3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子的制造

秦江 李其 李波 范樵喬 王彥彬 李田野

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽618000)

3%NiCrMoV鋼常用于發(fā)電機轉(zhuǎn)子、燃氣輪機壓氣機輪盤等，較常規(guī)的30Cr2Ni4MoV鋼降低了Ni含量，材料的淬透性降低，近年來小范圍用于汽輪機低壓轉(zhuǎn)子鍛件制造。本文對直徑約1700 mm，重量約106 t的3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子鍛件的制造難點和制造過程進行介紹，并對鍛件的組織、性能進行了評價。

1 技術(shù)要求

1.1 化學(xué)成分

3%NiCrMoV鋼與常規(guī)的30Cr2Ni4MoV鋼化學(xué)成分相比，主要是降低了Ni含量，3%NiCrMoV鋼Ni含量僅為2.80%～3.30%，其余化學(xué)成分基本相當(dāng)。

1.2 取樣圖及性能要求

粗加工取樣圖要求見圖1。

該低壓轉(zhuǎn)子需要檢測心部性能，包括軸身和軸頸心部。表層強度要求與常規(guī)低壓轉(zhuǎn)子相當(dāng)，其中T1、T2、T3位置的屈服強度波動值要求不超過50 MPa，心部屈服強度要求不低于750 MPa；表層沖擊要求不低于100 J；表層、軸頸心部、軸身心部的FATT50應(yīng)分別不高于-10℃、+10℃、+20℃。

1.3 超聲檢測要求

超聲檢測要求嚴(yán)格，表層高應(yīng)力區(qū)單個缺陷記錄及驗收要求均為?1.0 mm，密集及延伸類缺陷記錄及驗收要求均為?0.7 mm。對于應(yīng)記錄的缺陷，還須使用其他尺寸、頻率和角度的探頭對缺陷進一步檢測，得到詳細的缺陷信息。

1.4 難點分析

3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子Ni含量僅為2.80%～3.30%，低于常規(guī)的30Cr2Ni4MoV鋼低壓轉(zhuǎn)子的Ni含量。鎳不形成碳化物，在平衡條件下幾乎完全溶入鐵素體。鎳對塑性、韌性有良好的影響，尤其提高低溫的沖擊韌性值[1]。因此，在Cr、Mo、V等元素相當(dāng)?shù)那闆r下，3%NiCrMoV鋼淬透性不及30Cr2Ni4MoV鋼。強度指標(biāo)與材質(zhì)為30Cr2Ni4MoV的低壓轉(zhuǎn)子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)，但3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子的沖擊性能和FATT50指標(biāo)要求更高，尤其是心部FATT50。從圖1可以看出，該低壓轉(zhuǎn)子部分取試十分苛刻，除要求表面的T1、T2、T3取試位置，還要求較深的TT1、T4、ET1、ET2取試位置，另外增加了軸身心部Ac1、軸頸心部EA3和EA1取試位置。根據(jù)制造經(jīng)驗，要同時滿足表層和心部性能要求，制造難度很大，對化學(xué)成分設(shè)計、性能熱處理工藝參數(shù)的選擇要求很高。

此外，該3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子的超聲檢測要求嚴(yán)格，對冶煉鋼水純凈度、鍛造小當(dāng)量缺陷控制、熱處理晶粒度控制都提出了極高的要求。

2 工藝流程

冶煉與澆注(熔煉分析)→鍛造→鍛后熱處理→第一次粗加工(UT1)→性能熱處理→第二次粗加工(UT2)→表層取試→表層性能試驗等→心部取試→心部性能試驗→最終加工及檢測→包裝發(fā)貨。

圖1 3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子粗加工取樣圖Figure 1 Rough machining sampling diagram of 3%NiCrMoV steel low-pressure rotor

表1 化學(xué)成分內(nèi)控要求(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Internal control requirementsof chemical composition (mass fraction, %)

3 制造過程

3.1 熔煉過程

3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子屬于大型實心軸類鍛件，由于超聲檢測驗收要求高，易出現(xiàn)心部密集及大當(dāng)量單個缺陷等，合格難度大。為此，在煉鋼工藝方面制訂了系列提高鋼水純凈度的控制要點，確保鋼水純凈度，為超聲檢測合格提供質(zhì)量保障，例如：做好低硅低鋁鋼的脫氧問題，采用復(fù)合脫氧劑進行爐前強制脫氧，減少鋼中的氧含量；采取合理的工藝參數(shù)，讓夾雜物充分上浮，凈化鋼液；采用保護澆注方式，盡可能減少鋼液二次氧化，提高鋼錠純凈度；做好過程控制的精細化操作，確保冶金附具的清潔、干燥等，減少外來夾雜物帶入風(fēng)險。通過以上措施，為后工序提供優(yōu)質(zhì)鋼錠。鋼錠重量達到190余噸。

3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子部分取試深度大，性能指標(biāo)驗收要求高，尤其是沖擊性能和FATT50指標(biāo)。為保證力學(xué)性能要求，煉鋼過程需要精確控制化學(xué)成分，需要嚴(yán)格按照化學(xué)成分內(nèi)控(表1)冶煉，其中Ni含量需盡量按中上線控制，為性能熱處理打好基礎(chǔ)。

3.2 鍛造過程

3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子鍛件在萬噸水壓機上通過有效方式充分鍛造，鍛件分4個步驟完成鍛造。

第Ⅰ火次：壓鉗口、倒棱、切水口。

第Ⅱ火次：鐓粗、拔長。

第Ⅲ火次：鐓粗、拔長、清傷。

第Ⅳ火次：拔長滾圓、分料、鍛出各部、修整。

水口切除量≥7%，冒口切除量≥20%。

針對3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子超聲檢測驗收要求高的特點，鍛造工藝采取了以下工藝措施：

(1)嚴(yán)格控制加熱質(zhì)量，防止出現(xiàn)陰陽面，確保鍛造效果，為鍛造成形打下良好的基礎(chǔ)；

(2)采用兩次鐓粗+拔長的工藝措施，確保壓實鍛透，鍛合坯料內(nèi)部空洞等冶金缺陷；

(3)在鍛造時嚴(yán)格執(zhí)行工藝，保證水冒口切除充分；

(4)出成品時合理安排火次、溫度、保溫時間等參數(shù)，并控制3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子鍛件各部成形的先后順序，既避免低溫鍛造產(chǎn)生內(nèi)部裂紋，又確保順利鍛造成形，同時得到晶?？煽氐脑冀M織。

3.3 鍛后熱處理過程

鍛造之后，3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子鍛件立即進行鍛后熱處理。鍛后熱處理的目的主要是調(diào)整組織、細化晶粒，為性能熱處理和超聲檢測作組織準(zhǔn)備。由于鍛件毛坯直徑超過1730 mm，鍛后熱處理采用兩次正火+回火的熱處理工藝。在正火空冷過程中，低壓轉(zhuǎn)子軸身中部表面空冷至200℃左右再入爐，并在200℃左右的低溫下保持超過20 h的時間，以保證低壓轉(zhuǎn)子心部也盡可能完成組織轉(zhuǎn)變，最終實現(xiàn)細化晶粒，鍛后熱處理工藝曲線見圖2。

3.4 性能熱處理過程

3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子鍛件按圖1加工后，進行性能熱處理，性能熱處理工藝見圖3。淬火和回火加熱階段均在井式爐進行，淬火冷卻在立式噴水淬火系統(tǒng)進行，冷卻采用大水量、長時噴水的激冷深冷淬火方式，整個淬火冷卻過程中工件處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。與常規(guī)的30Cr2Ni4MoV鋼低壓轉(zhuǎn)子相比，本次淬火加強了冷卻強度的控制。淬火后，3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子表面溫度低于60℃。由于需要同時兼顧表層和心部性能，選擇了合理的回火溫度；同時有殘余應(yīng)力驗收要求，限制了回火后降溫速率和出爐溫度。

圖2 3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子鍛后熱處理工藝Figure 2 Heat treatment process of 3%NiCrMoV steel low-pressure rotor after forging

圖3 3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子性能熱處理工藝Figure 3 Property heat treatment process of 3%NiCrMoV steel low pressure rotor

圖4 3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子抗拉強度和屈服強度檢測結(jié)果Figure 4 Test results of tensile strength and yield strengthof 3%NiCrMoV steel low-pressure rotor

4 檢測結(jié)果

性能熱處理后，在黑皮狀態(tài)下對3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子進行了硬度檢測和殘余應(yīng)力檢測。硬度檢測結(jié)果為275～286HBW，硬度均勻性良好。殘余應(yīng)力檢測結(jié)果為-51～-31 MPa。

隨后，經(jīng)第二次粗加工后，對3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子進行了超聲檢測，檢測結(jié)果為合格。

后續(xù)的表層取試結(jié)果表明，各項性能指標(biāo)滿足驗收要求，最后進行心部取試，其性能指標(biāo)也滿足驗收要求。3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子表層和心部拉伸性能檢測結(jié)果見圖4和圖5，表層和心部沖擊性能和FATT50檢測結(jié)果見圖6，拉伸和沖擊試驗溫度均為20℃。

圖5 3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子斷后伸長率和斷面收縮率檢測結(jié)果Figure 5 Test results of percentage elongationafter fracture and percentage reduction of area of 3%NiCrMoV steel low-pressure rotor

圖6 3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子沖擊性能和FATT50檢測結(jié)果Figure 6 Test results of impact performance andFATT50 of 3%NiCrMoV steel low-pressure rotor

從圖4中可以看出，3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子T1、T2、T3位置的屈服強度波動值僅為19 MPa，性能均勻性良好。從圖6中可以看出，表層FATT50均能滿足≤-10℃的要求，軸頸心部FATT50能滿足≤10℃的要求，軸身心部FATT50能滿足≤20℃的要求。

同時，對3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子本體T2、T3、T4以及AC1位置取樣進行了顯微組織檢查。T2、T3位置組織為回火索氏體，晶粒度均達到了8.0級，其中T3位置的顯微組織見圖7(a)；T4、AC1位置組織為回火貝氏體，晶粒度分別達到了7.0級和6.0級，顯微組織分別見圖7(b)和圖7(c)。

經(jīng)過制造后，超聲檢測結(jié)果和各項性能指標(biāo)均滿足客戶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

為了掌握3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子制造技術(shù)，生產(chǎn)了一支用190余噸鋼錠制造出的直徑約1700 mm的轉(zhuǎn)子鍛件，對該3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子進行了檢測分析，結(jié)果總結(jié)如下：

(1)超聲檢測結(jié)果顯示，3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子表層和心部未探測到超標(biāo)和應(yīng)記錄的缺陷，表明熔煉和鍛造工藝采取的技術(shù)措施十分有效。

(2)各項性能指標(biāo)檢測結(jié)果均滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，尤其是轉(zhuǎn)子T1、T2、T3位置的屈服強度波動值僅為19 MPa，性能均勻性良好，軸身心部FATT50達到16℃，滿足≤20℃的要求。表明熱處理工藝采取的技術(shù)措施精準(zhǔn)有效。

經(jīng)過熔煉、鍛造、鍛后熱處理、性能熱處理綜合技術(shù)措施，成功制造出了3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子，超聲檢測結(jié)果和各項性能指標(biāo)均滿足客戶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，掌握了3%NiCrMoV鋼低壓轉(zhuǎn)子制造技術(shù)。