(zhuǎn)子鍛件進(jìn)行取樣分析，化學(xué)成分、非金屬夾雜物及力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果如表5～表7所示。

可見，轉(zhuǎn)子鍛件化學(xué)成分完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且雜質(zhì)元素含量很低。通過嚴(yán)格控制冶煉工藝參數(shù)及流程，足夠的鍛造切冒、切底量，轉(zhuǎn)子鍛件非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果良好。

圖1　轉(zhuǎn)子鍛件性能熱處理工藝曲線Figure 1　Property heat treatment process curve of rotor forging

表5　轉(zhuǎn)子鍛件化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 5　Tested results of chemical composition for rotor forging (mass fraction,%)

表6　轉(zhuǎn)子鍛件非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果Table 6　Tested results of non-metallic inclusions for rotor forging

表7　轉(zhuǎn)子鍛件室溫力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 7　Tested results of room-temperature mechanical property for rotor forging

(a)

(b) 圖2　金相組織Figure 2　Metallographic structure

轉(zhuǎn)子鍛件性能熱處理后，得到均勻細(xì)小的索氏體組織，按GB/T 6394要求評(píng)定轉(zhuǎn)子鍛件晶粒度為6.0級(jí)[7]，如圖2所示。金相檢測(cè)結(jié)果表明，通過預(yù)備和性能熱處理，轉(zhuǎn)子鍛件粗大鍛后組織遺傳被切斷，獲得了均勻、細(xì)小的調(diào)質(zhì)態(tài)組織。

轉(zhuǎn)子鍛件力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且各項(xiàng)指標(biāo)較標(biāo)準(zhǔn)要求仍有較大富裕。

4結(jié)論

(1)優(yōu)選爐料，采用真空碳脫氧(VCD)冶煉方式可獲得純凈度高的轉(zhuǎn)子鍛件用鋼。

(2)通過控制鍛造最后一火次加熱溫度、變形量及終鍛溫度，并采用“兩次高溫正火+一次回火”預(yù)備熱處理方式可切斷轉(zhuǎn)子鍛件原始粗大的組織遺傳，為性能熱處理提供良好的基礎(chǔ)組織。

(3)通過試驗(yàn)研究，獲得滿足轉(zhuǎn)子鍛件性能要求的性能熱處理工藝參數(shù)。長(zhǎng)軸類轉(zhuǎn)子鍛件，在井式電爐中加熱保溫及垂直旋轉(zhuǎn)噴水淬火冷卻，可獲得均勻的組織及力學(xué)性能。

(4)通過采用合適的冶煉、鍛造及熱處理制造工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了860 MPa強(qiáng)度等級(jí)百萬級(jí)核電勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件的成功試制，為后續(xù)該類轉(zhuǎn)子鍛件的制造提供指導(dǎo)。

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編輯杜青泉

Trial Manufacture of 1 000 MW Nuclear Exciter Rotor Forgings with 860 MPa Strength Grade

Wang Xiaofang,Liu Ye,Hao Xingmin

Abstract：Based on maintaining the chemical composition design of 25Cr2Ni4MoV,by adopting the appropriate smelting and forging processes,and by means of technological test and study,the heat treatment parameters which are suitable for 860 MPa high strength grade rotor forgings of this kind of material have been searched out.Meanwhile,the rotor forgings with various qualified properties have been trial manufactured successfully.

Key words：25Cr2Ni4MoV;860 MPa strength grade;rotor forging;heat treatment process;trial manufacture

收稿日期：2015—10—21

作者簡(jiǎn)介：王曉芳(1982—)，從事火電、核電鍛件材料及熱處理工藝研究。電話：15026691726，E-mail：wangxf2@shanghai-electric.com

中圖分類號(hào)：TG156

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B