工業(yè)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的熱加工工藝優(yōu)化分析

林路洋

摘要： 本文結(jié)合筆者在實(shí)驗(yàn)室對某工業(yè)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子熱處理工藝的實(shí)驗(yàn)，探究轉(zhuǎn)子熱加工工藝的優(yōu)化問題，該轉(zhuǎn)子使用的材料主要為Crl0Co6MoVNb，該材料作為一種新型的馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼，應(yīng)用于某些發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、葉片、密封圈等部件。本文主要從鋼材熱加工參數(shù)確定、鍛造成分與雜質(zhì)的控制、轉(zhuǎn)子熱處理工藝控制及優(yōu)化等方面進(jìn)行轉(zhuǎn)子熱加工工藝的優(yōu)化研究與分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化的轉(zhuǎn)子加工工藝合理可行，最終鍛造生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子具備良好綜合性能，滿足相關(guān)技術(shù)要求。

Abstract： This article combines the author′s laboratory experiments on the heat treatment process of an industrial engine rotor to explore the optimization of the rotor thermal processing technology. The material used in the rotor is mainly Crl0Co6MoVNb， which is a new type of martensitic heat-strength stainless steel. It is applied to some parts of engine compressor rotor， blade， sealing ring and so on. In this paper， the optimization research and analysis of the rotor thermal processing technology are mainly carried out from the determination of steel thermal processing parameters， the control of forging components and impurities， and the rotor heat treatment process control and optimization. The experimental results show that the optimized rotor processing technology is reasonable and feasible， and the final forging production The rotor has good comprehensive performance and meets relevant technical requirements.

關(guān)鍵詞： 工業(yè)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子;熱加工工藝;工藝優(yōu)化

Key words： industrial engine rotor;thermal processing technology;process optimization

中圖分類號：U263.14? ?   ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0105-02

0? 引言

Crl0Co6MoVNb是在12%Cr馬氏體鋼的基礎(chǔ)上，添加6%Co、Mo、V、Nb等合金元素強(qiáng)化后的合金材料，相比普通Crl2型鋼，有更高熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性，且具有良好耐蠕變性能、較低缺口敏感性。該材料屬于國產(chǎn)化用材，相關(guān)生產(chǎn)試制的經(jīng)驗(yàn)較少，本次研究選用該材料，也希望能為該材料轉(zhuǎn)子的熱加工工藝及今后的應(yīng)用積累一定的經(jīng)驗(yàn)。工業(yè)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子需要承受高轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)，為保證其長期使用的安全，本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)相關(guān)工業(yè)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)作環(huán)境，在設(shè)計(jì)上對其質(zhì)量提出了多元的高要求，不允許轉(zhuǎn)子存在當(dāng)量直徑≥2mm的連續(xù)缺陷信號、游動缺陷信號，允許存在2-4mm的分散缺陷，但相鄰缺陷的距離應(yīng)不小于較大缺陷的7倍，要求單個分散缺陷當(dāng)量直徑、數(shù)量不超過材料化學(xué)成分允許的最大偏差量，要求應(yīng)力較大區(qū)域內(nèi)不允許存在當(dāng)量直徑>3mm的單個缺陷和當(dāng)量直徑≥2mm的密集缺陷信號。可以看出，該轉(zhuǎn)子鍛件的熱處理等工作難度都很大，為此本實(shí)驗(yàn)從多方面采取措施，以控制轉(zhuǎn)子熱加工的質(zhì)量，以期滿足以上技術(shù)要求。

1? 鋼材熱加工相關(guān)參數(shù)的確定及工藝優(yōu)化的探索

為保證材料獲得細(xì)小晶粒、優(yōu)良性能，需要確定合適的鍛造溫度并合理的控制鍛造比;為例防止加熱時胚料受過大應(yīng)力而開裂，需要合理控制裝爐溫度、升溫速度;為保證鋼錠心部均勻透燒，沒有粗大組織，需要合理控制加熱溫度、保溫時間。鍛造后及時退火，從而消除殘余應(yīng)力、加工硬化，防止鋼錠開裂。

1.1 鍛造溫度范圍的確定? 加熱溫度作為熱加工的重要參數(shù)，需要合理確定以能保證金屬材料在其溫度范圍內(nèi)形成較高塑性、較小變形抗力，使鍛件獲得加工所需的組織與性能。因此在初始階段，可適當(dāng)將鍛造溫度的范圍放寬，以便減少加工火次，降低加工能耗，提高生產(chǎn)率，還能使操作更方便。常利用合金相圖、抗力圖和塑性圖等通過綜合分析，結(jié)合實(shí)操經(jīng)驗(yàn)來確定和修改鍛造溫度的范圍。合金鋼的始鍛溫度，相比鐵-碳相固相線溫度一般低150～250℃;合金鋼終鍛溫度一般受再結(jié)晶溫度、合金元素影響明顯，若再結(jié)晶溫度更高，或合金元素更多，則鍛造溫度的范圍將更窄。

1.2 裝料時爐溫的計(jì)算? 高合金鋼在低溫時的塑性相對較低，容易因溫度應(yīng)力較大而導(dǎo)致胚料開裂，尤其對于斷面較大的鋼錠而言，首先應(yīng)將其裝入低溫爐，按照坯料斷面的最大允許溫差確定裝爐的溫度，然后根據(jù)加熱溫度應(yīng)力理論進(jìn)行分析，結(jié)合許用應(yīng)力[δ]、彈性模量E、線性膨脹系數(shù)β等數(shù)據(jù)，計(jì)算出圓柱體胚料中心和胚料表面的最大允許溫差Δt，計(jì)算公式為：。在按照不同熱阻環(huán)境下最大允許溫差和允許裝料爐溫的相關(guān)理論，計(jì)算出變化曲線，最終確定該材料最高裝爐溫度為600-650℃。

1.3 加熱速度的計(jì)算? 該型鋼的加熱工作在車爐上進(jìn)行，需根據(jù)加熱時坯料表面與胚料中心的最大允許溫差，結(jié)合許用應(yīng)力[δ]、熱導(dǎo)系數(shù)α、彈性模量E、線性膨脹系數(shù)β、胚料半徑R等參數(shù)來確定圓柱體坯料的最大允許加熱速度C，計(jì)算公式為：。由于本次實(shí)驗(yàn)該鋼的導(dǎo)熱性差，胚料的斷面尺寸較大，因此800℃以下需控制加熱速度的范圍為60～80℃/h，而高溫階段，由于金屬塑性已得到提高，可采用最大速度進(jìn)行加熱。

1.4 保溫時間的計(jì)算? 需根據(jù)鍛件對質(zhì)量及生產(chǎn)效率等方面的要求，來確定保溫時間，始鍛時保溫時間的確定尤為重要。使鋼坯斷面溫差能達(dá)到規(guī)定均勻程度需要的最短保溫時間稱為最小保溫時間，高合金鋼斷面溫差一般要求小于40℃。根據(jù)相關(guān)鋼材的鍛造經(jīng)驗(yàn)，確定該鋼最小保溫時間為60分鐘，可適當(dāng)延長。保溫時間過長易使合金過熱，一般而言高合金鋼最長時間應(yīng)控制為每毫米長度0.4-0.6分鐘。

1.5 退火制度的摸索? 實(shí)驗(yàn)選取規(guī)格相同的試驗(yàn)鋼10件，在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行退火工藝的摸索試驗(yàn)，保溫時間均設(shè)置為30分鐘，保溫溫度分別設(shè)置為670℃、700℃、720℃、750℃、790℃，進(jìn)行隨爐冷卻與退火試驗(yàn)，技術(shù)要求硬度指標(biāo)應(yīng)≤277HBS。而試驗(yàn)表明，該型鋼在720±10℃范圍內(nèi)去應(yīng)力退火后的硬度值為256HBS-258HBS，數(shù)值較為穩(wěn)定，符合技術(shù)要求。

2? 熱加工過程中對制造質(zhì)量的控制分析

此轉(zhuǎn)子對化學(xué)成分的偏差要求很高，因此需要嚴(yán)格控制制造過程中的有害氣體含量、夾雜物：

2.1 對化學(xué)成分的控制? 在冶煉之前，要選擇優(yōu)質(zhì)的鋼材，本次采用的材料為80%以上的汽車板廢鋼，并保證材料化學(xué)成分在控制范圍內(nèi)，采用EBT電弧爐進(jìn)行加工前，應(yīng)提前進(jìn)行造渣除P處理，應(yīng)保證出鋼前鋼液P質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.005%，冶煉時嚴(yán)禁氧化渣進(jìn)入精煉包;進(jìn)行精煉爐合金化處理時，應(yīng)分批量加入質(zhì)量合理的合金材料，隨時補(bǔ)添渣料，以保障還原渣有良好流動性。具體的成分控制標(biāo)準(zhǔn)如表1。

2.2 對有害氣體含量的控制? 應(yīng)強(qiáng)化精煉爐還原處理，在合金化處理完成后，繼續(xù)添加脫氧材料，以保持白渣，持續(xù)保持適應(yīng)應(yīng)大于20分鐘;真空處理時，應(yīng)保證在真空大氬氣環(huán)境下持續(xù)20-40分鐘，真空處理后應(yīng)保證氣體含量滿足相對應(yīng)的含量要求;進(jìn)行真空澆注時，應(yīng)保證中間包開澆VC真空度處于67Pa以下，進(jìn)行錠身澆注時應(yīng)保證真空度處于100Pa以下。

2.3 對夾雜物的控制? 對各原材料和冶金附具進(jìn)行嚴(yán)格檢查，避免材料及器具攜帶外來夾雜物;精煉過程中，應(yīng)隨時觀測氬氣狀況，合適的調(diào)整氬氣的流量，避免鋼液裸露;減少鋼液對澆包的沖刷;在真空澆注前，應(yīng)將鋼水通入中間包，鎮(zhèn)靜5-7分鐘，以使夾雜物充分上浮。

3? 轉(zhuǎn)子熱加工工藝的優(yōu)化與控制分析

①鍛造加熱的控制與優(yōu)化。由于轉(zhuǎn)子超聲波檢測級別較高，所以鍛造時需盡量采取合理措施來盡可能減少焊合的缺陷和鑄造組織，為后續(xù)轉(zhuǎn)子工件熱處理做好準(zhǔn)備。具體而言，為了給降低焊合內(nèi)部的缺陷制造有利條件，需要適當(dāng)提升鐓粗前鋼錠的加熱溫度和保溫時間，一般需要將保溫時間延長至正常時間的1.5-2倍;加熱過程中，需要定時觀察鋼錠加熱是否均勻，必要時需調(diào)整溫度以保證鋼錠被均勻加熱。②鍛造變形的控制與優(yōu)化。本次成形采用“兩鐓兩拔”的工序。進(jìn)行鐓粗時，為充分焊合，減少鋼錠內(nèi)部的缺陷，打碎其=鋼錠鑄態(tài)組織，改變鋼錠夾雜物分布狀態(tài)，需要保證每次鐓粗的變形程度>50%;進(jìn)行拔長時，可采用WHF等工藝，需嚴(yán)格控制鋼錠拔長的砧寬比在0.6-0.8范圍內(nèi)，控制單砧壓下率在18%-20%，每次拔長的拔長比應(yīng)>2.5，總鍛造的拔長應(yīng)達(dá)5.8，從而保證胚料心部有壓應(yīng)力且變形量充足。③鍛后熱處理的控制與優(yōu)化。根據(jù)確定的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行鍛后熱處理工作，目的在于消除鍛造產(chǎn)生的應(yīng)力，調(diào)整、改善鍛造時形成的粗大組織，消除白點(diǎn)等問題。熱處理工藝流程及溫度控制標(biāo)準(zhǔn)如圖1。④轉(zhuǎn)子調(diào)質(zhì)工藝的控制與優(yōu)化。具備良好力學(xué)性能，才能轉(zhuǎn)子正常工作。為得到技術(shù)所需的力學(xué)性能，必須使大型轉(zhuǎn)子鍛件在淬火時沿整個截面淬透，使鍛件獲得馬氏體組織，必須使用激冷或深層淬火等技術(shù)，提升短劍信不冷卻速度;正火處理后轉(zhuǎn)子心部的組織若不能滿足低脆性轉(zhuǎn)變溫度、高屈服強(qiáng)度等要求，需要采取水冷、油冷等技術(shù)，但由于水淬、油冷很難保證不同截面擁有相同的冷卻速度，易出現(xiàn)開裂，因此需采取一定措施來優(yōu)化轉(zhuǎn)子水淬油冷工藝，如將右端直徑小的軸頸進(jìn)行大直徑加工，將所有直角進(jìn)行圓角加工，以避免出現(xiàn)較大直徑差，減少局部應(yīng)力集中的問題。⑤轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力的控制。由于轉(zhuǎn)子承受很大縱向、徑向及切向的應(yīng)力，轉(zhuǎn)子齒根部位受較大拉應(yīng)力，尤其中心孔壁受極大切向拉應(yīng)力，該工作條件要求調(diào)質(zhì)后轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力應(yīng)小于等于屈服強(qiáng)度的10%，因此需要采用相比調(diào)質(zhì)回火溫度更低的溫度來消除應(yīng)力。

4? 試制結(jié)果及分析

對鍛后鋼材進(jìn)行檢測，低倍組織中的一般疏松、中心疏松為0級，方型偏析為0.5級，沒有斷口缺陷，室溫下鋼的各項(xiàng)機(jī)械性能均能滿足轉(zhuǎn)子制造需求，超聲波探傷顯示成品材料達(dá)到相關(guān)要求。根據(jù)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范與要求對轉(zhuǎn)子鍛件進(jìn)行超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，轉(zhuǎn)子調(diào)質(zhì)后，對其不同部位進(jìn)行檢測，顯示各項(xiàng)力學(xué)性能符合設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力也符合技術(shù)要求。

5? 結(jié)束語

綜上所述，本次實(shí)驗(yàn)通過多種措施，保證了材料的質(zhì)量和轉(zhuǎn)子熱加工后的各方面性能，使其能滿足相應(yīng)的工況環(huán)境。也表明了本次對轉(zhuǎn)子熱加工的優(yōu)化試驗(yàn)，取得了一定程度上的成功，主要通過嚴(yán)格控制材料加工參數(shù)，控制轉(zhuǎn)子化學(xué)成分、有害氣體及夾雜物，優(yōu)化相關(guān)工藝，來提升了轉(zhuǎn)子產(chǎn)品的性能，保證了轉(zhuǎn)子在后續(xù)工作中擁有較好的力學(xué)性能。

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