大型下注鋼錠生產(chǎn)35CrNi3MoV 轉(zhuǎn)子的工藝研究

文／王旭穎，王意平，彭彩霞·太原重工股份有限公司

35CrNi3MoV 鋼是一種優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，因其具有高的淬透性和良好的綜合力學(xué)性能，廣泛用于制造火電、核電等電站裝備和大型冶金、礦山和運(yùn)輸裝備中的承力和傳動結(jié)構(gòu)部件。長期以來，大型轉(zhuǎn)子用鋼錠主要生產(chǎn)方式為雙真空澆鑄，特別是60 噸級以上鋼錠生產(chǎn)。雙真空澆鑄有其優(yōu)勢，但也存在設(shè)備投資大、工序復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、成本高的缺點(diǎn)。為解決上述問題，我公司對利用大型下注鋼錠生產(chǎn)35CrNi3MoV 轉(zhuǎn)子的熱加工工藝進(jìn)行研究，解決了材料的純凈度、均質(zhì)性、致密性、成材率、使用性能等問題。

技術(shù)要求

化學(xué)成分

為滿足轉(zhuǎn)子最終使用性能，綜合強(qiáng)韌性及磁性能要求，冶煉前期對35CrNi3MoV 鋼化學(xué)成分進(jìn)行設(shè)計，控制主要合金元素、氣體及參與元素，標(biāo)準(zhǔn)要求及內(nèi)控要求見表1。

表1 35CrNi3MoV 鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

力學(xué)性能

轉(zhuǎn)子鍛件粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，按取樣圖(圖1)取樣，進(jìn)行性能試驗(yàn)，性能要求見表2、表3。

表2 力學(xué)性能要求

表3 磁性能要求

圖1 產(chǎn)品取樣圖

超聲波探傷

轉(zhuǎn)子超聲波驗(yàn)收要求按EN10228-3 等級4 級；

起始靈敏度：φ2mm；

單個缺陷：最大允許φ3mm；

延伸缺陷/密集缺陷：不允許存在大于φ2mm 當(dāng)量；

延伸缺陷的長度：≤φ2mm 當(dāng)量時，不得大于缺陷處的聲束直徑；

密集缺陷：間距小于40mm 時，有三處即為密集；

由缺陷引起的底波降低量：厚度大于60mm時，最大允許4.4dB。

冶煉鑄錠難點(diǎn)及主要工藝要求

冶煉鑄錠難點(diǎn)

⑴純凈度問題：大型下注鋼錠采用真空精煉+大氣澆注的方式生產(chǎn)，需嚴(yán)格控制夾雜物等級超標(biāo)的問題。

⑵均質(zhì)性問題：應(yīng)用大型下注鋼錠成分均勻性控制技術(shù)，解決轉(zhuǎn)子類下注鋼錠成分偏析造成鍛后組織不均和表面質(zhì)量的問題。

⑶致密性問題：應(yīng)用大型下注鋼錠致密性控制技術(shù)，解決轉(zhuǎn)子類下注鋼錠內(nèi)部縮孔、疏松嚴(yán)重造成鍛后超聲波探傷不合格的問題。

主要工藝要求

⑴工藝流程。

從35CrNi3MoV 鋼的質(zhì)量要求可以看出，35CrNi3MoV鋼鍛件超探要求嚴(yán)格。生產(chǎn)過程中需嚴(yán)格控制鋼中P、S含量；合金含量高，尤其是元素Cr 偏析嚴(yán)重的問題，冶煉鑄錠過程中需嚴(yán)格控制；Cu、As、Sn、Sb 等殘余元素含量，H、O、N 含量及各類夾雜物含量亦需嚴(yán)格控制。針對35CrNi3MoV 鋼嚴(yán)格的質(zhì)量要求，通過研究生產(chǎn)工藝，確定采用“80t 電爐初煉——120tLF 精煉——120tVD 處理——120tLF——軟攪拌——下注”工藝路線，并在相關(guān)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

⑵爐料準(zhǔn)備。

①產(chǎn)品合金含量高，嚴(yán)禁第一爐冶煉，確保前一爐留鋼成分As、Sn、Sb 需滿足本爐要求。

②廢鋼備料必須進(jìn)行精選，要求熔清殘余元素及有色金屬元素滿足工藝要求。

③精煉使用鎳鐵合金時，注意提前進(jìn)行烘烤。

④輔助材料清潔干燥，送化驗(yàn)室分析預(yù)判成分，螢石使用普通螢石，合金入爐使用前要求烘烤干燥。

⑶冶煉澆注過程控制。

①初煉要求合理吹氧助熔、合理脫碳、合理造渣，做到前期低溫去磷，氧化期鋼液均勻沸騰，以達(dá)到去氣、去夾雜的目的，但嚴(yán)禁爐內(nèi)出現(xiàn)大沸騰。

②采用留鋼、留渣操作，防止氧化渣進(jìn)入精煉包內(nèi)。

③出鋼時控制C 含量及P 含量以滿足要求。

④控制出鋼溫度，出鋼時Ar 氣壓力控制在要求范圍。

⑤澆注全程進(jìn)行Ar 氣保護(hù)，并盡量縮短水口與纖維氬幕圈的距離，上冒口后適當(dāng)減流，確保冒口補(bǔ)縮良好。

⑥脫模熱運(yùn)：嚴(yán)格按照工藝規(guī)定的脫模時間進(jìn)行脫模，并熱運(yùn)至鍛造車間。

鍛造難點(diǎn)及主要工藝要求

鍛造難點(diǎn)

⑴控制偏析問題：鋼錠熱運(yùn)至鍛造車間后，升溫至鍛造溫度，通過鍛前高溫擴(kuò)散來減輕或消除枝晶偏析，改善化學(xué)成分的分布；自由鍛造過程控制底部和冒口的切除量，將成分偏析降到合理范圍，并最終提高鍛件的質(zhì)量。

⑵壓實(shí)鍛透問題：通過前期數(shù)值模擬，運(yùn)用鍛造數(shù)值模擬軟件Forge 對轉(zhuǎn)子鐓粗、拔長過程反復(fù)計算，得到最優(yōu)鍛造工藝參數(shù)。制定工藝時選取最優(yōu)方案，解決心部超聲波探傷問題。

⑶晶?？刂茊栴}：控制成形溫度，最后火次前預(yù)留1.4 以上鍛比；通過合理的鍛后熱處理，切斷組織遺傳。

主要工藝要求

⑴工藝流程。

熱運(yùn)鋼錠加熱→分火次鍛造→鍛后熱處理。

⑵工藝要點(diǎn)。

①第一火壓鉗把、壓圓、切底后，在第二火鍛造前，增加高溫保溫時間，進(jìn)行高溫擴(kuò)散，要求保溫時間≥30 小時，改善偏析并均勻成分。

②利用前期數(shù)值模擬，大變形時鐓粗變形率達(dá)到40%，采用寬砧強(qiáng)壓法拔長，拔長至八方后預(yù)留鍛比，返爐待成形。

③成形時盡量控制心部溫度在1150℃，避免心部溫度高時無鍛比引起晶粒異常長大及混晶現(xiàn)象的發(fā)生。操作過程嚴(yán)格控制鋼錠的實(shí)際利用率，如有裂紋及時熱清除，對冒口及底部的切除量進(jìn)行有效控制，

④鍛后熱處理：通過兩次正火+回火方式，鍛造完成后，鍛件先空冷至表面300℃以下入爐保溫切斷組織遺傳，進(jìn)行高低溫兩次正火細(xì)化晶粒、改善成分偏析，回火爐冷以消除熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，便于后續(xù)車削加工。鍛后熱處理曲線見圖2。

圖2 鍛后熱處理曲線圖

性能熱處理

最終性能熱處理采用調(diào)質(zhì)處理，以提高轉(zhuǎn)子鋼的硬度、強(qiáng)度、韌性、塑性、耐磨性以及較好的綜合力學(xué)性能。性能熱處理曲線見圖3。

圖3 性能熱處理曲線圖

產(chǎn)品檢驗(yàn)

轉(zhuǎn)子鍛件在我公司冶煉鍛造完成后，經(jīng)過后續(xù)的調(diào)質(zhì)處理，達(dá)到了客戶要求，最終產(chǎn)品檢測結(jié)果如下。

化學(xué)成分結(jié)果

熔煉分析及成品分析結(jié)果見表4，結(jié)果顯示熔煉分析及成品分析均符合表1 所示的產(chǎn)品技術(shù)要求，且主要合金元素在中上線，可保證產(chǎn)品熱處理后各項性能指標(biāo)合格。

表4 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

性能結(jié)果

機(jī)械性能檢測結(jié)果見表5，結(jié)果符合表2 所示性能要求，且強(qiáng)度均勻性較好，可保證產(chǎn)品各部位屈服強(qiáng)度的分散度≤100MPa。磁性能結(jié)果見表6，結(jié)果符合表3 所示要求。

表5 機(jī)械性能結(jié)果

表6 磁性能結(jié)果

低倍檢測結(jié)果

低倍組織檢驗(yàn)的試驗(yàn)方法采用酸浸試驗(yàn)和斷口試驗(yàn)，檢測結(jié)果見表7。

表7 低倍檢測結(jié)果

無損檢測結(jié)果

轉(zhuǎn)子超聲波探傷符合EN10228-3 等級4 級，未發(fā)現(xiàn)單個超過φ3mm 的缺陷及大于φ2mm 當(dāng)量延伸缺陷/密集缺陷。

結(jié)束語

35CrNi3MoV 材質(zhì)大型單真空鋼錠轉(zhuǎn)子為我公司首次生產(chǎn)，且為出口產(chǎn)品。我公司通過對冶煉過程控制、鍛造過程控制、性能熱處理過程控制，證明此生產(chǎn)工藝合理可行，該工藝打破了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，將在引領(lǐng)未來鍛件行業(yè)新技術(shù)方向的變革、提高企業(yè)品牌效應(yīng)等領(lǐng)域，扮演重要角色。