16MnT 軸鋼鍛件生產(chǎn)工藝研究

文／張根紅，梁曉捷，粟柏玉·太原重工股份有限公司

16MnT 軸鋼是風力發(fā)電機轉軸產(chǎn)品，電機軸是風力發(fā)電機中的一個重要零件，是電機與設備之間機電能量轉換的紐帶。首先高速旋轉的過程中一定要保證足夠的強度，即在正常負載及規(guī)定的特殊情況下(如突然短路等)，電機軸任一部分不能產(chǎn)生殘余變形或損壞。其次要有足夠的剛度。即轉軸的撓度必須在允許范圍內，臨界轉速和工作轉速間應有足夠的差值，以避免發(fā)生共振。因此，電機軸必須具有可靠綜合力學性能。

16MnT鋼是一種含有少量合金元素的低合金鋼，力學性能要求較高，我們通過不斷的試驗，積累試驗數(shù)據(jù)，改進工藝，使鍛件合格率達到100%，力學性能完全滿足用戶的要求。

16MnT 軸鋼的技術條件

16MnT 軸鋼化學成分要求見表1，力學性能指標見表2。用戶要求的低溫沖擊功溫度偏低，力學性能指標要求較為嚴苛，且取樣位置較深，為R/2。逐支按GB/T 6402-2008 中Ⅰ級進行UT，平底孔當量直徑要求不大于2mm。

表1 化學成分要求(質量分數(shù)，%)

表2 力學性能的要求

生產(chǎn)過程

化學成分的控制

冶煉采用電爐冶煉+爐外精煉+真空脫氣，對化學成分中的微合金元素進行內控，在鋼中加入Nb、V、Ti 等微合金元素，能在鋼中形成穩(wěn)定的特殊碳化物，細化晶粒，克服錳鋼易過熱的缺點，提高鋼的耐回火性，使鋼的強度和韌性進一步提高。鋼中Nb 加入量在0.05%以下可顯著改善鋼的強韌性能，高于0.05%后Nb 的強韌化效果不明顯，V 為強烈形成碳化物元素，能夠顯著提高珠光體鋼的強度，鋼中釩的碳化物和氮化物在熱加工冷卻時析出，形成的碳化物和氮化物化合也可抑制晶粒長大，提高鋼材的綜合性能。Ti 含量在0.01%～0.03%可以改善鋼的強韌性能，但當鋼中Ti 含量超過0.03%時，過剩的Ti以TiN 的形式析出，割裂基體的連續(xù)性，導致低溫沖擊性能降低。此外，加入微量的硼能顯著降低亞共析鋼中過冷奧氏體在珠光體轉變區(qū)析出鐵素體的速度，還可以提高鋼的淬透性。內控化學成分見表3。

表3 內控化學成分(質量分數(shù)，%)

鍛造過程

在80MN 快鍛機上進行開坯，始鍛溫度控制在1220 ～1240℃，終鍛溫度不小于750℃，鍛造比不小于2.5，加熱時嚴格執(zhí)行加熱工藝，開坯后進行高、低倍檢測，鍛后進行正火+回火處理，進一步細化晶粒，消除應力及擴氫。開坯后下料鍛造，毛坯圖見圖1。

圖1 鍛造毛坯圖

開坯后，在5t 電液錘上進行成形工序，保證綜合鍛造比不小于4，再進行性能熱處理，因為用戶要求高強度和沖擊韌性，在保證鍛件不產(chǎn)生裂紋的情況下，使鍛件性能滿足用戶要求，熱處理曲線見圖2，熱處理后的機械性能檢測見表4，由表可知，鍛件強度滿足用戶要求，但是低溫沖擊性能不合格。

表4 性能檢測結果

圖2 性能熱處理曲線

理化檢測

對鍛件進行以下理化檢測，找出低溫沖擊不合格原因。

成分分析

按GB/T 222-2006 的規(guī)定取樣并進行檢測，化學成分檢測結果見表5。

表5 鍛件化學成分(質量分數(shù)，%)

高、低倍檢測

按GB/T 1979-2001 規(guī)定做酸浸低倍組織檢測，檢測結果見表6。按GB/T 10561-2005 進行非金屬夾雜檢測，檢測結果見表7。

表6 低倍檢測結果(級)

表7 非金屬夾雜物檢測結果(級)

組織及晶粒度檢測

組織及晶粒度檢測結果見表8，由表可知，金相組織符合用戶要求，但是鍛件晶粒度不合格，出現(xiàn)了混晶組織。

表8 組織及晶粒度檢測結果

原因分析

根據(jù)理化檢測結果，鍛件的化學成分及高、低倍檢測結果均符合用戶要求，因此，推測混晶組織是導致鍛件低溫沖擊不合格的主要因素，根據(jù)理化檢測及分析結果，結合實際生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過程，認為造成混晶的原因主要有以下幾方面：

⑴鍛造比控制不當，鍛造比較小，鍛件鍛打不充分，沒有在鍛造過程充分解決枝晶偏析問題；

⑵鍛造完成后直接空冷，沒有進行鍛后熱處理，進一步細化晶粒，消除應力及擴氫；

⑶性能熱處理時溫度偏低，保溫時間不夠，冷卻時冷速不均勻，造成成分不均勻。

工藝改進及效果

⑴在開坯階段增加一次鐓粗、拔長工序，增大鍛造比，綜合鍛造比保證不小于5，保證鍛件充分鍛透，解決成分偏析。

⑵鍛后進行一次正火+回火處理，進一步細化晶粒，均勻組織，消除應力及擴氫。

⑶在最終的性能熱處理時適當提高奧氏體化溫度至910 ～930℃，并控制保溫時間在2.5 ～4h。

⑷制定適用于軸鋼這種長徑比較大的軸類件的專用工裝(圖3)，使軸類鍛件之間縫隙均勻，可有效控制產(chǎn)品冷卻速率并保證產(chǎn)品各部分組織轉變同步、性能均勻，保證工件變形可控，同時裝爐量提高兩倍。

圖3 熱處理專用工裝

使用修改后的工藝進行生產(chǎn)驗證，鍛件的力學性能及低溫沖擊性能全部合格，晶粒度為7 級，具體數(shù)值見表9。鍛件探傷符合GB/T 6402-2008 中Ⅰ級要求，平底孔當量直徑小于2mm，合格率達到100%。

表9 優(yōu)化后鍛件性能和組織檢測結果

結束語

經(jīng)過試驗證明，添加Nb、V 等微合金元素，并控制Ti 含量，適當加大鍛造比，增加鍛后熱處理，細化晶粒，均勻組織，適當提高最終熱處理溫度會獲得很好的低溫沖擊韌性及良好的綜合力學性能，完全滿足用戶要求。