F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)靜葉環(huán)鍛件的國(guó)產(chǎn)化工藝試驗(yàn)

文／董士良·上海宏鋼電站設(shè)備鑄鍛有限公司

王亞鵬·上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠

F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)靜葉環(huán)鍛件的國(guó)產(chǎn)化工藝試驗(yàn)

文／董士良·上海宏鋼電站設(shè)備鑄鍛有限公司

王亞鵬·上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠

作為大尺寸薄壁環(huán)類鍛件，靜葉環(huán)按照傳統(tǒng)的工藝進(jìn)行熱處理容易發(fā)生變形，利用鍛造余熱進(jìn)行余熱淬火(正火)＋回火代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱處理工藝在試驗(yàn)和試制中都取得了很好的效果，一方面減少了熱處理變形，另一方面減少了熱處理道序，降低了生產(chǎn)成本。

按照F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)靜葉環(huán)鍛件國(guó)產(chǎn)化的要求，鍛件應(yīng)在性能熱處理合格狀態(tài)下交貨。環(huán)類鍛件傳統(tǒng)的熱處理工藝是在輾環(huán)成形后空冷至室溫，再重新加熱到一定的溫度進(jìn)行性能熱處理，但因大尺寸薄壁環(huán)類鍛件在經(jīng)傳統(tǒng)熱處理后易發(fā)生變形，其直徑方向會(huì)產(chǎn)生橢圓度，高度方向會(huì)產(chǎn)生波浪形瓢曲，因此有必要對(duì)相關(guān)的生產(chǎn)制造工藝進(jìn)行改進(jìn)。

采用鍛后強(qiáng)制風(fēng)冷＋回火的熱處理工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的淬火(正火）工藝，一方面可以減少熱處理的變形量，另一方面可以縮短生產(chǎn)周期、節(jié)約能源、降低能耗。為此，結(jié)合靜葉環(huán)鍛件的實(shí)際生產(chǎn)，我們對(duì)其中的16Mo3、S235JRG2＋N兩種材料，在鍛件擴(kuò)孔后余熱淬火(正火）方面做了一些工藝試驗(yàn)。

靜葉環(huán)鍛件工藝試驗(yàn)

鍛造、擴(kuò)孔工藝和熱處理工藝的確定

從16Mo3、S235JRG2＋N鋼的化學(xué)成分可看出，這兩種材料的鍛造溫度范圍比較寬泛，參照鐵碳相圖、材料的塑性、變形抗力、再結(jié)晶溫度等因素，并結(jié)合原先的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定鍛造溫度范圍：始鍛溫度為1220℃，終鍛溫度為850℃。

另一方面，按TLV81704100規(guī)定，16Mo3靜葉環(huán)鍛件的性能熱處理工藝為890～950℃淬火，油冷，620～700℃回火，空冷。按DGTLV-804443001A規(guī)定，S235JRG2＋N靜葉環(huán)鍛件的性能熱處理工藝為890～950℃正火，空冷。對(duì)于S235JRG2＋N靜葉環(huán)鍛件，為消除輾環(huán)過(guò)程中因變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和正火過(guò)程中的冷卻應(yīng)力，對(duì)其按600℃回火熱處理。

圖1 16Mo3及S235JRG2＋N靜葉環(huán)鍛件余熱淬火(正火）工藝曲線

圖2 16Mo3靜葉環(huán)鍛件回火工藝曲線

圖3 S235JRG2＋N靜葉環(huán)鍛件回火工藝曲線

綜合考慮后確定了如圖1～3所示的16Mo3及S235JRG2＋N靜葉環(huán)鍛件余熱淬火(正火）工藝曲線和回火工藝曲線。

余熱淬火(正火)工藝試驗(yàn)

⑴16Mo3靜葉環(huán)鍛件余熱淬火工藝試驗(yàn)。

16Mo3靜葉環(huán)鍛件傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理工藝與鍛后余熱性能熱處理工藝的比較如圖4所示。

靜葉環(huán)鍛件試件由φ150mm的坯料鍛成，坯料加熱至1220℃，均熱保溫適當(dāng)時(shí)間后進(jìn)行改鍛，鍛成300mm×120mm×70mm(編號(hào)70#）、300mm×120mm×100mm(編號(hào)100#）各一塊，將終鍛溫度控制在950℃，鍛后立即用軸流風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)冷卻至室溫，接著試件進(jìn)行620℃×4h的回火處理，在兩塊試料的中心部位取樣作力學(xué)性能和金相組織試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，兩塊試件經(jīng)鍛后余熱淬火＋620℃×4h回火性能熱處理后，力學(xué)性能和金相組織均符合TLV81704100規(guī)范的要求。

將上述兩塊試件余料接著按常規(guī)工藝進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理，即按920℃空冷或油冷＋620℃回火處理，力學(xué)性能和金相組織的比較見(jiàn)表2。

金相組織方面，3種方法熱處理后的組織均為鐵素體和珠光體，晶粒度均達(dá)7～8級(jí)。但從圖5、圖6可以看出，鍛后余熱淬火試件的組織中鐵素體含量相對(duì)較多，晶粒度相對(duì)粗一點(diǎn)，也可看到組織呈帶狀，這與試件未經(jīng)細(xì)化晶粒、均勻組織、消除缺陷的傳統(tǒng)正火或調(diào)質(zhì)處理有關(guān)，如試件再加上正火或調(diào)質(zhì)處理，則組織中珠光體含量更多，晶粒更細(xì)。

力學(xué)性能方面，經(jīng)過(guò)正火或調(diào)質(zhì)處理的試樣略優(yōu)于余熱淬火試樣，但余熱淬火試樣的力學(xué)性能也足夠滿足TLV81704100規(guī)范的要求。

圖4 16Mo3靜葉環(huán)鍛件傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理工藝與鍛后余熱性能熱處理工藝

⑵S235JRG2＋N靜葉環(huán)鍛件余熱正火工藝試驗(yàn)。

S235JRG2＋N靜葉環(huán)鍛件傳統(tǒng)正火工藝與鍛后余熱性能熱處理工藝的比較如圖7所示。

靜葉環(huán)鍛件試件由φ180mm的坯料鍛成，坯料加熱至1280℃，均熱保溫適當(dāng)時(shí)間后進(jìn)行改鍛，鍛成200mm×120mm×60mm(編號(hào)60#）、300mm×155mm×150mm(編號(hào)150#）各一塊，將終鍛溫度控制在950℃左右，鍛后立即用軸流風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)冷卻至室溫，接著試件進(jìn)行600℃×4h的回火處理，在兩塊試料的中心部位取樣作力學(xué)性能和金相組織試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，余熱正火熱處理后試樣的力學(xué)性能和金相組織滿足DGTLV-804443001A規(guī)范的要求。

■ 表1 16Mo3靜葉環(huán)鍛件經(jīng)余熱淬火后的力學(xué)性能和金相組織

■ 表2 16Mo3靜葉環(huán)鍛件經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能和金相組織

圖5 70#試件3種工藝金相組織比較

圖6 100#試件3種工藝金相組織比較

圖7 S235JRG2＋N靜葉環(huán)鍛件傳統(tǒng)正火工藝與鍛后余熱性能熱處理工藝

⑶余熱淬火(正火）工藝試驗(yàn)結(jié)果分析。

從上述兩種材料的工藝試驗(yàn)中可以看出，靜葉環(huán)鍛件高溫下快速 擴(kuò)孔、快速冷卻相當(dāng)于進(jìn)行高溫形變淬火處理，即將靜葉環(huán)鍛件加熱到奧氏體穩(wěn)定區(qū)域溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間后，在奧氏體穩(wěn)定區(qū)內(nèi)進(jìn)行快速形變(擴(kuò)孔），隨后快速冷卻進(jìn)行淬火。靜葉環(huán)鍛件屬于大型環(huán)件，冷卻時(shí)散熱很快，如現(xiàn)場(chǎng)控制生產(chǎn)件數(shù)，采取強(qiáng)制鼓風(fēng)冷卻，冷速很快，也可以達(dá)到大批量生產(chǎn)鍛件時(shí)油冷的效果，獲得要求的力學(xué)性能和組織。從現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)孔情況看，采用數(shù)控輾環(huán)機(jī)，鍛件變形量大，形變速度快，始輾、終輾溫度控制準(zhǔn)確，如現(xiàn)場(chǎng)鼓風(fēng)冷卻設(shè)備到位，各參數(shù)控制到位，完全可以滿足TLV規(guī)定的力學(xué)性能要求。

■ 表3 S235JRG2＋N靜葉環(huán)鍛件經(jīng)余熱正火后的力學(xué)性能和金相組織

靜葉環(huán)鍛件首批次試制

靜葉環(huán)鍛件試生產(chǎn)工藝流程：鍛件出坯(鐓粗、沖孔）→加熱至1220℃后保溫適當(dāng)時(shí)間→快速輾環(huán)成形，控制終鍛溫度在900～950℃，鼓風(fēng)冷卻處理至室溫→620℃(16Mo3）或600℃(S235JRG2＋N）×6h回火空冷處理→粗加工→超聲波探傷→本體割試料作力學(xué)性能試驗(yàn)→試驗(yàn)結(jié)果合格后流入下道工序。

出坯工藝

始鍛溫度1220℃，終鍛溫度850℃，保溫適當(dāng)時(shí)間。

擴(kuò)孔工藝

始鍛溫度1220℃，終鍛溫度950℃，保溫適當(dāng)時(shí)間。

若采用強(qiáng)制風(fēng)冷代替正火(淬火），需要控制擴(kuò)孔終鍛溫度在950℃左右，但實(shí)際生產(chǎn)時(shí)終鍛溫度一般都在1050℃左右，若將鍛坯始鍛溫度1220℃降低，則擴(kuò)孔機(jī)沒(méi)有足夠的輾壓力。為了使上述兩項(xiàng)參數(shù)均得到滿足，我們?cè)阱懠U(kuò)孔時(shí)控制輾壓速度，并利用擴(kuò)孔機(jī)冷卻水噴水冷卻鍛件，迫使其在規(guī)定的鍛造溫度區(qū)域變形，且有足夠的變形量，同時(shí)迅速降低鍛件溫度，以求得到等軸細(xì)小、均勻的晶粒度，保證產(chǎn)品在回火熱處理后達(dá)到要求的力學(xué)性能。

■ 表4 S235JRG2＋N靜葉環(huán)試制件的力學(xué)性能

■ 表5 16Mo3靜葉環(huán)試制件的力學(xué)性能

由擴(kuò)孔機(jī)將鍛件輾擴(kuò)至工藝尺寸后，吊至風(fēng)場(chǎng)在1h內(nèi)強(qiáng)制鼓風(fēng)至200℃以下，空冷。

回火熱處理

鍛后回火熱處理溫度為600℃，保溫6h。

力學(xué)性能

⑴S235JRG2＋N靜葉環(huán) 鍛件。

S235JRG2＋N靜葉環(huán)試制件(H≤100mm）的力學(xué)性能見(jiàn)表4，由表4可以看出，本批次熔煉爐號(hào)為708BVD94的S235JRG2＋N靜葉環(huán)鍛件，經(jīng)過(guò)余熱正火＋600℃回火后其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和沖擊功等力學(xué)性能指標(biāo)均符合規(guī)定要求。

⑵16Mo3靜葉環(huán)鍛件。

16Mo3靜葉環(huán)試制件(40mm＜H≤60mm）的力學(xué)性能見(jiàn)表5，由表5可以看出，除xxx.xx.xx.02.14(1）＋ 1、xxx.xx.16.06(1）＋ 1的沖擊功小于31J的規(guī)定值(但不低于規(guī)定值的70%）外，其他均符合規(guī)定要求，故本次所投熔煉爐號(hào)為708BVD77的16Mo3靜葉環(huán)鍛件，按600℃保溫6h回火進(jìn)行熱處理是合理、可行的。

靜葉環(huán)鍛件輾環(huán)成形后經(jīng)余熱性能熱處理工藝，其力學(xué)性能完全滿足西門(mén)子TLV規(guī)范的規(guī)定要求。

變形

經(jīng)過(guò)上述余熱淬火(正火）＋回火熱處理以后，經(jīng)尺寸檢驗(yàn)，靜葉環(huán)鍛件各方向的變形都很小，完全可以滿足后續(xù)精加工的要求。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)制造工藝過(guò)程的改進(jìn)，避免了F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)靜葉環(huán)鍛件按常規(guī)工藝進(jìn)行熱處理易變形的問(wèn)題，并且力學(xué)性能都符合TLV所規(guī)定的要求，同時(shí)減少了熱處理道序，降低了生產(chǎn)成本。靜葉環(huán)鍛件的國(guó)產(chǎn)化制造與應(yīng)用研究為我公司燃?xì)廨啓C(jī)鑄鍛件全面國(guó)產(chǎn)化創(chuàng)造了有利的條件，達(dá)到了課題立項(xiàng)研究的目的。

到目前為止，采用本文中的余熱淬火(正火）工藝生產(chǎn)的靜葉環(huán)鍛件已近20臺(tái)套，經(jīng)第三方認(rèn)證(TUV認(rèn)證）都達(dá)到TLV的規(guī)定要求，同時(shí)也取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

董士良，主要從事各類鍛件鍛造和汽輪機(jī)葉片模鍛生產(chǎn)的工藝技術(shù)研發(fā)、管理工作，擁有2項(xiàng)發(fā)明專利。