大鍛件用鋼

大鍛件用鋼是指是鍛制大型鍛件用的合金鋼。在選擇大鍛件用鋼時，應根據鍛件的尺寸、力學性能的要求、零件的服役條件和工藝性能等因素來考慮。

基本介紹

• 中文名：大鍛件用鋼
• 外文名：steels for largeforging
• 定義：鍛制大型鍛件用的合金鋼
• 分類：轉子用鋼、冷軋輥用鋼等
• 生產工藝：冶煉、鍛造工藝和熱處理工藝
• 學科：機械工程

簡述

由於鍛件的尺寸很大，截面很厚，所以大鍛件用鋼在合金設計和生產工藝上都有許多特點。為保證鍛件的大尺寸，在冶煉上需採用大容量的冶煉爐，在鑄造上需採用特大錠型；為解決大鋼錠加熱溫度高、保溫時間長、晶粒易粗大化和鍛造比小、變形不均勻、易出現混晶等問題，在製造工藝上需採取相應的措施；為保證良好的綜合性能，需採用調質熱處理；為保證厚截面鍛件的淬透性，需添加較多的鎳、鉻、鉬等合金元素。廣義地說，具有上述特徵的用於製造大型鍛件的鋼統稱為大鍛件用鋼。

分類

大鍛件用鋼按用途的不同分類，主要可分為轉子用鋼、冷軋輥用鋼和壓力容器用鋼。

一、轉子用鋼

轉子用鋼汽輪機和發電機的轉子，是電站設備中的重要構件。根據工作壓力的不同，汽輪機的轉子可分為高壓、中壓和低壓三種；發電機的轉子要在1500～3000r/mm的高速旋轉下工作，並承受巨大的離心力、傳遞扭矩和彎曲應力，因此對轉子用鋼要求很高，不僅要具有高強度和高塑韌性，而且要求高的質量均勻性。

對高、中壓汽輪機轉子除上述要求外，還要在高溫（400～565℃）、高壓（90Pa）的蒸汽介質下長期工作。因此轉子用鋼除要求常溫力學性能外，還要求有良好的高溫性能。大型發電機轉子用鋼的化學成分.基本上都採用鎳-鉻-鉬-釩系列。當鋼的鎳含量高於3.0%時，直徑超過1m的轉子，其心部也具有良好的淬透性，並可獲得強韌性匹配良好的下貝氏體組織。

二、冷軋輥用鋼

冷軋輥用鋼由於冷軋輥是在高的軋制速度、很大的軋制力等工況條件下工作，承受巨大的動載荷和靜載荷，因此，軋輥表面易產生毛面和磨損等缺陷，軋輥的中心孔和表面易產生疲勞裂紋，直接影響軋輥的使用壽命。為提高軋輥的使用壽命，要求冷軋輥用鋼必須具有高強度、足夠的表面淬硬層、高耐磨性、抗表面剝落性和耐熱衝擊性。冷軋輥用鋼的化學成分基本上都採用高碳的鉻系合金鋼，如，9Cr、9Cr2、9CrSi、9CrV、9Cr2.0、9Cr2W、等，近年又增加了Cr3、Cr5系列，Cr6鋼軋輥的研製也已開始試驗。

三、壓力容器用鋼

壓力容器用鋼隨著電力、化工和石油等各類反應器、鍋爐、高壓容器向高參數大型化方向發展，其結構也逐漸由使用鋼板的板焊結構，向使用大鍛件的鍛焊結構方向發展。壓力容器用鍛鋼進一步向高純化、高韌性方向發展。

生產工藝

大鍛件用鋼的生產工藝主要包括冶煉、鍛造工藝和熱處理工藝。

(1)大鍛件用鋼的冶煉

冶煉、鍛制大型鍛件需使用大型鋼錠。大鋼錠的單重在30t到幾百噸範圍內。鋼錠越大，偏析等冶金缺陷越嚴重。因此，大鍛件用鋼的冶煉要求非常嚴格。為保證鑄造出特大鋼錠，一般都要採用兩台以上的冶煉爐聯合配爐澆注，這樣就不必增大單爐容量，減小因澆注時間長對耐火材料的侵蝕，防止鋼液溫度的降低。

冶煉時必須精選原料，嚴格控制冶煉不易去除的有害元素如硼、銅、錫、銻、砷等。鋼的初煉可採用大型鹼性電弧爐、大型轉爐等，初煉的鋼液必須進行爐外精煉和真空脫氣，最大限度降低鋼中的硫、磷和氣體含量，以獲得硫、磷質量分數均低於0.005%、氫低於2%、氧低於30%、氮低於40%的高純淨鋼。為減少偏析和缺陷，大型鋼錠的鑄造要採用新的澆注技術，如旋轉澆注法、空心鑄錠法和定向凝固鑄造法等。

(2)大鍛件用鋼的鍛造

目的主要有兩個：一是將鑄錠經濟地鍛製成所需要的形狀毛坯，即成形；二是改善金屬組織，通過鍛造破壞鑄錠的鑄態組織，使組織均勻化，使晶粒細化，使氣孔、疏鬆、縮孔等缺陷焊合。通常，大型鋼錠都由冶煉車間直接熱送到鍛壓車間。為使缺陷焊合，大鍛件的鍛造一般都在壓力很大的水壓機上進行，主要採用自由鍛工藝。

(3)大鍛件用鋼的熱處理

由於尺寸效應的影響，大鍛件的熱處理有自己的特點，必須充分考慮大鍛件的冶金特性、大鍛件在熱處理中產生的瞬時應力和殘餘應力、相變熱對加熱和冷卻過程的影響、回火脆性和組織細化等。大鍛件的熱處理過程如下：

1)鍛後熱處理。主要目的是防止產生白點，提高化學成分的均勻性，細化組織，消除混晶現象等，為超音波探傷和最終性能創造內部組織條件，為降低硬度、消除應力、便於粗加工創造條件。若在冶煉過程中鋼中的氫質量分數降至2%以下時，則第一熱處理將主要考慮晶粒細化和消除混晶現象。

大型鍛件特別是合金鋼鍛件，鍛後正火和淬火在加熱方式上，應採用階梯升溫方式加熱。大型鍛件在350～500℃以及600～800%時，工件表面與心部存在最大溫差，差值在300～400℃。因此採用在4500C與6500C保溫一段時間，然後再升溫的加熱方法是比較合適的。

2)性能熱處理。其主要目的是使粗加工後的大鍛件獲得所需要的最佳組織，以保證大鍛件具有良好的綜合性能。通常採用的工藝主要有調質、正火加回火、正火加時效等。對要求高硬度的鍛件，如大型冷軋輥，其最終熱處理應採用淬火加低溫回火，以滿足使用要求。

大鍛件在回火裝爐的初始階段，表面溫度回升，心部溫度進一步降低，以完成心部過冷奧氏體完全轉變。所以均溫時間難以用目測確定，因此回火工藝規程中沒有規定均溫時間，而是適當延長保溫時間。回火保溫時間也可按回火溫度與硬度的對應關係確定。

3)大鍛件熱處理注意事項

①大鍛件加熱時一定要緩慢，必須分段加熱，奧氏體化保溫要充分，一般以台車爐為主。

②低碳低合金鋼直接淬鹽水，巾碳合金結構鋼以水油雙液淬比較穩妥，在水中停留的時間以有效厚度計算。

③必須了解大鍛件的原始狀態，必須檢測其顯微組織，魏氏體組織嚴重的必須用正確的熱處理工藝予以消除。

性能要求

大鍛件用鋼的性能要求：

①鍛件冶金質量好，材料性能均勻，不應有裂紋、白點、縮孔、摺疊、過度的偏析以及超過允許的夾雜和疏鬆。

②鍛件經最終熱處理後，具有較低的殘餘應力。如氣輪機轉子和主軸鍛件的殘餘應力規定不應大於鍛件強度級別材料徑向屈服強度下限值的8%。

③鍛件材料應具有足夠高的強度、塑性和韌性等良好的綜合力學性能。

④斷裂韌度高，脆性轉變溫度低。

⑤對高溫服役的零件材料要有較高的蠕變極限、持久強度和長期組織穩定性，以及抗高溫氧化和蒸汽腐蝕能力。