热处理对大型镜板硬度均匀性控制的影响

罗晋平，钟约先，马庆贤，袁朝龙

(清华大学机械工程系，北京 100084)

镜板是水轮发电机组推力轴承的关键零件，性能要求高，制造难度大.随着水轮发电机单机容量朝大型甚至超大型的方向发展，镜板尺寸也越来越大，制造难度成倍增加.大型镜板一般用钢锭整体锻造后机加工而成［1］，三峡工程700 MW水轮机组所用的大型镜板是从国外进口，达到了世界先进水平，为大型镜板树立了新的标准.随着众多大型水电项目的开工建设，700 MW甚至1 000 MW超大型机组的需求日益紧迫，因此大型镜板制造是我国水电装备国产化亟待解决的关键技术之一.某700 MW国产化水电机组的镜板外径5.4 m，内径 4 m，厚度 150 mm，采用 25CrMo4铸锭锻造而成.镜板面工作时承受5 000吨级的推力并跟推力瓦旋转摩擦，除了对镜板力学性能要求外，镜板工作面任意两点硬度差不能大于30 HB［2］.从国外技术资料和国内生产经验分析，硬度超差是其制造的主要技术难点，国内企业在镜板试制过程中出现的问题也证实了这一分析.

大型镜板制造涉及冶炼、铸锭、锻造及热处理等各个工艺环节.本文从热处理工艺的角度，采用模拟实验方法，深入研究了热处理工艺参数对镜板用钢25CrMo4微观组织及其硬度均匀性的影响规律，分析了可能导致组织不均匀和硬度差超标的原因，为镜板热处理工艺方案的制定和优化提供理论参考.

1 热处理温度对镜板硬度的影响

25CrMo4钢为德国牌号的低合金结构钢(化学成分见表1)，调质后强度较高，机加工性能良好，已列入三峡700 MW水电机组锻件技术标准，确定为大型水轮发电机镜板的主要钢种之一.

表1 25CrMo4钢的标准化学成分(质量分数/%)

25CrMo4冶炼铸锭后，需经大型压机的锻造获得镜板锻件.锻造后，铸锭中粗大的铸态晶粒被打碎，偏析得到改善，再经锻后热处理去除残余应力，最终可获得成分和晶粒比较均匀、无残余应力的组织，该组织即为镜板热处理前的原始组织(如图1所示).

图1 热处理前的原始组织

1.1 试样制备及实验方案设计

热处理实验所采用的模拟试样取自试制镜板锻件的余料.为考察整个余料的成分均匀性，以排除成分对实验结果的影响，在余料的各部位取样进行化学分析，分析结果如表2所示.从表2的成分对比可以发现，该锻造余料成分均匀，无明显偏析情况，可认为在同一余料上取下的试样材质相同，可排除成分对实验结果的干扰.

试样在相同的热处理参数(900℃淬火，680℃回火)下进行热处理后测量硬度，结果见表2最后一列.从表2可以看出，任意两试样硬度偏差＜3 HB，以此为基础研究热处理参数对硬度均匀性的影响，可以认为在参数相同的情况下，由成分和测量误差造成的硬度波动应在3 HB以内，超出此范围的硬度波动可认为是不同工艺参数的影响造成的.

表2 试样化学成分(质量分数/%)及硬度

为研究淬火保温温度及回火温度对硬度的影响，按照淬火保温区间850～950℃、回火温度区间600～720℃，每组实验温度间隔20℃，水冷淬火，回火后随炉冷却的方案进行热处理实验.大型镜板锻件尺寸巨大，升温和均温所需时间很长，考虑到实验所用的试样尺寸较小，因此实验中的保温时间选定4 h，回火时间为6 h.热处理方案如图2所示.

图2 热处理实验方案

1.2 淬火温度对组织及硬度的影响

大型镜板锻件在锻造过程中，镜板各区域变形程度不均匀，获得的晶粒大小也无法完全均匀，因此应深入研究在热处理的淬火保温温度(即奥氏体化温度)下，能否获得均匀的奥氏体晶粒，以及奥氏体晶粒度对硬度差异有何影响［3］.

首先研究淬火保温温度与奥氏体晶粒度的关系.将充分锻造的试样加热至850～950℃并保温4 h，采用淬硬法保留原始奥氏体晶界，用苦味酸溶液腐蚀，观察并测量奥氏体晶粒尺寸［4］.经过测量发现，在此温度区间内，奥氏体晶粒尺寸随温度升高略有增大，但晶粒长大不明显，如图3所示，晶粒度稳定在5级左右，无混晶，可确定25CrMo4属于本质细晶粒钢.

图3 奥氏体晶粒度

随后研究了淬火温度对硬度的影响.对不同淬火保温温度下获得的试样进行淬火，经680℃回火后测量硬度(见图4曲线2)，随着奥氏体化温度的不同，硬度为210～220 HB，但硬度差不大(约10 HB).对不同淬火温度的试样进行了大量回火实验后，得到图4所示硬度随淬火温度的波动图.

图4 淬火温度对硬度的影响

从图4中可以看出，同一批次(回火温度相同)的试样，随着淬火温度的不同，硬度略有波动，但波动范围均在10 HB以内.

通过以上研究可以得出，在锻造均匀后，热处理的淬火保温温度对晶粒组织及硬度影响不大，由此推论淬火保温温度不均应该不是造成镜板硬度超差的主要原因.

1.3 回火温度对组织及硬度的影响

回火是镜板锻件的最终热处理，对组织性能有决定性影响.在大型镜板锻件质量控制中，淬火锻件必须经580℃以上的回火处理才能得到强度、硬度均合格的产品.25CrMo4淬火获得的是低碳马氏体组织，在回火过程中，固溶在马氏体中的碳，以碳化物形式析出，形成弥散碳化物分布在铁素体基体中，使组织性能得到优化.

随着回火温度和时间的变化，碳原子的扩散速度和程度也不同，马氏体析出的铁素体和渗碳体形态略有差异，最终的强度和硬度也会不同.镜板锻件在强度和硬度上均有质量控制指标，因此有必要研究回火参数对组织及性能的影响.由于镜板属于大型锻件，回火时间一般都很长且轻易不变，所以本研究主要集中在回火温度的影响上［5－13］.

图5为600～700℃回火温度内测得的试样硬度.从图5可以看出，试样回火温度对硬度的影响有明显的规律性，回火温度升高20℃，硬度降低10～15 HB.将图5与图4对比可以看出，回火温度造成的硬度波动比淬火温度造成的波动明显的多.从图5还可以得出，回火温度波动达到40℃造成的硬度的波动就可能达到或超过30 HB.因此，镜板回火时，镜板各部分温差必须严格控制，极限波动不能超过40℃.

图5 回火温度对硬度的影响

通过观察不同回火温度下试验的金相，可以发现回火温度不同导致硬度差异的组织原因.图6所示为25CrMo4试样890℃淬火后高温回火6 h的显微组织，其中图6(a)为620℃回火组织，图6(b)为700℃回火组织.由图6可以看出，在620和700℃回火时获得的组织均为回火索氏体，渗碳体保留了原马氏体形态.实际测得图6(a)所示组织的宏观硬度为255 HB，而图6(b)的硬度为201 HB，恰好位于镜板合格硬度范围的上下限附近.从图6(a)和图6(b)的对比来看，700℃回火比620℃回火时析出了更多的铁素体，从而降低了材料的硬度.此外，随着回火温度升高，晶格畸变程度和位错密度均会有所降低，也是导致硬度降低的原因.

图6 25CrMo4调质组织

2 淬火深度对组织和硬度的影响

以上研究分析了热处理温度对25CrMo4组织和硬度的影响，但必须指出，实验是建立在Φ20 mm的小试样、且淬火后获得完全马氏体组织的基础上的，在此实验基础上得出的规律仅限于镜板外层完全淬透组织.实际的镜板尺寸超大，镜板淬火不能整体获得完全马氏体组织，未淬透部分回火后的组织和硬度与淬透组织会有差别.此外，700 MW水轮发电机镜板是一个大型环状结构，厚度与直径相比较小，整个结构刚度不够，因此淬火时变形较大，变形后的镜板面实际上不是水平的，需要机加工才能获得平整的镜板面.这就意味着最终的镜板面实际上在淬火时处于不同的淬火深度，则25CrMo4的淬硬深度可能影响镜板面的硬度均匀性，因此，有必要研究25CrMo4的淬火深度对组织和硬度的影响［14－15］.

2.1 试验方案

首先设计了大尺寸试验淬透性试验.镜板锻件厚度140 mm，考虑足够的尺寸维度，模拟采用Ф200 mm×300 mm的坯料进行热处理.热处理方案如图2所示，淬火温度和回火温度分别选900和660℃.热处理完成后，切开试样并在测试面不同直径处取点测试硬度值(剖切及测试点位置如图7所示).

图7 硬度测试点位置示意图

在淬火深度试验基础上，考虑到镜板实际截面为方形，为此设计了大尺寸方截面试样的淬火回火试验，考察了方板硬度均匀性规律.试验用试样参考了镜板尺寸维度，但限于取样余料的尺寸，最终取用300 mm×170 mm×120 mm的方形坯料进行，淬火和回火温度分别为900和620℃.热处理完成后，按如图8所示剖切面居中横向和纵向剖开试样，在测试面上以10 mm的间距布置测点测试实际硬度分布.

图8 硬度测试面位置示意图

2.2 淬火深度对组织及硬度的影响

2.2.1 不同淬硬深度的硬度分布

对圆柱体试样沿取样进行硬度测试后获得如图9所示的硬度分布图.从图9可以看出:在外层深度20 mm内硬度非常均匀;随着深度增加，硬度降低的梯度逐渐加大，但到心部后硬度又趋于均匀，但已低于200 HB.以8个测点平均硬度来表示不同深度的组织经回火后的硬度，则可获得如图10所示的淬火深度与硬度的关系.从图10还可以看出，在硬度达标范围内，当淬火深度差达到30 mm时，硬度差接近30 HB.由此推测，当镜板面上的变形量接近30 mm时，镜板面硬度差也将达到甚至超过30 HB.实际试生产中淬火变形量可达20～30 mm，为保证足够余量，镜板锻件的后续机加工去除量也较大，使镜板面某些位置的硬度过低，这可能是镜板超差的主要原因之一.

图9 取样面硬度分布图

图10 淬火深度对硬度的影响

对方截面试样进行的硬度测试后获得如图11、图12所示的硬度分布图.受试验设备所限，试样淬火时各面的换热条件不完全一致，实际的硬度分布受此影响没有完全对称.从图11可以看出:在试样表面下有一层完全淬透组织，其硬度比较均匀;随着深度的加深，未完全淬透组织中马氏体的比例逐渐变化，硬度的变化随之开始加剧，这部分可称为过渡层;淬火深度继续加大，试样心部的组织构成逐渐稳定，硬度又开始变得均匀.从图12中也可以看出相似规律，试样最外侧和心部硬度梯度较小，过渡层硬度梯度较大.而镜板淬火变形的尺寸范围(20～30 mm)恰好落在过渡层的位置，因此如果机加工去除量恰好处于极限位置，则对镜板的硬度均匀性有不利影响，这可能也是镜板面硬度超差的原因之一.

2.2.2 淬火换热条件对硬度的影响

从图11可以看出，方形截面下表面的硬度梯度较大，如果下表面为镜板加工面，则可导致更大的硬度差.造成下表面硬度如此分布的原因是因为试样在试验中底部设支撑，导致下表面的换热条件变差，这从另一个角度说明，淬火换热条件对硬度的均匀性也有重要影响.大型镜板淬火时吊装部位及在淬火池中的支撑部位的换热条件与其他部位不同，因此应避免在镜板面上设置吊装或支撑部位，而且应重点检查镜板面靠近这些位置的硬度，及时发现问题.

图11 测试面A硬度分布

图12 测试面B硬度分布

2.2.3 淬火深度对淬火组织的影响

从上面的研究可以看出，硬度随着淬火深度的不同而变化，其原因则是淬火条件不同所导致的组织差异.图13所示为方截面试样不同淬火深度下的同温度回火组织，其中图13(a)位于过渡层，图13(b)则位于心部，可以看出二者组织有明显差异.淬硬深度造成的组织差异必然反映到其力学性能上［16］.在热处理后的方坯试样淬透层(1、2 号试样)、过渡层(3、4 号试样)和心部(5、6号试样)分别取样检测其抗拉强度(Rm)和断后伸长率(A)，结果如表3所示.

从表3中可以看出，随着距表面深度的增大，硬度和强度逐渐减小，断后伸长率A可保持在22%以上.根据镜板技术条件，镜板抗拉强度应不小于690 MPa，而未淬透的心部其强度已低于这一指标.但在该回火温度下，已有足够厚的组织在硬度和强度上均已达标，考虑到材料的淬透性受限于化学成分，因此在制定镜板检验标准时不宜对心部强度过于苛刻，检测取样部位应在淬透组织中.

图13 不同淬火深度的回火组织

表3 不同淬火深度下试样的力学性能

3 结论

1)淬火保温温度对组织及硬度的影响不大，在850～950℃淬火温度内，温度的波动不会对硬度均匀性造成严重影响.

2)在600～700℃内，回火温度对镜板组织及硬度有明显影响，推荐回火温度620～660℃.为保证硬度均匀性达标，回火时镜板面温度波动应小于40℃.

3)淬火深度和淬火变形对镜板组织和硬度有重要影响.由淬火变形造成的镜板面不平整，最终可转化为镜板面的硬度不均匀，从这一角度出发，减小淬火变形量对控制镜板面硬度差有重要意义.当淬火变形仍然较大时，要想硬度差达标，应保证机加工后的实际镜板面各点淬火深度波动不超过30 mm.

4)淬火时除了保证足够大的冷速已获得更深的淬透组织外，还应保证镜板面的均匀换热条件，镜板面不应设置支撑，并应重点检查换热条件不均匀处的硬度.

［1］ 中华人民共和国国家经济贸易委员会.水轮发电机镜板锻件技术条件［S］.北京:中国机械工业联合会，2003.

［2］ 中国长江三峡集团公司.700 MW级水轮发电机镜板锻件技术条件［S］.北京:中国长江三峡集团公司，2010.

［3］ 李丹，闵永安，吴晓春，等.奥氏体化温度对P20B钢淬透性的影响行为［J］.上海大学学报:自然科学版，2011，17(3):297－301.LI Dan，MIN Yongan，WU Xiaochun，et al.Behavior of austenizing temperature on hardenability of P20B steel［J］.Journal of Shanghai University(Natural Science Edition)，2011，17(3):297－301.

［4］ 王秉新，刘相华，王国栋.低碳微合金直接淬火钢的组织与力学性能［J］.材料科学与工艺，2010，18(3):401－404.WANG Bingxin，LIU Xianghua，WANG Guodong.Microstructures and mechanical properties of lowcarbon microalloyed direct-quenched steel［J］.Materials Science and Technology，2010，18(3):401－404.

［5］ 曾刚，李惠，谢春生.35CrMo钢强韧化工艺研究［J］.热处理，2010，25(1):58－61.ZENG Gang，LI Hui，XIE Chunsheng.Strengthening and toughening for 35CrMo steel［J］.Heat Treatment，2010，25(1):58－61.

［6］ 王任甫，牛继承.热处理对10CrNi3MoV钢组织与性能的影响［J］.金属热处理，2010，35(10):60－62.WANG Renfu，NIU Jicheng.Effect of heat treatment on microstructure and properties of 10CrNi3MoV steel［J］.Heat Treatment of Materials，2010，35(10):60－62.

［7］ JHA B K，MISHRA N S.Microstructural evolution during tempering of a multiphase steel containing retained austenite［J］. Materials Science and Engineering A，1999，263(1):42－ 55.

［8］ 李继红，李岩，张海存，等.回火温度对40CrNiMo7钢组织与性能的影响［J］.金属热处理，2011，36(7):28－31.LI Jihong，LI Yan，ZHANG Haicun，et al.Influence oftempering temperature on microstructure and mechanical properties of 40CrNiMo7 steel［J］.Heat Treatment of Metals，2011，36(7):28 －31.

［9］ 杨庚蔚，孙新军，李昭东，等.回火温度对1 500 MPa级Nb－Ti低合金直接淬火钢组织与性能的影响［J］.材料科学与工艺，2013，21(2):118 －124.YANG Gengwei，SUN Xinjun，LI Zhaodong，et al.Effects of tempering temperature on microstructure and mechanical properties of 1 500 MPa grade Nb－Ti low alloyed directly quenched steel［J］.Materials Science and Technology，2013，21(2):118 －124.

［10］ WANG M Q，DONG H，HUI W J，et al.Effect of heat treatment on micorstructure and mechanical properties of Cr－Ni－Mo－Nb steel［J］.Materials Science and Technology，2007，23(8):963－969.

［11］ 余伟，徐立善，陈银莉，等.回火方式对调质高强度钢组织和性能的影响［J］.材料科学与工艺，2012，20(1):103－107.YU Wei，XU Lishan，CHEN Yinli，et al.Effect of temper method on the microstructure and mechanical properties of quenched-tempered high strength steel［J］.Materials Science and Technology，2012，20(1):103－107.

［12］ AMIRAT A，CHAOUI K.Effect of tempering temperature and frequency on fatigue crack propagation in 0.2% carbon alloy steel［J］.Journal of Materials Science，2003，38:575－580.

［13］ THOMSON R C，MILLER M K.Carbide precipitation in martensite during the early stages of tempering Crand Mo-containing low alloy steels［J］. Acta Materialia，1998，46(6):2203－2213.

［14］ 顾俊杰，秦优琼，陈志林，等.42CrMo钢高频感应淬火及回火对组织及硬度的影响［J］.热加工工艺，2010(22):160－162.GU Junjie，QIN Youqiong，CHEN Zhilin，et al.Effects of high frequency induction heating quenching and tempering on microstructure and hardness of 42CrMo steel［J］.Hot Working Technology，2010(22):160－162.

［15］ 兰俊.20CrMoH淬透性研究［J］.特钢技术，2007，13(1):13－16.LAN Jun.Research on the hardenability of steel 20CrMoH［J］.Special Steel Technology，2007，13(1):13－16.

［16］ HUI Weijun.Effect of heat treatment parameters on mechanical properties of high strength Cr2Mo2V steel［J］.Acta Metall Sinica，2002，38(10):1009 －1014.