低压转子锻件次表面性能研究

金嘉瑜杨增钢芮守泰( ．中南大学，湖南4008;．哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江50046;．天津重型装备工程研究有限公司，天津00457)



低压转子锻件次表面性能研究

金嘉瑜1杨增钢2芮守泰3
( 1．中南大学，湖南410083;
2．哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江150046;
3．天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

摘要:分析了30Cr2Ni4MoV低压转子锻件轴身中部次表面冲击功降低的原因，提出提高回火温度的方法解决该问题。

关键词:30Cr2Ni4MoV;低压转子;次表面;力学性能

600 MW低压转子锻件材料为30Cr2Ni4MoV钢，转子轴身粗加工直径为1 790 mm，长度为7 935 mm，交货重量为51．789 t。低压转子力学性能要求如表1所示。制造厂是在轴身中部的表面进行取样，位置如图1所示。而用户是在轴身距表面300 mm下进行取样，位置如图2所示。

用户复验时发现多支转子在轴身中部的次表面取样的性能试验中冲击功不合格，而其它部位的各项指标均满足要求。比较制造厂和用户在轴身中部的取样位置发现两者的位置有差异。

制造厂在转子轴身中部的表面套取径向试棒的试验结果见表2。

用户在转子轴身中部的表面300 mm以下套取径向试棒的试验结果见表3。

可以看出，两者在强度和塑性方面差别不大，但在韧性方面有很大差异，用户取样试验的冲击功没有达到要求。低压转子所用材料具有极高的淬透性、优秀的综合力学性能，能获得从表面到芯部相对均匀的力学性能，是目前大容量低压转子的唯一选材。该低压转子锻件的粗加工截面还不到1 800 mm，取样位置只是在深度方向相差300 mm，从材料特性和生产实践来看都不应当产生不

表1　低压转子力学性能要求Table 1　Mechanical property requirements of low pressure rotor

图1　制造厂取样位置Figure 1　 Sampling position for manufacturer

图2　用户取样位置Figure 2　Sampling position for customer

表2　转子轴身中部的表面试验结果Table 2　 Surface test results in the central of rotor body

表3　转子轴身中部表面300 mm以下试验结果Table 3　Test results below 300mm of surface in the central of rotor body

合格的现象。这种现象值得深入分析和研究，同时已经交货的转子还面临着后续如何处理的问题。

1　以往转子表面至中心的性能情况

对于热处理直径约3 000 mm的核电低压转子锻件，我们进行过转子沿全长和全横断面的整体解剖试验研究。图3和图4分别为在转子横断面解剖时沿两个不同径向从表面到中心部位的冲击值分布。从分布曲线可以看出，冲击功从表面到中心表现为逐渐降低，但降低幅度不大，中心部位的冲击功也大多在200 J以上，具有很高的韧性。从核电低压转子的解剖数据看，直径3 000 mm的30Cr2Ni4MoV材料锻件从表面到芯部是完全可以淬透的，表面到中心的冲击值都在合格范围内，没有次表面冲击值降低的现象。

20世纪90年代生产的300 MW～600 MW低压转子(强度等级与上述转子都是相同的)都是打中心孔的，都要进行中心试样的性能检验。抽取20世纪90年代出产的3支转子中心孔性能试验结果，见表4。

图3　A试料沿径向冲击功分布Figure 3　 Distribution of impact property along radial for specimen A

图4　B试料沿径向冲击功分布Figure 4　 Distribution of impact property along radial for specimen B

表4　3支转子中心孔性能试验结果Table 4　Mechanical property test results of central holes for 3 rotors

表5　轴身中部表面150 mm性能试验结果Table 5　Mechanical property test results below 150 mm of surface in the center of rotor body

从表4可以看出，冲击值是合格的，并且冲击功都在三位数的水平，转子中心的强度和冲击功还比标准要求值高出很多。

在某厂生产的另一种直径1 660 mm的转子，在轴身中部表面150 mm位置取样的性能试验结果也列于表5。从表5数据看150 mm下纵向冲击值与表面没有差别，而切向冲击值呈现出降低的趋势，并且强度也有所降低。但总体降低幅度都不大，没有达到不合格的水平。

从上述以往转子制造的数据来看，除去强度要求的差异外，冲击韧性从表面到中心都处于较高的水平，不同的位置冲击功没有存在大的偏差。转子中心部位的冲击功降低幅度比次表面冲击功降低幅度小。

2　次表面性能偏低的原因分析

转子所用材料具有很高的淬透性，可以使表面到中心获得完全贝氏体组织，内外部的性能比较均匀。对这种材料的转子各部位的性能变化，除核电低压转子进行了解剖有试验数据外，其它火电转子并没有全面的试验和生产数据，对转子从表面到中心的性能变化主要是经验判断，象上述有问题转子一样的取样方式的性能试验以前没有做过。从以前生产的转子各项性能指标看，从表面到中心强度指标变化不大，但冲击指标还是有变化的，总体上从表面到中心冲击指标还是有很大降低的。从材料特性、转子结构、性能要求等因素看，有以下几方面对于次表面冲击功的影响很大。首先是核电低压转子的强度要求比火电转子的强度要求低很多，实际生产结果也是有很大差别的。核电转子要求的强度比较低，对应的冲击功都很高，从表面到中心冲击功的降低也比较缓慢，数值较稳定。可见低强度要求的转子不会在次表面产生冲击功降低的问题。第二是转子在淬火过程中不同部位的冷却速度是不同的，总体上从表面到中心冷却速度在降低。但对于临界转变温度区间的冷却速度，从计算机模拟的结果分析，从表面到中心并不是呈不断降低的趋势，在次表面的1/3r～1/2r区域的冷却速度比中心部位的冷却速度低，使得这个区域的淬火组织不如中心部位的组织好，造成冲击功低于中心部位。第三从钢锭凝固的规律分析，在钢锭凝固过程中在倾斜树枝状晶区和等轴晶区之间出现A偏析［1］。A偏析在锭身中部是在距钢锭表面0．38～0．42的钢锭半径位置［1］，是在钢锭的次表面，经过锻造基本对应的是转子的次表面。当冲击试样的缺口处在截断A偏析的位置时，其冲击强度有较大的降低［1］，导致次表面冲击功降低。

3　转子后续修复方案和结果

根据转子材料强度与冲击功相互联系的特性，结合转子现有性能中强度尚有一些高于标准要求，而冲击功距标准要求差距不大的现状。考虑采用补充回火的方式对转子进行挽救，但是修复工作存在回火温度的选择和转子防变形等主要问题，存在产生其它不符合要求的可能。

为保证回火温度的准确，避免出现回火温度提高过多使强度过低的不合格现象和回火温度提高过少产生的强度变化少、冲击功提高少还不合格的现象。采用了在转子上与试验部位相同区域取样进行回火参数试验的办法，找出合适的回火温度。系列回火温度试验结果显示，随着回火温度的提高，强度逐渐有规律的下降，但冲击功并没有明显的规律，但均有不同程度的提高。最后按照强度可满足标准要求的最高回火温度来选择。转子经回火后实际性能结果见表6，性能合格。

表6　转子回火后性能结果Table 6　Mechanical property of rotor after tempering

由于转子已经为交货状态，表面余量很小，并且已经切掉了原热处理时的吊头，无法进行吊挂回火。如何起吊和装炉，防止转子在回火中产生变形也是决定转子能否修复成功的关键。转子加热采用在井式炉中座底的方式，保证转子的加热均匀和受力均匀。起吊用专门设计的吊具完成。结果转子回火后变形很小，满足加工要求。

4　结论

30Cr2Ni4MoV材料的低压转子锻件在性能热处理后出现轴身中部次表面的冲击功降低。导致次表面性能降低的因素除材料自身特性外，淬火冷却特性和钢锭凝固特性是导致冲击功降低的主要原因。控制强度略高于标准要求是获得较高次表面冲击功的办法。

参考文献

［1］康大韬，叶国斌．大型锻件材料及热处理．龙门书局，1998: 52－57．

编辑杜青泉

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Research on Sub-surface Mechanical Properties of Low Pressure Rotor Forgings

Jin Jiayu，Yang Zenggang，Rui ShouTai

Abstract:The reason of reduced sub-surface impact property in the central of 30Cr2Ni4MoV low pressure rotor body has been analyzed．Meanwhile，the solution by means of increasing the tempering temperature has been put forward．

Key words:30Cr2Ni4MoV; low pressure rotor; sub-surface; mechanical property

作者简介:金嘉瑜( 1960—)男，研究员级高级工程师，主要从事大型铸锻件材料及热处理研究。

收稿日期:2015—05—18

文献标志码:B

中图分类号:TG156