25Cr2Ni4MoV鍛軸制造工藝研究

李宏柏 宋國旺 牛玉溫 劉世超 張 蕓 馮慶蓮 魏 嶺

(太原重工股份有限公司，山西030024)

25Cr2Ni4MoV是一種Cr-Ni-Mo-V合金鋼，常用于制造發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是發(fā)電設(shè)備中的核心鍛件，要求其內(nèi)部無超聲檢測(cè)超標(biāo)缺陷，同時(shí)要求其有高的強(qiáng)度、高的沖擊韌性、低的脆性轉(zhuǎn)變溫度[1-3]。但實(shí)際生產(chǎn)中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)常因超聲檢測(cè)超標(biāo)、綜合力學(xué)性能不符合標(biāo)準(zhǔn)等質(zhì)量問題而報(bào)廢。本文對(duì)25Cr2Ni4MoV鋼鍛軸的冶煉、鍛造、熱處理等制造工藝進(jìn)行研究，用堿性電爐冶煉+鋼包精煉+大氣澆注的工藝制造鋼錠，成功地鍛造出直徑為900 mm的鍛軸。

1 技術(shù)要求

1.1 化學(xué)成分要求

材料的化學(xué)成分要求見表1。為了使鍛件得到良好的綜合力學(xué)性能，提高鋼水的純凈性，冶煉過程中控制P、S≤0.005%。

1.2 力學(xué)性能要求

調(diào)質(zhì)熱處理后，按照取樣圖1進(jìn)行取樣，力學(xué)性能要求見表2。取樣的具體位置及數(shù)量如下：

(1)在軸身X1、X2位置分別套取徑向試樣，分別做一拉三沖、FATT50試驗(yàn)。X1的位置距離大身左端40 mm，X2的位置位于大身長度中間位置。

(2)在軸身L1及L2位置分別套取縱向試樣，分別做一拉三沖、FATT50試驗(yàn)。L1位置距離外圓表面1/2半徑處，L2位置在外圓端面中心附近處。

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements (mass fraction,%)

圖1 取樣圖Figure 1 Sampling drawing

取樣位置Rp0.02MPaRp0.2MPaRmMPaA50mma%Z%KV2JFATT50℃L1,L2≥585≥585≥735≥18≥55≥80≤-7X1,X2≥585≥585≥735≥18≥55≥80≤-18a d0=12.5 mm

1.3 超聲檢測(cè)要求

鍛軸調(diào)質(zhì)完畢，并經(jīng)粗加工后對(duì)鍛軸進(jìn)行100%超聲檢測(cè)。超聲檢測(cè)結(jié)果符合JB/T 8706—2014要求。

2 制造工藝

鍛軸的制造工藝流程為：堿性電爐冶煉→精煉爐精煉→真空處理→大氣澆注→鍛造→預(yù)備熱處理→粗加工→超聲檢測(cè)→性能熱處理→取樣→力學(xué)性能檢驗(yàn)。

2.1 冶煉與鑄錠

原材料：原材料精選本廠優(yōu)質(zhì)返回廢鋼和優(yōu)質(zhì)生鐵。要求殘余元素滿足工藝要求，防止Sn、As、Bi、Sb等元素超標(biāo)。

電爐粗煉鋼水：采用深度吹氧去P技術(shù)，去除鋼水中的有害元素。鋼水出鋼前，嚴(yán)格控制電爐鋼水出鋼前[P]的含量，保證[P]≤0.002%。

鋼包精煉：使用硅鈣粉作為強(qiáng)脫氧劑和碳粉、硅鐵粉等弱脫氧劑搭配擴(kuò)散脫氧，保持還原氣氛，達(dá)到脫氧脫硫、去夾雜的目的。底吹A(chǔ)r真空除氣時(shí)，確?？刂朴行д婵斩取?7 Pa，確保有效真空時(shí)間持續(xù)足夠的時(shí)間，達(dá)到真空除氣的效果，使得鋼水中的氣體含量降到最低程度。

澆注：采用大氣澆注方法，澆注過程采取保護(hù)澆注措施，防止鋼水二次氧化。

2.2 鍛造成形

鋼錠加熱至1240℃進(jìn)行鍛造，鋼錠經(jīng)過壓鉗口、倒棱、切水口端后進(jìn)行鍛造大變形。鍛造變形采用兩次鐓粗、兩次拔長，綜合鍛造比大于5以上。鐓粗變形量大于40%，有效地將鋼錠中粗大的鑄造組織打碎。拔長過程中，采用寬砧強(qiáng)壓法拔長，每砧壓下量為20%，使鋼錠中的疏松、縮孔等缺陷得到有效的壓實(shí)。最后一火次成形加熱溫度控制在1050℃左右，防止晶粒進(jìn)一步長大。鍛造變形量控制在15%～20%，利用鍛造動(dòng)態(tài)再結(jié)晶原理使鍛件的晶粒得到細(xì)化，為后續(xù)的預(yù)備熱處理奠定基礎(chǔ)。

2.3 預(yù)備熱處理

為了消除鍛件內(nèi)部應(yīng)力及晶?；炀КF(xiàn)象，通過一次正火+回火工藝進(jìn)行鍛后熱處理。鍛軸鍛造完畢后進(jìn)行空冷，當(dāng)鍛軸表面溫度降至300～350℃時(shí)，加熱至860～880℃充分奧氏體化后進(jìn)行正火，鍛件吊離加熱爐后空冷，使鍛軸心部溫度降至Bf以下。由于25Cr2Ni4MoV對(duì)白點(diǎn)敏感性非常高，為了降低鍛軸內(nèi)部的H含量，防止白點(diǎn)的生成，在640～660℃進(jìn)行回火。一方面，使鋼中的氫由心部向表面擴(kuò)散，排入大氣中，使鋼中H的溶解度降低，防止白點(diǎn)的生成。另一方面，消除鍛件內(nèi)部的應(yīng)力。預(yù)備熱處理工藝見圖2。

2.4 調(diào)質(zhì)熱處理

為了獲得良好的綜合力學(xué)性能，鍛件加熱至835～850℃充分奧氏體化后，采取水冷的冷卻工藝，使鍛件的冷卻速度盡可能快，以便得到下貝氏體組織。為了防止淬火時(shí)應(yīng)力過大，導(dǎo)致鍛鋼開裂，鍛鋼出爐后空冷2 min～3 min，直接水冷。鍛件水冷時(shí)，不斷地在水槽中擺動(dòng)，以破壞鍛鋼表面的蒸汽膜。同時(shí)加強(qiáng)水循環(huán)，將水溫控制在25℃以下，增強(qiáng)鍛鋼冷卻的效果。為了使鍛軸最大直徑的心部溫度降至Bf以下，鍛軸最大直徑部位在水槽中冷卻190 min。此時(shí)，最大直徑部分的外圓溫度已經(jīng)降至80℃。鍛鋼完成淬火后，進(jìn)入回火爐，進(jìn)行560～610℃高溫回火。為控制回火后的殘余應(yīng)力，鍛鋼在回火冷卻時(shí)要求冷卻速度≤20℃/h，出爐溫度≤200℃。調(diào)質(zhì)熱處理工藝見圖3。

圖2 預(yù)備熱處理工藝Figure 2 The preliminary heat treatment process

圖3 調(diào)質(zhì)熱處理工藝
Figure 3 The Quenching and tempering heat treatment process

3 結(jié)果分析

3.1 化學(xué)成分

按照取樣圖對(duì)徑向X1及X2部位進(jìn)行成品分析，結(jié)果見表3。從成品分析的結(jié)果來看，P、S含量，Al的含量，殘余元素Cu、As、Sb、Bi均控制在較低水平。X1位置的C含量為0.25，X2位置的C含量為0.24，X1位置的C含量略高于X2位置的C含量。其余元素基本相同，材料成分相對(duì)均勻，各種元素的偏析非常小。

3.2 氣體含量

按照取樣圖對(duì)徑向X1及X2部位進(jìn)行氣體分析，結(jié)果見表3。氣體含量相對(duì)低，H含量最大為0.80×10-6，O含量最大為20×10-6，N含量最大為59×10-6。

3.3 超聲檢測(cè)

調(diào)質(zhì)熱處理完畢并對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行機(jī)加工后，對(duì)鍛軸外圓進(jìn)行100%超聲檢測(cè)。結(jié)果顯示未發(fā)現(xiàn)當(dāng)量直徑大于?2 mm的密集缺陷，未發(fā)現(xiàn)當(dāng)量直徑大于?3 mm的單個(gè)缺陷，符合JB/T 8706—2014標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 力學(xué)性能

從表4可以看出，鍛軸的縱向部位L1及L2的綜合力學(xué)非常好，特別是L2部位，其-40℃KV2沖擊性能達(dá)到41.5 J，F(xiàn)ATT50達(dá)到-7℃。鍛軸的徑向部位X1、X2的綜合力學(xué)性能也非常好，特別是徑向部位X2位置，抗拉強(qiáng)度為943 MPa，-60℃KV2的沖擊性能達(dá)到28.1 J，F(xiàn)ATT50達(dá)到-19℃。

表4 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 4 The test results of mechanical properties

表5 60 MW空冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 5 The test results of mechanical properties of 60 MW air cooling generator rotor

圖4 60 MW空冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子取樣輪廓圖Figure 4 Sampling drawing of 60 MW air cooling generator rotor

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

運(yùn)用上述冶煉、鍛造、熱處理等制造工藝，我公司已經(jīng)成功地生產(chǎn)出60 MW空冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子4支，該型號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子最大直徑與本文所述鍛軸最大直徑一致，其力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表5。圖4為60 MW空冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子取樣輪廓圖，L1、L2位置分別距離外圓表面1/3半徑處，X1、X2的位置分別距離大身端部40 mm。從表5可以看出，同一支轉(zhuǎn)子上的兩軸端縱向L1、L2部位的力學(xué)性能數(shù)值以及軸身兩端徑向X1、X2部位的力學(xué)性能數(shù)值相差很小，說明這4支轉(zhuǎn)子的材料力學(xué)性能相對(duì)均勻。

5 結(jié)論

(1)在堿性電爐冶煉+鋼包精煉+大氣澆注的冶煉及鑄錠條件下，25Cr2Ni4MoV材料的化學(xué)成分相對(duì)均勻，殘余元素含量低，氣體H、O、N的含量較小，各種元素的偏析小。

(2)在兩次鐓粗兩次拔長的鍛造條件下，經(jīng)超聲檢測(cè)，鍛軸內(nèi)部無當(dāng)量直徑大于?2 mm的密集缺陷，無當(dāng)量直徑大于?3 mm的單個(gè)缺陷。

(3)鍛軸的徑向部位X2位置的綜合力學(xué)性能非常好，-60℃的沖擊吸收能量最小值約為28.1 J，脆韌轉(zhuǎn)變溫度FATT50最小值為-19℃。鍛軸軸向中心附近L2位置的綜合力學(xué)性能非常好，-60℃的沖擊吸收能量最小值約為41.5 J，脆韌轉(zhuǎn)變溫度FATT50最小值為-7℃。

(4)通過25Cr2Ni4MoV鍛軸制造工藝研究，成功地制造出了4支轉(zhuǎn)子，充分驗(yàn)證了冶煉、鍛造、熱處理工藝的可行性。