羅晉平，鐘約先，馬慶賢，袁朝龍

(清華大學機械工程系，北京 100084)

鏡板是水輪發(fā)電機組推力軸承的關鍵零件，性能要求高，制造難度大.隨著水輪發(fā)電機單機容量朝大型甚至超大型的方向發(fā)展，鏡板尺寸也越來越大，制造難度成倍增加.大型鏡板一般用鋼錠整體鍛造后機加工而成［1］，三峽工程700 MW水輪機組所用的大型鏡板是從國外進口，達到了世界先進水平，為大型鏡板樹立了新的標準.隨著眾多大型水電項目的開工建設，700 MW甚至1 000 MW超大型機組的需求日益緊迫，因此大型鏡板制造是我國水電裝備國產(chǎn)化亟待解決的關鍵技術之一.某700 MW國產(chǎn)化水電機組的鏡板外徑5.4 m，內徑 4 m，厚度 150 mm，采用 25CrMo4鑄錠鍛造而成.鏡板面工作時承受5 000噸級的推力并跟推力瓦旋轉摩擦，除了對鏡板力學性能要求外，鏡板工作面任意兩點硬度差不能大于30 HB［2］.從國外技術資料和國內生產(chǎn)經(jīng)驗分析，硬度超差是其制造的主要技術難點，國內企業(yè)在鏡板試制過程中出現(xiàn)的問題也證實了這一分析.

大型鏡板制造涉及冶煉、鑄錠、鍛造及熱處理等各個工藝環(huán)節(jié).本文從熱處理工藝的角度，采用模擬實驗方法，深入研究了熱處理工藝參數(shù)對鏡板用鋼25CrMo4微觀組織及其硬度均勻性的影響規(guī)律，分析了可能導致組織不均勻和硬度差超標的原因，為鏡板熱處理工藝方案的制定和優(yōu)化提供理論參考.

1 熱處理溫度對鏡板硬度的影響

25CrMo4鋼為德國牌號的低合金結構鋼(化學成分見表1)，調質后強度較高，機加工性能良好，已列入三峽700 MW水電機組鍛件技術標準，確定為大型水輪發(fā)電機鏡板的主要鋼種之一.

表1 25CrMo4鋼的標準化學成分(質量分數(shù)/%)

25CrMo4冶煉鑄錠后，需經(jīng)大型壓機的鍛造獲得鏡板鍛件.鍛造后，鑄錠中粗大的鑄態(tài)晶粒被打碎，偏析得到改善，再經(jīng)鍛后熱處理去除殘余應力，最終可獲得成分和晶粒比較均勻、無殘余應力的組織，該組織即為鏡板熱處理前的原始組織(如圖1所示).

圖1 熱處理前的原始組織

1.1 試樣制備及實驗方案設計

熱處理實驗所采用的模擬試樣取自試制鏡板鍛件的余料.為考察整個余料的成分均勻性，以排除成分對實驗結果的影響，在余料的各部位取樣進行化學分析，分析結果如表2所示.從表2的成分對比可以發(fā)現(xiàn)，該鍛造余料成分均勻，無明顯偏析情況，可認為在同一余料上取下的試樣材質相同，可排除成分對實驗結果的干擾.

試樣在相同的熱處理參數(shù)(900℃淬火，680℃回火)下進行熱處理后測量硬度，結果見表2最后一列.從表2可以看出，任意兩試樣硬度偏差＜3 HB，以此為基礎研究熱處理參數(shù)對硬度均勻性的影響，可以認為在參數(shù)相同的情況下，由成分和測量誤差造成的硬度波動應在3 HB以內，超出此范圍的硬度波動可認為是不同工藝參數(shù)的影響造成的.

表2 試樣化學成分(質量分數(shù)/%)及硬度

為研究淬火保溫溫度及回火溫度對硬度的影響，按照淬火保溫區(qū)間850～950℃、回火溫度區(qū)間600～720℃，每組實驗溫度間隔20℃，水冷淬火，回火后隨爐冷卻的方案進行熱處理實驗.大型鏡板鍛件尺寸巨大，升溫和均溫所需時間很長，考慮到實驗所用的試樣尺寸較小，因此實驗中的保溫時間選定4 h，回火時間為6 h.熱處理方案如圖2所示.

圖2 熱處理實驗方案

1.2 淬火溫度對組織及硬度的影響

大型鏡板鍛件在鍛造過程中，鏡板各區(qū)域變形程度不均勻，獲得的晶粒大小也無法完全均勻，因此應深入研究在熱處理的淬火保溫溫度(即奧氏體化溫度)下，能否獲得均勻的奧氏體晶粒，以及奧氏體晶粒度對硬度差異有何影響［3］.

首先研究淬火保溫溫度與奧氏體晶粒度的關系.將充分鍛造的試樣加熱至850～950℃并保溫4 h，采用淬硬法保留原始奧氏體晶界，用苦味酸溶液腐蝕，觀察并測量奧氏體晶粒尺寸［4］.經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，在此溫度區(qū)間內，奧氏體晶粒尺寸隨溫度升高略有增大，但晶粒長大不明顯，如圖3所示，晶粒度穩(wěn)定在5級左右，無混晶，可確定25CrMo4屬于本質細晶粒鋼.

圖3 奧氏體晶粒度

隨后研究了淬火溫度對硬度的影響.對不同淬火保溫溫度下獲得的試樣進行淬火，經(jīng)680℃回火后測量硬度(見圖4曲線2)，隨著奧氏體化溫度的不同，硬度為210～220 HB，但硬度差不大(約10 HB).對不同淬火溫度的試樣進行了大量回火實驗后，得到圖4所示硬度隨淬火溫度的波動圖.

圖4 淬火溫度對硬度的影響

從圖4中可以看出，同一批次(回火溫度相同)的試樣，隨著淬火溫度的不同，硬度略有波動，但波動范圍均在10 HB以內.

通過以上研究可以得出，在鍛造均勻后，熱處理的淬火保溫溫度對晶粒組織及硬度影響不大，由此推論淬火保溫溫度不均應該不是造成鏡板硬度超差的主要原因.

1.3 回火溫度對組織及硬度的影響

回火是鏡板鍛件的最終熱處理，對組織性能有決定性影響.在大型鏡板鍛件質量控制中，淬火鍛件必須經(jīng)580℃以上的回火處理才能得到強度、硬度均合格的產(chǎn)品.25CrMo4淬火獲得的是低碳馬氏體組織，在回火過程中，固溶在馬氏體中的碳，以碳化物形式析出，形成彌散碳化物分布在鐵素體基體中，使組織性能得到優(yōu)化.

隨著回火溫度和時間的變化，碳原子的擴散速度和程度也不同，馬氏體析出的鐵素體和滲碳體形態(tài)略有差異，最終的強度和硬度也會不同.鏡板鍛件在強度和硬度上均有質量控制指標，因此有必要研究回火參數(shù)對組織及性能的影響.由于鏡板屬于大型鍛件，回火時間一般都很長且輕易不變，所以本研究主要集中在回火溫度的影響上［5－13］.

圖5為600～700℃回火溫度內測得的試樣硬度.從圖5可以看出，試樣回火溫度對硬度的影響有明顯的規(guī)律性，回火溫度升高20℃，硬度降低10～15 HB.將圖5與圖4對比可以看出，回火溫度造成的硬度波動比淬火溫度造成的波動明顯的多.從圖5還可以得出，回火溫度波動達到40℃造成的硬度的波動就可能達到或超過30 HB.因此，鏡板回火時，鏡板各部分溫差必須嚴格控制，極限波動不能超過40℃.

圖5 回火溫度對硬度的影響

通過觀察不同回火溫度下試驗的金相，可以發(fā)現(xiàn)回火溫度不同導致硬度差異的組織原因.圖6所示為25CrMo4試樣890℃淬火后高溫回火6 h的顯微組織，其中圖6(a)為620℃回火組織，圖6(b)為700℃回火組織.由圖6可以看出，在620和700℃回火時獲得的組織均為回火索氏體，滲碳體保留了原馬氏體形態(tài).實際測得圖6(a)所示組織的宏觀硬度為255 HB，而圖6(b)的硬度為201 HB，恰好位于鏡板合格硬度范圍的上下限附近.從圖6(a)和圖6(b)的對比來看，700℃回火比620℃回火時析出了更多的鐵素體，從而降低了材料的硬度.此外，隨著回火溫度升高，晶格畸變程度和位錯密度均會有所降低，也是導致硬度降低的原因.

圖6 25CrMo4調質組織

2 淬火深度對組織和硬度的影響

以上研究分析了熱處理溫度對25CrMo4組織和硬度的影響，但必須指出，實驗是建立在Φ20 mm的小試樣、且淬火后獲得完全馬氏體組織的基礎上的，在此實驗基礎上得出的規(guī)律僅限于鏡板外層完全淬透組織.實際的鏡板尺寸超大，鏡板淬火不能整體獲得完全馬氏體組織，未淬透部分回火后的組織和硬度與淬透組織會有差別.此外，700 MW水輪發(fā)電機鏡板是一個大型環(huán)狀結構，厚度與直徑相比較小，整個結構剛度不夠，因此淬火時變形較大，變形后的鏡板面實際上不是水平的，需要機加工才能獲得平整的鏡板面.這就意味著最終的鏡板面實際上在淬火時處于不同的淬火深度，則25CrMo4的淬硬深度可能影響鏡板面的硬度均勻性，因此，有必要研究25CrMo4的淬火深度對組織和硬度的影響［14－15］.

2.1 試驗方案

首先設計了大尺寸試驗淬透性試驗.鏡板鍛件厚度140 mm，考慮足夠的尺寸維度，模擬采用Ф200 mm×300 mm的坯料進行熱處理.熱處理方案如圖2所示，淬火溫度和回火溫度分別選900和660℃.熱處理完成后，切開試樣并在測試面不同直徑處取點測試硬度值(剖切及測試點位置如圖7所示).

圖7 硬度測試點位置示意圖

在淬火深度試驗基礎上，考慮到鏡板實際截面為方形，為此設計了大尺寸方截面試樣的淬火回火試驗，考察了方板硬度均勻性規(guī)律.試驗用試樣參考了鏡板尺寸維度，但限于取樣余料的尺寸，最終取用300 mm×170 mm×120 mm的方形坯料進行，淬火和回火溫度分別為900和620℃.熱處理完成后，按如圖8所示剖切面居中橫向和縱向剖開試樣，在測試面上以10 mm的間距布置測點測試實際硬度分布.

圖8 硬度測試面位置示意圖

2.2 淬火深度對組織及硬度的影響

2.2.1 不同淬硬深度的硬度分布

對圓柱體試樣沿取樣進行硬度測試后獲得如圖9所示的硬度分布圖.從圖9可以看出:在外層深度20 mm內硬度非常均勻;隨著深度增加，硬度降低的梯度逐漸加大，但到心部后硬度又趨于均勻，但已低于200 HB.以8個測點平均硬度來表示不同深度的組織經(jīng)回火后的硬度，則可獲得如圖10所示的淬火深度與硬度的關系.從圖10還可以看出，在硬度達標范圍內，當淬火深度差達到30 mm時，硬度差接近30 HB.由此推測，當鏡板面上的變形量接近30 mm時，鏡板面硬度差也將達到甚至超過30 HB.實際試生產(chǎn)中淬火變形量可達20～30 mm，為保證足夠余量，鏡板鍛件的后續(xù)機加工去除量也較大，使鏡板面某些位置的硬度過低，這可能是鏡板超差的主要原因之一.

圖9 取樣面硬度分布圖

圖10 淬火深度對硬度的影響

對方截面試樣進行的硬度測試后獲得如圖11、圖12所示的硬度分布圖.受試驗設備所限，試樣淬火時各面的換熱條件不完全一致，實際的硬度分布受此影響沒有完全對稱.從圖11可以看出:在試樣表面下有一層完全淬透組織，其硬度比較均勻;隨著深度的加深，未完全淬透組織中馬氏體的比例逐漸變化，硬度的變化隨之開始加劇，這部分可稱為過渡層;淬火深度繼續(xù)加大，試樣心部的組織構成逐漸穩(wěn)定，硬度又開始變得均勻.從圖12中也可以看出相似規(guī)律，試樣最外側和心部硬度梯度較小，過渡層硬度梯度較大.而鏡板淬火變形的尺寸范圍(20～30 mm)恰好落在過渡層的位置，因此如果機加工去除量恰好處于極限位置，則對鏡板的硬度均勻性有不利影響，這可能也是鏡板面硬度超差的原因之一.

2.2.2 淬火換熱條件對硬度的影響

從圖11可以看出，方形截面下表面的硬度梯度較大，如果下表面為鏡板加工面，則可導致更大的硬度差.造成下表面硬度如此分布的原因是因為試樣在試驗中底部設支撐，導致下表面的換熱條件變差，這從另一個角度說明，淬火換熱條件對硬度的均勻性也有重要影響.大型鏡板淬火時吊裝部位及在淬火池中的支撐部位的換熱條件與其他部位不同，因此應避免在鏡板面上設置吊裝或支撐部位，而且應重點檢查鏡板面靠近這些位置的硬度，及時發(fā)現(xiàn)問題.

圖11 測試面A硬度分布

圖12 測試面B硬度分布

2.2.3 淬火深度對淬火組織的影響

從上面的研究可以看出，硬度隨著淬火深度的不同而變化，其原因則是淬火條件不同所導致的組織差異.圖13所示為方截面試樣不同淬火深度下的同溫度回火組織，其中圖13(a)位于過渡層，圖13(b)則位于心部，可以看出二者組織有明顯差異.淬硬深度造成的組織差異必然反映到其力學性能上［16］.在熱處理后的方坯試樣淬透層(1、2 號試樣)、過渡層(3、4 號試樣)和心部(5、6號試樣)分別取樣檢測其抗拉強度(Rm)和斷后伸長率(A)，結果如表3所示.

從表3中可以看出，隨著距表面深度的增大，硬度和強度逐漸減小，斷后伸長率A可保持在22%以上.根據(jù)鏡板技術條件，鏡板抗拉強度應不小于690 MPa，而未淬透的心部其強度已低于這一指標.但在該回火溫度下，已有足夠厚的組織在硬度和強度上均已達標，考慮到材料的淬透性受限于化學成分，因此在制定鏡板檢驗標準時不宜對心部強度過于苛刻，檢測取樣部位應在淬透組織中.

圖13 不同淬火深度的回火組織

表3 不同淬火深度下試樣的力學性能

3 結論

1)淬火保溫溫度對組織及硬度的影響不大，在850～950℃淬火溫度內，溫度的波動不會對硬度均勻性造成嚴重影響.

2)在600～700℃內，回火溫度對鏡板組織及硬度有明顯影響，推薦回火溫度620～660℃.為保證硬度均勻性達標，回火時鏡板面溫度波動應小于40℃.

3)淬火深度和淬火變形對鏡板組織和硬度有重要影響.由淬火變形造成的鏡板面不平整，最終可轉化為鏡板面的硬度不均勻，從這一角度出發(fā)，減小淬火變形量對控制鏡板面硬度差有重要意義.當淬火變形仍然較大時，要想硬度差達標，應保證機加工后的實際鏡板面各點淬火深度波動不超過30 mm.

4)淬火時除了保證足夠大的冷速已獲得更深的淬透組織外，還應保證鏡板面的均勻換熱條件，鏡板面不應設置支撐，并應重點檢查換熱條件不均勻處的硬度.

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