26NiCrMoV14-5低壓轉子鍛件的制造工藝

劉高波(中國第一重型機械股份公司，遼寧116600)

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26NiCrMoV14-5低壓轉子鍛件的制造工藝

劉高波
(中國第一重型機械股份公司，遼寧116600)

摘要:介紹了26NiCrMoV14-5低壓轉子鍛件的特點。通過分析26NiCrMoV14-5材質特點并根據(jù)轉子鍛件的性能要求，制定了制造工藝。

關鍵詞:26NiCrMoV14-5;低壓轉子;制造工藝

發(fā)電效率的提升是以發(fā)電機組的大型化為基礎，汽輪機和發(fā)電機轉子鍛件的尺寸和重量也因此逐漸要求大型化。對材料的性能要求也逐漸提高，具體表現(xiàn)在高強度、高斷裂韌性、高塑韌性以及低脆性轉變溫度方面。除此之外，低壓轉子對于疲勞強度、高溫持久性、蠕變性能等也有較高要求。26NiCrMoV14-5鋼是低碳的NiCrMoV鋼，屬于ASTM A470的5～7級鋼，與26Cr2Ni4MoV鋼類似，它具有良好的淬透性和較強的韌性等綜合性能，以及，可用于制造亞臨界和超臨界機組低壓轉子。由于鋼錠越大偏析越嚴重且內部缺陷越多，常規(guī)的生產(chǎn)工藝難以適應轉子高溫高壓和高速條件下運行對大型鍛件的性能要求，此類材料鍛件的生產(chǎn)需要先進的工藝和嚴格的控制手段。分析并改進這類鍛件的工藝，尤其是熱工藝，對轉子質量的提升有著重大的意義。

1　技術要求

制定26NiCrMoV14-5轉子鍛件的制造工藝應基于其化學成分(見表1)和力學性能(見表2)的要求。晶粒度的評定應不粗于3．0級(按GB/T 6394)。鍛件的A類、B類、C類、D類非金屬夾雜物含量均不大于3．0級(按GB/T 10561)。

2　材料特性分析

合金元素對材質性能的影響，在Fe-Fe3C相

Ni可以提高工件韌性、塑性和低溫沖擊性能。Cr與Ni相互作用可以提高淬透性，同時還

表1　化學成分(質量分數(shù)，%)Table 1　The chemical composition ( mass fraction，%)

表2　力學性能(直徑≤1 800 mm)Table 2　The mechanical property ( diameter≤1 800 mm)

表3　Si、Mn、Ni、Cr對C、S、E點的影響Table 3　The influence of Si，Mn，Ni，Cr on the points C，S，E

可以產(chǎn)生強化作用。Mo能夠降低因Cr和Ni導致的回火脆性。因雜質元素對回火脆性的加強，需要將其盡可能去除。V使晶粒細化，并使回火抗力提高。Mn能夠增加淬透性，卻減弱了高溫持久強度，并導致P之類的有害元素的偏析，使晶界內聚力減弱，導致回火脆性的增加。因此為確保轉子在高溫狀態(tài)下的工作性能，同時也為了增加液態(tài)金屬的流動性，需要降低Si、P、S的含量。

26NiCrMoV14-5鋼的淬透性很好，高溫奧氏體相當穩(wěn)定，在空冷時不發(fā)生珠光體相變。鍛件最大截面超過2 000 mm時，該鋼仍可采用大水量噴水的快冷淬火工藝。因該鋼仍可能有回火脆性傾向，在350～575℃長期時效后，其中的Si、Mn將促進P及有害的微量元素向晶界偏聚，會導致FATT上升，使材料韌性惡化。

3　煉鋼和鑄錠

為確保成分要求，采用堿性爐初煉，鋼包精煉爐真空精煉，并輔以真空脫氧。必要時采用電渣重熔工藝，并留出足夠的水口和冒口。為更好地達到脫氫效果，并降低非金屬夾雜，采用真空澆注。利用真空下鋼流的滴流作用，由真空下C-O反應生成的CO氣泡提供驅動力。

采取提高鋼錠凝固質量的措施，減少疏松。優(yōu)化鋼錠模結構以改善鋼錠凝固情況。增加海綿鐵配量，以減少鐵屑等原材料帶入的有害殘余元素及氣體。避免鋼水澆注過熱度太高，并對中間包溫度進行精確控制，減少溫度波動對鋼錠質量的影響。

4　鍛造

隨著鋼錠尺寸的增加，其中的偏析、氣體、夾雜、縮孔、疏松等缺陷更加明顯。因此自由鍛造工藝一方面要經(jīng)濟地達到圖紙要求的形狀;另一方面是獲得具有優(yōu)良內部質量的鍛件。大型鍛件的鍛造尤其側重后者。為壓實鋼錠的心部，鍛造工序中應當著力鍛合心部疏松和彌散夾雜。根據(jù)鋼錠的重量不同以及設備情況，可采用60 MN～150 MN壓力機，使鍛件充分變形，充分均勻細化晶粒組織。

通常在鍛造的過程中要多次加熱。溫度越高則鍛造越容易變形，但溫度太高則容易出現(xiàn)裂紋;而溫度過低將使變形能力下降，并因壓下量過大產(chǎn)生拉伸裂紋。因此控制加熱溫度非常重要。通常轉子的鍛造溫度控制在1 250～900℃為最佳。

5　熱處理

5．1鍛后熱處理

鍛后熱處理在鍛造工序之后立即進行。鍛后熱處理的主要目的是細化晶粒，解決鍛造組織中的晶粒與混晶問題。若煉鋼時已雙重脫氣則可不必再去除白點退火，但是為了消除粗晶與混晶則需采取多次重結晶的辦法進行正火。鍛后熱處理通?？紤]三方面的因素:

( 1)組織轉變。鍛件需從奧氏體盡快并充分地轉變成鐵素體和滲碳體混合物，這有利于相變重結晶時的晶粒細化調整以及氫的脫溶擴散。鍛后熱處理工藝需要考慮過冷奧氏體的穩(wěn)定性等因素，以此確定并控制冷卻速度等相關工藝參數(shù)。

( 2)去氫。即使真空澆注也仍然不能避免微量的氫殘留，而這會危及大鍛件的韌性，尤其是在淬火過程。去氫退火關鍵在于鍛后應盡快使奧氏體轉變?yōu)殍F素體，將氫脫溶析出，從而在鐵素體穩(wěn)定存在的最高溫度下實施長時間保溫。一部分氫從鍛造過程中擴散逸出，其余從含量高處擴散至含量低處，從而降低了鍛件中氫的偏析。氫分子產(chǎn)生的壓力可以通過此時較好的塑性經(jīng)變形而松弛，避免產(chǎn)生白點。

( 3)重結晶。重結晶的過程細化了晶粒、改善了組織并提高了性能。重結晶之后的組織性能符合熱處理的條件，并使超聲檢測到的缺陷得到降低。

綜合以上因素，得出26NiCrMoV14-5的鍛后熱處理的工藝曲線(見圖1)。其中細線框內部分的工序在時間允許時連續(xù)執(zhí)行兩次效果更佳。

圖1　鍛后熱處理工藝曲線Figure 1　 Curve of heat treatment process after forging

經(jīng)過鍛后熱處理后，首先，消除熱應力，從而降低了表面硬度并提高了冷加工性能;其次，調整和改善了因鍛造形成的過熱與粗大組織，并細化了奧氏體晶粒;另外，還可以提高超聲檢測的性能，消除草狀波，并使內部缺陷顯示出來，確保缺陷鍛件不進入下道工序。

5．2性能熱處理

珠光體基NiCrMoV鋼淬火后獲得回火上貝氏體組織時具有最高的蠕變極限以及持久強度。主要的強化機理是:上貝氏體組織彌散分布的碳化礬細微顆粒使得組織在長期高溫下能夠保持穩(wěn)定。因此，將淬火后獲得上貝氏體組織作為制定性能熱處理工藝的主要依據(jù)。

( 1)奧氏體化。奧氏體的晶核首先在鐵素體和滲碳體的相界面處形成，面心立方晶格的奧氏體具有較低的自由能，因此更穩(wěn)定。晶核形成后在舊界面上形成兩個新界面，依新界面原子和晶核不斷向鐵素體和滲碳體內部轉移，并且晶核逐漸長大成為單一的奧氏體相。奧氏體形成的初期有部分未完全溶解的滲碳體還需要經(jīng)過一段時間才能完全溶解。最后，再經(jīng)過一段時間使碳原子充分擴散實現(xiàn)奧氏體的均勻化。奧氏體化溫度的提高，有利于改善淬透性，但在1 000℃附近奧氏體化時會增加蠕變斷裂韌性，低于930℃進行奧氏體化則碳化物不充分溶解。

( 2)淬火冷卻。適當提高淬火冷卻速度能夠增強斷裂韌性，但這種方法對于工件的心部影響較小，而且轉子的韌性會在其工作過程中逐漸下降。基于轉子的化學成分，按照臺爾尼公式來判斷冷卻方式:

按照上述計算式，采用油淬同時略提高冷卻速度，可將FATT下降到50℃以下。

同其它的汽輪機轉子鍛件一樣，26NiCrMoV14-5的性能熱處理必須用井式爐，否則轉子極易產(chǎn)生撓曲。另外，需要嚴格控制降溫速度，以確保最大限度地減少殘余應力。

( 3)回火溫度。按照在獲得Rm和Rp0．2的規(guī)定值的基礎上提高韌性為目標來確定回火溫度。溫度控制應利于碳化礬沉淀。但在720℃以上時，碳化礬沉淀速度太快，易粗化，而局部偏析會導致局部產(chǎn)生重新奧氏體化?；鼗鸸に嚨木幹茟Y合成分特點避免回火脆性。

根據(jù)以上分析，并考慮規(guī)避第一類回火脆性范圍以及第二類回火脆性范圍，制定了26NiCrMoV14-5的性能熱處理的工藝曲線(見圖2)。

6　工藝執(zhí)行結果

通過對兩支同型號的轉子執(zhí)行上述制造工藝，取得了良好的效果。性能檢測結果見表4，金相照片見圖3。

圖2　性能熱處理工藝曲線Figure 2　 Curve of performance heat treatment process

表4　性能檢測結果Table 4　The test result of mechanical properties

圖3　金相照片( 200×)Figure 3　 The metallograph ( 200×)

7　結束語

26NiCrMoV14-5低壓轉子鍛件的熱加工工藝與其它轉子的熱加工工藝總體上是相似的，但在執(zhí)行工藝的各個過程都應更加嚴格的控制各項參數(shù)，避免產(chǎn)生偏差或缺陷，只有這樣才能確保使轉子獲得優(yōu)良的質量。

參考文獻

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編輯傅冬梅

The Manufacturing Process of Low Pressure Rotor Forging of 26NiCrMoV14-5

Liu Gaobo

Abstract:This paper introduces the features of low pressure rotor forging of 26NiCrMoV14-5．By analyzing the material characteristics of 26NiCrMoV14-5，the manufacturing process for the rotor forging is formulated according to performance requirements of rotor forging．

Key words:26NiCrMoV14-5; low pressure rotor; manufacturing process

收稿日期:2014—07—29圖上表現(xiàn)為臨界溫度與奧氏體相區(qū)的位置和范圍發(fā)生變化，如表3所示。

文獻標志碼:B

中圖分類號:TG141