25Cr2Ni4MoV飞轮体锻件制造工艺研究

文/王明哲,张军峰,任文,李宏柏,刘强强·太原重工股份有限公司

飞轮体作为主循环钠泵电机上的关键锻件,材质为25Cr2Ni4MoV,其对超声波探伤及力学性能的要求非常高。通过对冶炼、锻造、热处理各工序工艺的优化与控制,力学性能满足了技术要求,验证了冶炼、锻造、热处理等工艺的合理性和可行性。

600MW 示范快堆核电工程是国际领先的四代核电技术示范工程,也是我国目前在建的重点核能项目。飞轮体锻件主要用于600MW 示范快堆工程机组一回路钠泵电机的辅助电机中,是辅助电机的重要部件,可以在电厂失去电源的情况下正常工作,为堆芯带走热量。

飞轮体锻件材质为25Cr2Ni4MoV,其对超声波探伤及力学性能的要求非常高。该锻件技术含量高,产品附加值高,市场潜力大。

技术要求

化学成分要求

材料的化学成分要求见表1。为保证锻件具有良好的综合力学性能,提高钢水的纯净性,钢锭采用碱性电炉冶炼+精炼炉精炼+下注的方法制造而成,钢中的Cr、Ni、Mo 为提高钢的淬透性的元素,这些元素控制在规范要求的上限;冶炼过程中控制P ≤0.015%、S ≤0.010%。

表1 化学成分要求(质量分数/%)

25Cr2Ni4MoV飞轮体锻件制造工艺研究的图1

力学性能要求

调质热处理后,取样的具体位置及数量见图1 和表2,力学性能要求见表3。

表2 取样位置

25Cr2Ni4MoV飞轮体锻件制造工艺研究的图2

25Cr2Ni4MoV飞轮体锻件制造工艺研究的图3

图1 取样图

调质完毕,硬度合格后,截取S1 自检应力环做残余应力分析。残余应力合格后,在P2 轴向试样区套取试棒,自检轴向力学性能。在S1 切向自检区,按试样分布示意图截取试样,检切向力学性能,同时做晶粒度分析。套取P2、P3 轴向试棒,做一拉一冲试验。

在P1 试样区,按试样分布示意图截取试样,分别做径向拉伸、冲击试验;截取431 ~438 试块做落锤试验;截取441 ~446 试块做断裂韧性试验;截取351 试棒做H 含量分析及成品分析。

超声检测要求

飞轮体锻件调制完毕,并经粗加工后对锻件进行百分百的超声检测。超声检测结果符合标准JB/T 1269-2014 中5.3 的要求,具体见表3。

表3 性能要求

25Cr2Ni4MoV飞轮体锻件制造工艺研究的图4

制造工艺

飞轮体的制造工艺流程为:碱性电炉冶炼→精炼炉精炼→真空处理→大气浇注→锻造→预备热处理→粗加工→超声检测→性能热处理→取样→力学性能检验。

冶炼与铸锭

原材料:原材料精选本厂优质返回废钢和优质生铁。要求残余元素满足工艺要求,防止Sn、As、Bi、Sb 等元素超标。

电炉粗炼钢水:采用深度吹氧去P 技术,去除钢水中的有害元素。钢水出钢前,严格控制电炉钢水中P 的含量,保证P ≤0.007%。

钢包精炼:使用硅钙粉作为强脱氧剂和碳粉、硅铁粉等弱脱氧剂搭配扩散脱氧,保持还原气氛,达到脱氧脱硫、去夹杂的目的。底吹Ar 真空除气时,确保控制有效真空度不大于67Pa,有效真空时间不小于20 分钟,达到真空除气的效果。吊包之前进行软搅拌,要求搅拌时间不小于10 分钟。

浇注:采用大气浇注方法,浇注过程采取保护浇注措施,严格按照工艺规定的脱模时间进行脱模。

锻造成形

应用锻造数值模拟软件Forge 对飞轮体进行锻造镦粗模拟分析,得到最佳的锻造变形工艺参数。

镦粗过程中用顶镦帽对钢锭进行了镦粗。经过锻造数值模拟后发现,当镦粗变形率达到80%时,在锻件的纵向剖面上,锻造变形的等效应变不均匀(图2)。剖面中间位置小,而两侧位置的数值大,最小等效应变的数值为0.9,最大等效应变数值已经达到了2.2。锻件内部的等效应力也达到了40MPa(图3)。整个剖面的变形非常不均匀,等效应变大的区域恰好对应的是钢锭的V 型偏析区,这个区域材料的质量本来就不好,再加上变形非常大,因此容易出现裂纹,造成超声波探伤不合格。当镦粗变形率达到60%时,等效应变大的区域在锻件的中间区域,最大等效应变为1.4。而在V 型偏析区,最大等效应变为1.0,等效应变较小,不容易出现裂纹。从镦粗变形率来看,当镦粗变形率达到60%时,锻造变形最佳,不容易出现裂纹。

25Cr2Ni4MoV飞轮体锻件制造工艺研究的图5

图2 镦粗变形率为80%的等效应变图

25Cr2Ni4MoV飞轮体锻件制造工艺研究的图6

图3 镦粗变形率为80%的等效应力图

另外,从锻造镦粗损伤来看,当镦粗至80%时,锻件外表面的损伤值已经达到了0.6(图4),这就意味着,锻件表面容易开裂。当镦粗至60%时,锻件外表面的损伤值已经达到了0.25(图5)。

25Cr2Ni4MoV飞轮体锻件制造工艺研究的图7

图4 镦粗变形率为80%的损伤图

25Cr2Ni4MoV飞轮体锻件制造工艺研究的图8

图5 镦粗变形率为60%的损伤图

结合飞轮体锻造数值模拟情况,制定飞轮体锻造工艺。将钢锭加热至1240℃分三火次进行锻造。钢锭经过压钳口、倒棱、切底端后进行锻造变形。锻造变形采用两次镦粗、一次拔长,综合锻造比达到7.5。镦粗锻造比大于2.5,为了防止钢锭的A 型偏析区撕裂产生裂纹,采用砧宽为850mm 的平砧进行双面辗压,每锤的压下量控制在坯料高度的20%左右。锻造拔长过程中,采用850mm 宽的上下平砧,采用宽砧强压法拔长,每一道次的锻造压下量为坯料高度的20%。搭接量为200mm,每道次拔长完毕后,将坯料翻转90°,为避免漏压区域,错半砧,压下一道次。

预备热处理

由于飞轮体材料为25Cr2Ni4MoV 钢,具有明显的组织遗传性,正火后得到非平衡组织,因此锻后热处理工艺(锻后热处理工艺见图6)采用一次高温正火,一次过冷,以便切断组织遗传,细化晶粒。正火温度采用840 ~860℃,用鼓风机吹锻件大身,待锻件表面冷至280 ~320℃时,将转子在280 ~320℃保持8 ~11 小时,保证转子心部也降到贝氏体转变温度之下,以完成组织转变。随后以每小时40℃的标准进行升温,温度在640 ~660℃时保持15 ~21小时进行扩氢处理。

25Cr2Ni4MoV飞轮体锻件制造工艺研究的图9

图6 飞轮体锻件锻后热处理工艺

性能热处理

由于飞轮体力学性能要求很高,要求轴向冲击达到KV2 ≥41J,轴向取样深度深,不容易达到。切向要求落锤试验,无塑性转变温度NDTT 不高于~12.2℃。切向要求做断裂韧性试验,要求应力强度KIC 不低于165MPam1/2。因此热处理时,采取直接水冷的方式,使锻件淬火得到下贝氏体组织,以满足锻件性能要求。具体热处理工艺如图7 所示。

25Cr2Ni4MoV飞轮体锻件制造工艺研究的图10

图7 飞轮体锻件性能热处理工艺

将飞轮体加热至860℃完全奥氏体化后,保温3h后,先空冷1.5 分钟后,再水冷16 ~19 分钟,使锻件得到下贝氏体组织。淬火完成后,在590 ~610℃回火,使锻件得到索氏体组织。

结果分析

超声检测

调质热处理完毕并对飞轮体锻件进行机加工后,按照ASTM A388 方法对锻件表面进行百分百的超声检测,未发现当量直径大于φ4mm 的单个缺陷以及连续密集缺陷,结果符合JB/T 1269-2014 标准。

力学性能结果

按照性能热处理工艺,飞轮体各项力学性能指标达到了技术要求,取得了满意的效果,具体详见表4。

表4 力学性能结果

25Cr2Ni4MoV飞轮体锻件制造工艺研究的图11

结论

⑴用单真空钢锭制定的材料为25Cr2Ni4MoV 的飞轮体锻件化学成分、力学性能均能满足技术要求。

⑵材料为25Cr2Ni4MoV 的飞轮体锻件的轴向、径向、切向强度偏差较小,说明材料的各向异性相差小,进一步验证了铸锭、锻造、热处理等工艺的合理性和可行性。

25Cr2Ni4MoV飞轮体锻件制造工艺研究的图12

王明哲

热加工工艺研究所工艺研究员,工程师,主要从事铸锻件基础工艺研究工作,重点参与4MW 风机轴、30Cr2Ni2Mo 材料热处理新工艺研究、电动机转轴制造工艺改进等项目攻关。

——文章选自《锻造与冲压》2022年第17期


锻造工艺

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