25Cr2Ni4MoV飞轮体锻件制造工艺研究

文/王明哲，张军峰，任文，李宏柏，刘强强·太原重工股份有限公司

飞轮体作为主循环钠泵电机上的关键锻件，材质为25Cr2Ni4MoV，其对超声波探伤及力学性能的要求非常高。通过对冶炼、锻造、热处理各工序工艺的优化与控制，力学性能满足了技术要求，验证了冶炼、锻造、热处理等工艺的合理性和可行性。

600MW 示范快堆核电工程是国际领先的四代核电技术示范工程，也是我国目前在建的重点核能项目。飞轮体锻件主要用于600MW 示范快堆工程机组一回路钠泵电机的辅助电机中，是辅助电机的重要部件，可以在电厂失去电源的情况下正常工作，为堆芯带走热量。

飞轮体锻件材质为25Cr2Ni4MoV，其对超声波探伤及力学性能的要求非常高。该锻件技术含量高，产品附加值高，市场潜力大。

技术要求

化学成分要求

材料的化学成分要求见表1。为保证锻件具有良好的综合力学性能，提高钢水的纯净性，钢锭采用碱性电炉冶炼+精炼炉精炼+下注的方法制造而成，钢中的Cr、Ni、Mo 为提高钢的淬透性的元素，这些元素控制在规范要求的上限；冶炼过程中控制P ≤0.015%、S ≤0.010%。

表1 化学成分要求(质量分数/%)

力学性能要求

调质热处理后，取样的具体位置及数量见图1 和表2，力学性能要求见表3。

表2 取样位置

图1 取样图

调质完毕，硬度合格后，截取S1 自检应力环做残余应力分析。残余应力合格后，在P2 轴向试样区套取试棒，自检轴向力学性能。在S1 切向自检区，按试样分布示意图截取试样，检切向力学性能，同时做晶粒度分析。套取P2、P3 轴向试棒，做一拉一冲试验。

在P1 试样区，按试样分布示意图截取试样，分别做径向拉伸、冲击试验；截取431 ～438 试块做落锤试验；截取441 ～446 试块做断裂韧性试验；截取351 试棒做H 含量分析及成品分析。

超声检测要求

飞轮体锻件调制完毕，并经粗加工后对锻件进行百分百的超声检测。超声检测结果符合标准JB/T 1269-2014 中5.3 的要求，具体见表3。

表3 性能要求

制造工艺

飞轮体的制造工艺流程为：碱性电炉冶炼→精炼炉精炼→真空处理→大气浇注→锻造→预备热处理→粗加工→超声检测→性能热处理→取样→力学性能检验。

冶炼与铸锭

原材料：原材料精选本厂优质返回废钢和优质生铁。要求残余元素满足工艺要求，防止Sn、As、Bi、Sb 等元素超标。

电炉粗炼钢水：采用深度吹氧去P 技术，去除钢水中的有害元素。钢水出钢前，严格控制电炉钢水中P 的含量，保证P ≤0.007%。

钢包精炼：使用硅钙粉作为强脱氧剂和碳粉、硅铁粉等弱脱氧剂搭配扩散脱氧，保持还原气氛，达到脱氧脱硫、去夹杂的目的。底吹Ar 真空除气时，确保控制有效真空度不大于67Pa，有效真空时间不小于20 分钟，达到真空除气的效果。吊包之前进行软搅拌，要求搅拌时间不小于10 分钟。

浇注：采用大气浇注方法，浇注过程采取保护浇注措施，严格按照工艺规定的脱模时间进行脱模。

锻造成形

应用锻造数值模拟软件Forge 对飞轮体进行锻造镦粗模拟分析，得到最佳的锻造变形工艺参数。

镦粗过程中用顶镦帽对钢锭进行了镦粗。经过锻造数值模拟后发现，当镦粗变形率达到80%时，在锻件的纵向剖面上，锻造变形的等效应变不均匀(图2）。剖面中间位置小，而两侧位置的数值大，最小等效应变的数值为0.9，最大等效应变数值已经达到了2.2。锻件内部的等效应力也达到了40MPa(图3）。整个剖面的变形非常不均匀，等效应变大的区域恰好对应的是钢锭的V 型偏析区，这个区域材料的质量本来就不好，再加上变形非常大，因此容易出现裂纹，造成超声波探伤不合格。当镦粗变形率达到60%时，等效应变大的区域在锻件的中间区域，最大等效应变为1.4。而在V 型偏析区，最大等效应变为1.0，等效应变较小，不容易出现裂纹。从镦粗变形率来看，当镦粗变形率达到60%时，锻造变形最佳，不容易出现裂纹。

图2 镦粗变形率为80%的等效应变图

图3 镦粗变形率为80%的等效应力图

另外，从锻造镦粗损伤来看，当镦粗至80%时，锻件外表面的损伤值已经达到了0.6(图4），这就意味着，锻件表面容易开裂。当镦粗至60%时，锻件外表面的损伤值已经达到了0.25(图5）。

图4 镦粗变形率为80%的损伤图

图5 镦粗变形率为60%的损伤图

结合飞轮体锻造数值模拟情况，制定飞轮体锻造工艺。将钢锭加热至1240℃分三火次进行锻造。钢锭经过压钳口、倒棱、切底端后进行锻造变形。锻造变形采用两次镦粗、一次拔长，综合锻造比达到7.5。镦粗锻造比大于2.5，为了防止钢锭的A 型偏析区撕裂产生裂纹，采用砧宽为850mm 的平砧进行双面辗压，每锤的压下量控制在坯料高度的20%左右。锻造拔长过程中，采用850mm 宽的上下平砧，采用宽砧强压法拔长，每一道次的锻造压下量为坯料高度的20%。搭接量为200mm，每道次拔长完毕后，将坯料翻转90°，为避免漏压区域，错半砧，压下一道次。

预备热处理

由于飞轮体材料为25Cr2Ni4MoV 钢，具有明显的组织遗传性，正火后得到非平衡组织，因此锻后热处理工艺(锻后热处理工艺见图6）采用一次高温正火，一次过冷，以便切断组织遗传，细化晶粒。正火温度采用840 ～860℃，用鼓风机吹锻件大身，待锻件表面冷至280 ～320℃时，将转子在280 ～320℃保持8 ～11 小时，保证转子心部也降到贝氏体转变温度之下，以完成组织转变。随后以每小时40℃的标准进行升温，温度在640 ～660℃时保持15 ～21小时进行扩氢处理。

图6 飞轮体锻件锻后热处理工艺

性能热处理

由于飞轮体力学性能要求很高，要求轴向冲击达到KV2 ≥41J，轴向取样深度深，不容易达到。切向要求落锤试验，无塑性转变温度NDTT 不高于～12.2℃。切向要求做断裂韧性试验，要求应力强度KIC 不低于165MPam1/2。因此热处理时，采取直接水冷的方式，使锻件淬火得到下贝氏体组织，以满足锻件性能要求。具体热处理工艺如图7 所示。

图7 飞轮体锻件性能热处理工艺

将飞轮体加热至860℃完全奥氏体化后，保温3h后，先空冷1.5 分钟后，再水冷16 ～19 分钟，使锻件得到下贝氏体组织。淬火完成后，在590 ～610℃回火，使锻件得到索氏体组织。

结果分析

超声检测

调质热处理完毕并对飞轮体锻件进行机加工后，按照ASTM A388 方法对锻件表面进行百分百的超声检测，未发现当量直径大于φ4mm 的单个缺陷以及连续密集缺陷，结果符合JB/T 1269-2014 标准。

力学性能结果

按照性能热处理工艺，飞轮体各项力学性能指标达到了技术要求，取得了满意的效果，具体详见表4。

表4 力学性能结果

结论

⑴用单真空钢锭制定的材料为25Cr2Ni4MoV 的飞轮体锻件化学成分、力学性能均能满足技术要求。

⑵材料为25Cr2Ni4MoV 的飞轮体锻件的轴向、径向、切向强度偏差较小，说明材料的各向异性相差小，进一步验证了铸锭、锻造、热处理等工艺的合理性和可行性。

王明哲

热加工工艺研究所工艺研究员，工程师，主要从事铸锻件基础工艺研究工作，重点参与4MW 风机轴、30Cr2Ni2Mo 材料热处理新工艺研究、电动机转轴制造工艺改进等项目攻关。

——文章选自《锻造与冲压》2022年第17期