郭 建 汪為慶 毛 蔚 張 波

(1.中廣核工程有限公司，廣東518124；2.二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

為研發(fā)出我國自主化主泵電動機用飛輪鍛件，實現(xiàn)飛輪鍛件的產(chǎn)業(yè)化制造，根據(jù)技術標準明確了評定件制造的要點和依據(jù)，對鍛件從冶煉、鍛造、鍛后熱處理、粗加工、性能熱處理、取試、性能檢驗、最終加工、無損檢測等制造過程進行解剖評定。

1 技術要求

1.1 化學成分要求

材質為25Cr2Ni4MoV，化學成分要求見表1。

1.2 性能要求

力學性能要求見表2。

1.3 無損檢測要求

(1)超聲檢測

鍛件性能熱處理后，應進行100%的UT檢測。

(2)滲透檢測

鍛件加工后，對所有表面進行100%的液體滲透檢測，不能有發(fā)紋，龜裂、切痕或其它有害缺陷等。

表1 化學成分要求(質量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements(mass fraction,%)

表2 力學性能要求Table 2 Mechanical properties requirements

2 制造難點分析

該鍛件相對于原機組，其力學性能要求發(fā)生了很大的變化，見表2。根據(jù)制造經(jīng)驗，25Cr2Ni4MoV是一種綜合力學性能非常優(yōu)越的鋼種，經(jīng)過調質處理可得到很高的屈強比，并同時具有很高的強韌性。也恰好由于該材料的此特性，使得其難以滿足表2的性能要求，原因如下：

(1)表2的Rp0.2控制范圍僅有60 MPa，區(qū)間范圍窄，且該鍛件結構特殊，使得無法在爐溫均勻性最好的井式爐生產(chǎn)，導致控制難度非常大。

(2)根據(jù)材料特性，當Rp0.2控制在要求范圍內(nèi)時，抗拉強度基本在下線，即屈強比匹配性差。實際只能將抗拉強度控制在780 MPa～820 MPa之間時，才能與Rp0.2匹配。

(3)根據(jù)材料特性，該材料在性能熱處理時，其強度對回火參數(shù)非常敏感，包括回火溫度、回火時間、熱處理設備、淬火冷卻的均勻性等。

根據(jù)評定要求，評定件需要在鍛件中心上、中、下三層取樣；在1/2半徑位置上、中、下三層，每層每隔90°取樣。特別是解剖評定合格后，還需要完成批量件的生產(chǎn)。由于強度力學性能控制難度大，使得確定再現(xiàn)性好的工藝難度極大。

圖1 冶煉和澆注流程示意圖
Figure 1 Schematic diagram of the smelting and pouring process

3 制造過程簡述

3.1 制造工藝流程

制造工藝流程為：冶煉、澆注、熔煉分析→鍛造→預備熱處理→粗加工→調質熱處理→制取內(nèi)芯試樣→內(nèi)芯試樣性能檢驗→精加工→UT檢測/PT檢測/DT尺寸/VI目視→工件解剖、制取外環(huán)試樣→外環(huán)試料性能檢驗→評定。

3.2 主要制造工藝

3.2.1 冶鑄

鋼水在電爐內(nèi)粗煉，再經(jīng)鋼包精煉爐精煉，錠型56 t(3件飛輪、3件襯套)，采用真空上注法澆注。鋼錠冶煉澆注流程如圖1所示。

在冶煉環(huán)節(jié)化學成分屬于控制要點：

(1)Ni含量可大幅提高材料的屈強比，因此在內(nèi)控化學成分時，將Ni含量控制在要求范圍的中下線，避免抗拉強度與Rp0.2不匹配。

(2)生產(chǎn)飛輪鍛件的不同鋼錠的化學成分，必須嚴格按照首支評定鋼錠的實測成分進行保證，避免由于成分差異導致力學性能變化。

(3)控制鋼錠水冒口兩端的偏析，保證鋼錠成分有良好的均勻性。

3.2.2 鍛造成形步驟及主要參數(shù)

飛輪鍛件在120 MN水壓機上通過有效方式進行熱鍛。分三個步驟完成該鍛件的鍛造：

第Ⅰ火次：壓鉗口、滾圓、切水口

第Ⅱ火次：鐓粗、拔長、下料

第Ⅲ火次：鐓粗、修整

水口切除量≥7%，冒口切除量≥20%。在鍛造環(huán)節(jié)水冒口有效切除屬于控制要點，由于飛輪鍛件在中心區(qū)域進行力學性能檢驗，而中心區(qū)域屬于鋼錠宏觀偏析嚴重的部位。較大偏析非常不利于控制力學性能。另外在飛輪的粗加工階段，利用毛坯余量對上下端面中心位置進行化學成分分析，以便驗證水冒口切除是否達到預期效果，也便于調整調質的回火參數(shù)。

3.2.3 鍛后熱處理

鍛后熱處理工藝采用正火+回火的方式，本次工藝采用一次正火+回火的方式，見圖2。

3.2.4 性能熱處理

工件性能熱處理尺寸見圖3，精加工解剖圖見圖4。

圖2 鍛后熱處理工藝曲線Figure 2 Post forging heat treatment process curve

圖3 性能熱處理外形圖
Figure 3 Outline drawing of performance heat treatment

圖4 精加工解剖圖
Figure 4 Anatomical drawing of finishing

根據(jù)制造經(jīng)驗，25Cr2Ni4MoV材料的化學成分、淬火冷卻的均勻性、回火溫度、回火時間、工件厚度變化等對強度均有較大影響。尤其是回火溫度，當出現(xiàn)2～3℃的波動時，其強度均會出現(xiàn)一定變化。其次，該飛輪鍛件結構特殊，無法在爐溫均勻性最好的井式爐進行生產(chǎn)，大大增加了控制難度。為了保證性能合格，在性能熱處理環(huán)節(jié)特制定了下列措施：

(1)為避免平裝引起工件上、下端面的淬火冷卻不均勻，采用側立裝淬火。為此設計了弧形料盤，保證立裝的工件得到均勻的淬火冷卻，同時防止傾倒，見圖5。

圖5 性能熱處理裝爐示意圖Figure 5 Schematic diagram of charging in performance heat treatment

圖6 性能熱處理工藝曲線

(2)淬火過程中，采用旋轉裝置，使工件均勻快冷。

(3)回火過程中選擇工況最好的臺車電爐，解剖評定件后，后序所有鍛件均采用該臺設備，避免不同設備之間的差異影響。

(4)工件回火過程采用外接熱電偶控制，兩個位置的溫度嚴格控制在622～625℃之間，不允許超過此范圍。工件按照圖6性能熱處理工藝執(zhí)行。

4 評定件試驗結果

通過冶煉、鍛造、熱處理工序采取的綜合措施，飛輪鍛件中心部位上、中、下，1/2半徑上、中、下每隔90°部位的強度指標完全達到標準要求，均勻性非常穩(wěn)定，抗拉強度波動范圍控制在20 MPa以內(nèi)，見表3。

另外，所有低溫沖擊(0℃、-40℃)的沖擊功平均值均在250 J以上，實測RTNDT低于-66℃(要求值為不大于-36℃)，韌性指標非常好。最終通過以上措施順利完成了批量生產(chǎn)的任務。

表3 室溫力學性能檢驗結果Table 3 Mechanical properties test results at room temperature

4 結論

通過冶煉、鍛造、熱處理工序采取的綜合措施，解決了抗拉強度僅有40 MPa控制范圍的難題，且化學成分及無損檢測均滿足要求，完成了飛輪鍛件的解剖評定任務，各區(qū)域的強度均控制在標準要求范圍內(nèi)。同時以解剖評定確定的工藝為基礎，完成了批量件的生產(chǎn)任務。