50Mn18Cr5護環鋼溫鍛產品開發

劉賀，趙艷敏

我公司是國內汽輪發電機護環制造的專業廠家，品種有50Mn18Cr5、50Mn18Cr4WN和1Mn18Cr18N等，對于常規護環具有成熟的制造技術，可以說在國內處于技術的領先地位，制造技術原理都是通過冷變形強化，達到提高金屬強度的目的。

制造方法有機械楔塊脹形法和液壓脹形法，而我公司的外補液液壓脹形法，在國內屬于首創技術，在國際上也處于先進水平。但在生產中出現以下幾個現象：①大壁厚、小高度的特殊護環制造技術經驗不足。②多年來在生產常規護環的過程中產生廢料積壓。

1. 特殊護環與常規護環的區別及工藝策劃

我們要進行產品開發的是圖1所示特殊護環，原常規護環如圖2所示。

50Mn18Cr5是我國最常見的無磁專用護環鋼，該材料用于小規格電動機護環的強度指標要求高，屈服性能指標要求σs≥640MPa，而普通熱鍛的屈服性能指標只能達到σs＜400MPa，無法滿足要求，且用戶需求數量較大。

該類護環尺寸規格特點屬于大壁厚、小高度的圈類鍛件，不能通過常規汽輪發電機護環的冷變形強化工藝來制造，高于再結晶溫度熱鍛不能滿足其較高強度要求，低于再結晶溫度的溫鍛技術，我公司歷史上沒有開發過。

為適應市場需求，我公司針對此課題決定開發溫鍛技術（也稱半熱鍛技術），確定合適的變形率及鍛造技術參數，來滿足用戶要求較高的力學性能指標，以材料硬化曲線為依據，通過在確定合理的變形率、始鍛溫度、控制鍛造技術、固溶處理工藝等基礎上進行研究和創新，在水壓機上進行半熱鍛馬杠擴孔來達到提高護環強度的目的。為將來我廠批量生產特殊尺寸規格電機護環品種打下技術基礎。

2. 工藝實施流程

確定變形率→確定始鍛溫度→編制變形前毛坯尺寸工藝→編制坯料熱鍛工藝（采用真空精煉鋼錠）→熱鍛→固溶（水韌）處理→按變形前尺寸粗加工→溫鍛→消除應力→切取試樣測力學性能→精加工→無損檢測→成品發貨。

圖1 特殊護環

圖2 常規護環

3. 工藝實施主要做法與要點

（1）確定變形率 根據圖樣力學性能指標要求，確定變形率。圖樣對應指標J B/T7 029—2004Ⅰ級性能指標，我們提高一個級別，按J B/T7029—2004 Ⅱ級制造。由于隨著溫鍛過程，溫度的逐漸降低，護環冷變形強化與常規不同，常規護環硬化曲線只與變形率有關系，而溫鍛強化又多個溫度變化參數，在此過程中，護環材料內部出現相變復雜因素。因此，確定不同溫度下的不同變形率對力學性能與金相組織的影響程度是最大難點，也是創新點。

（2）確定始鍛溫度 通過試驗確定始鍛溫度。如果溫度偏高，導致塑性變形的護環發生回復再結晶，導致護環強度下降，強度不合格護環報廢；如果溫度偏低，造成護環終鍛溫度過低，變形抗力迅速增大，造成水壓機能力相對不足，工具損壞無法繼續成形，重新加熱后，由于終鍛溫度過高，降低強度，導致護環力學性能仍然不合格。對于半熱鍛護環始鍛溫度確定，根據我們掌握的溫鍛技術資料，國內其他廠家普遍采用550～600℃，為此我們進行材料試驗，將經過固溶處理的試料進行試驗室模擬，根據可能的半熱鍛時間水壓機臺時，我們加長一倍處理時間，經材料金相檢驗，護環的奧氏體有輕微碳化物析出，與我們正常材料組織對比，仍在可控范圍內，因此我們確定始鍛溫度上限600℃，最大可能保證護環一火鍛出。

（3）確定部件尺寸 根據變形率，計算半熱鍛變形前毛坯尺寸（鍛件1 交貨尺寸：φ 1106mm×φ 800mm× 163mm；鍛件2 交貨尺寸：φ 1450mm×φ 1290mm× 156mm）。

（4）編制坯料熱鍛工藝 根據半熱鍛變形前毛坯尺寸，編制坯料熱鍛工藝。鍛件1熱鍛工藝操作方法：

采用3t鋼錠壓鉗口，下料：1170kg（φ 460mm×900mm）2 塊；鐓粗高300mm，沖孔φ 300mm，擴孔平整至尺寸φ 950mm×φ 447mm×235mm入爐加熱30mi n（必須嚴格保證尺寸要求）水冷至300℃。

溫鍛：入爐加熱至600℃，保溫3h，小角度均勻擴孔，平整至工藝尺寸。

鍛件2熱鍛工藝操作方法：用庫里余料，下料：1070kg（φ 480mm×760mm）1塊；鐓粗高300mm，沖孔φ300mm，平整至高240mm；擴孔平整至尺寸φ1220mm×φ930mm×240mm入爐加熱30mi n（必須嚴格保證尺寸要求）水冷至300℃。

溫鍛：入待料爐加熱至600℃，保溫2h，小角度均勻擴孔，平整至工藝尺寸。

鍛件1、鍛件2具體尺寸如圖3、圖4所示。

（5）護環毛坯熱鍛成形 護環制坯采用控制鍛造技術，確定好每一火次的鍛造比、溫度、變形參數，提高鍛后護環的晶粒度級別，提高材料初始強度，保證超聲波檢測效果。

（6）熱鍛毛坯后的固溶處理 熱鍛毛坯，鍛后高溫返爐短時加熱至1100℃以上，然后使出爐后坯料表面達到固溶處理溫度進行快速水冷，進行固溶處理，處理后經試驗室金相組織檢驗，與常規護環內部金相組織基本相同，達到了固溶處理目的。

（7）按變形前尺寸粗加工 提高變形均勻性，降低殘余應力，留量可以縮小，允許局部漏黑皮，從而減輕坯料重量，降低制造成本。

圖3 鍛件1尺寸

圖4 鍛件2尺寸

性能檢測結果

（8）溫鍛護環時控制鍛造技術 即實施操作的核心。控制壓下量及操作機旋轉角度及旋轉方向，最大限度使護環變形均勻，對于任一位置總體溫度補償均勻，從而保證護環的性能均勻，最大程度降低殘余應力。

（9）消除殘余應力熱處理。

4. 試驗結果

（1）切取內環試樣做常溫力學性能檢驗，鍛件1做四組，鍛件2做兩組，性能檢測結果完全符合用戶要求，如附表所示。

(2)精加工后進行超聲波檢測，內部質量完全符合標準要求。

5. 結語

此產品開發實現了大壁厚、小高度護環的成功制造，并獲得了大量的技術資料與生產經驗，豐富了護環產品，增強了技術儲備。同時，使多年來在生產常規護環的過程中積壓的工藝余料得到了合理利用，進一步降低成本，符合國家節能減排的要求。