B12N—S鋼高中壓轉子最終熱處理工藝參數與機械性能研究

張廣洋

【摘 要】本文針對B12N-S鋼高中壓轉子最終熱處理工藝參數研究分析并對工藝進行了優化，重點分析我公司生產此類高中壓轉子化學成分、性能結果、工藝參數進行總結、統計分析。通過試驗對比分析水淬加油冷混合方式與回火溫度參數對高中壓轉子沖擊功和強度性能的影響。有針對性的確定不同截面直徑尺寸最佳熱處理工藝參數。結果表明該工藝方案在保證該類高中壓轉子其余各項性能指標合格的前提下明顯改善了拉伸強度和沖擊功性能。

【關鍵詞】B12N-S鋼高中壓轉子；沖擊功；熱處理工藝參數

1前言

大型鑄鍛件廣泛應用于電力、水力、造船、石油化工、成套設備。我公司是國內鍛件產品的主要生產制造廠家，每年生產數百件各類電站轉子，其中生產的高中壓轉子每年約為150件左右。據統計，以往生產的高中壓轉子采用常規標準、常規工藝最終熱處理工藝參數較穩定，產品合格率較高。隨著裝備制造業的發展與熱處理工藝不斷進步，各大主機廠家對轉子鍛件產品質量、技術要求等越來越嚴格。

為了滿足高中壓汽輪機轉子工作條件，我廠根據不同廠家采用的標準制定不同的工藝流程，比如超純凈高中壓轉子在煉鋼時采取（LVCD+VCD）真空除氣進行碳脫氧去除有害氣體和真空澆注方式提高鋼水純凈度，減少鋼水中的硫、磷、氫、氧等有害元素含量，有效地減少回火脆性傾向。

由于高中壓轉子工作環境高溫高壓，淬火后為得到較好的下貝氏體和上貝氏體組織和少量的珠光體組織。淬火采用緩冷方式以油冷或空冷方式為主，為提高其淬透性還需配比一定的合金元素。

2 分析研究

2.1 B12N-S鋼高中壓轉子最終熱處理工藝參數[1]研究分析

由于機械標準要求不同，所需的工藝參數也會有相應的變化，本文主要以某廠超純高中壓轉子機械性能標準研究。

2.1.1 奧氏體化溫度

由于轉子鍛件有效截面尺寸不同，為獲得所需要的組織和力學性能，奧氏體化最佳溫度采用950℃，使其完全奧氏體化后保溫足夠長時間，待奧氏體均勻化后為淬火做好充足準備。

2.1.2 淬火冷卻方式

淬火冷卻速度對鋼的強度、沖擊韌性[2]和FATT50等多項力學性能指標影響較大，為得到較好的沖擊韌性全程的油冷可能滿足不了標準要求，所以為提高合格率，針對大截面尺寸的高中壓轉子必要采取特殊的淬火方式。

2.1.3 回火溫度

回火溫度與保溫時間對B12N-S鋼轉子鍛件力學性能影響較大，由于強度性能對回火溫度較敏感，所以溫度均勻性影響著強度均勻性，為同時滿足縱向性能、徑向性能和切向性能合格，我廠經過多年工作總結，大量試驗數據證明，為獲得良好綜合力學性能，最佳淬火溫度為950℃，最佳回火溫度為670-680℃。

2.2熱處理工藝及結果

本文主要討論兩種工藝參數下得到的力學性能比較，主要區別在于淬火方式與回火溫度的不同。

2.2.1 方案一工藝曲線

按不同的有效截面計算相對應的淬火時間和回火時間，通用的工藝為淬火階段可采用燃氣爐，爐溫設定950±10℃，淬火采取全程油冷，回火階段采用電爐加熱，爐溫設定680±5℃，爐溫均勻性好有利于強度均勻性和各項機械性能指標。采用的工藝參數如下圖1.

2.2.2 方案二工藝曲線

針對有效截面在Φ1100mm以上的轉子鍛件，由于截面大，蓄熱量也多，必要增加強冷卻方式來提高沖擊韌性，淬火冷卻采取水冷加油冷混合冷卻方式，回火爐溫設定670±5℃保溫。采用的工藝參數如下圖2。.

2.2.3 數據對比分析

經過我廠多年實際生產經驗，總結不同截面的B12N-S鋼高中壓轉子在兩種工藝參數下進行數據對比。

通過大量的實驗數據歸納總結了不同截面直徑尺寸的鍛件轉子在全程油冷、680℃下回火保溫和鍛件轉子在水淬加油冷混合方式、670℃下回火保溫時，屈服強度、抗拉強度以及沖擊功數據統計。.

從圖3中（a）（b）（c）數據對比可以看出B12N-S鋼鍛件轉子在工藝參數全程油冷、680℃回火保溫下試樣屈服強度、抗拉強度、沖擊功整體偏低，部分大截面轉子試樣低于技術要求下限而不合格，而轉子鍛件在工藝參數為淬火水淬加油冷混合方式、670℃回火保溫下試樣屈服強度、抗拉強度、沖擊功整體偏高，極少數試樣力學性能低于技術要求而不合，為提高最終熱處理一次交檢合格率針對此材質鋼有效截面在Φ1100mm以上的轉子應采用淬火方式為水淬油冷混合式，回火溫度應在670℃下進行。

2.3 回火溫度對機械性能的影響

從圖4中（d）數據曲線可以看出，B12N-S鋼鍛件轉子隨著回火溫度升高，屈服強度上限與屈服強度下限均體現先升高后下降趨勢，屈服強度上限在回火溫度670℃—675℃達到峰值，回火溫度超過680℃后屈服強度下降較快。屈服強度下限在回火溫度670℃左右達到峰值，回火溫度超過675℃后，屈服強度逐漸下降。

從圖4中（e）數據曲線可以看出，B12N-S鋼鍛件轉子隨著回火溫度的升高，沖擊功上、下限均呈上升趨勢，回火溫度在670℃—680℃之間，沖擊值上升較明顯，回火溫度超過680℃后沖擊值變化較緩慢。

3 結論

B12N-S鋼高中壓轉子有效截面在Φ1100mm以上的最終熱處理工藝的最佳淬火溫度為950℃、最佳回火溫度為670—680℃、最佳淬火方式為水淬加油冷混合式，但是水冷時間過長會有開裂風險，有效截面在Φ1100—1200mm的轉子水冷時間在10分鐘左右；截面超過Φ1200mm的轉子回火溫度在670℃為宜，水冷時間控制在20分鐘最佳。

參考文獻：

[1]白剛等.熱處理手冊.北京：機械工業出版社，2008.

[2]-康大滔.葉國斌.大型鍛件材料及熱處理.北京龍門書局，1998：427

（作者單位：中國第一重型機械股份公司熱處理分廠）