張海峰 張國利 滕 毅

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

水力發(fā)電做為“綠色能源”[1]符合當(dāng)今世界電力發(fā)展的趨勢，而且我國水利資源豐富，它的發(fā)展符合我國能源發(fā)展政策和產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策。水輪機(jī)主軸是水輪發(fā)電機(jī)組中關(guān)鍵部件，為了提高發(fā)電效率，水輪發(fā)電機(jī)組越來越大型化，這就對水輪機(jī)主軸材料的性能提出了更高的要求，它既要保證高的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)還要考慮焊接對材料碳當(dāng)量的要求。

目前國內(nèi)水輪機(jī)主軸一般選用的材料為20SiMn或18MnMoNb，其性能已經(jīng)不能滿足某些大型水電站的要求。三峽機(jī)組水輪機(jī)主軸的材料為ASTM A668 CLE級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為此我們對這種新材料進(jìn)行了熱處理參數(shù)的試驗(yàn)研究。以保證該材料在碳當(dāng)量小于0.48%時(shí)也能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對其強(qiáng)度的要求。

1 技術(shù)要求

水輪機(jī)主軸材料ASTM A668 CLE的化學(xué)成分要求見表1，力學(xué)性能要求見表2。

表1 ASTM A668 CLE化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 The chemical composition of ASTM A668 CLE (mass fraction,%)

注：碳當(dāng)量Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15

表2 ASTM A668 CLE力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of ASTM A668 CLE

2 試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)水輪機(jī)主軸技術(shù)條件的要求，我們采用25 kg真空感應(yīng)電爐冶煉試驗(yàn)鋼錠，并經(jīng)過模擬鍛造和模擬鍛后熱處理，測量材料相變臨界點(diǎn)、CCT圖及晶粒長大傾向等材料相關(guān)特性。同時(shí)將材料加工成拉力和沖擊試樣坯料，最后經(jīng)過模擬性能熱處理并進(jìn)行力學(xué)性能檢測。試驗(yàn)流程圖見圖1。材料的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線見圖2。材料晶粒長大傾向試驗(yàn)結(jié)果見圖3。材料的模擬性能熱處理工藝見圖4。材料經(jīng)模擬熱處理后的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

ASTM A668 CLE材料是一種低合金碳素結(jié)構(gòu)鋼，由資料[2]可知，該類型鋼種對應(yīng)的奧氏體化溫度一般選定在T=AC3+30～70℃。根據(jù)材料的相變臨界點(diǎn)測試結(jié)果，我們選定其奧氏體化溫度在880～920℃范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。由材料的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(圖2)可知：ASTM A668 CLE材料經(jīng)水淬后組織為：鐵素體+珠光體+少量貝氏體。由資料[3]可知，金屬材料的強(qiáng)化途徑主要有以下幾個(gè)方面；(1)固溶強(qiáng)化；(2)形變強(qiáng)化；(3)沉淀強(qiáng)化(時(shí)效強(qiáng)化)與彌散強(qiáng)化；(4)細(xì)晶強(qiáng)化。ASTM A668 CLE材料強(qiáng)化類型為細(xì)晶強(qiáng)化。

圖1 試驗(yàn)流程圖Figure 1 The trial flow chart

圖2 ASTM A668 CLE連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線Figure 2 The continuous cooling transformation of ASTM A668 CLE

圖3 ASTM A668 CLE晶粒長大趨勢Figure 3 The grain growth tendency of ASTM A668 CLE

圖4 模擬性能熱處理工藝Figure 4 The simulated performance heat treatment process

Rp0.2/MPaRm/MPaA5(%)Z(%)AkV(0℃)/J工藝A工藝B29034051553532.530.571.073.0142/118191/186

由ASTM A668 CLE材料的晶粒長大傾向試驗(yàn)結(jié)果(圖3)可知：當(dāng)材料的奧氏體化溫度一定時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長，奧氏體晶粒都有不同程度的長大；當(dāng)保溫時(shí)間一定時(shí)，隨著奧氏體化溫度的提高，奧氏體晶粒明顯長大。具體地，當(dāng)奧氏體化溫度≤920℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長，材料奧氏體晶粒變化不明顯；當(dāng)奧氏體化溫度≥930℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長，材料的奧氏體晶粒已經(jīng)明顯長大，并且有一部分奧氏體晶粒已經(jīng)開始異常長大，達(dá)到4級(jí)～3.5級(jí)，這將會(huì)對材料的強(qiáng)度和韌性產(chǎn)生不利的影響，因此，該材料的奧氏體化溫度不應(yīng)該超過920℃。

由ASTM A668 CLE材料的力學(xué)性能結(jié)果(表3)可知：當(dāng)材料的奧氏體化溫度為890℃時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度為290 MPa，未能滿足技術(shù)條件的要求，但材料的抗拉強(qiáng)度、塑性和韌性都已經(jīng)達(dá)到技術(shù)條件的規(guī)定；當(dāng)材料的奧氏體化溫度提高至910℃時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性都明顯提高，分別提高約17%、4%和46%，而且延伸率和斷面收縮率都沒有明顯的降低，此時(shí)，材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)都滿足技術(shù)條件的要求。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能主要有兩個(gè)方面：一方面，由材料晶粒長大傾向試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在這兩個(gè)奧氏體化溫度下，材料的奧氏體晶粒沒有明顯的長大；另一方面，當(dāng)材料的保溫時(shí)間一定時(shí)，隨著淬火溫度的提高，材料中的碳元素以及合金元素分布更加均勻，這增加了過冷奧氏體的穩(wěn)定性[4]，提高了材料的淬透性[5]，使材料的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT)向右移，材料冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織(鐵素體+珠光體+貝氏體)會(huì)更加彌散細(xì)小。因此，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及沖擊韌性會(huì)隨著奧氏體化溫度的提高而提高。由以上分析可知，ASTM A668 CLE材料的熱處理形式可以為：910±10℃淬火+600±5℃回火。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)水淬后，ASTM A668 CLE材料的組織為：鐵素體+珠光體+少量貝氏體；

(2)當(dāng)淬火溫度≥930℃時(shí)，ASTM A668 CLE材料的奧氏體晶粒會(huì)明顯長大，并且會(huì)有一部分晶粒異常長大；

(3)ASTM A668 CLE材料適合的熱處理工藝為：910±10℃淬火+600±5℃回火。

[1] 王平洋.西電開發(fā)與綠色電網(wǎng).電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001，8.

[2] 許天己.鋼鐵熱處理使用技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

[3] 戴超勛.金屬材料學(xué).北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

[4] 戚正風(fēng).金屬熱處理原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[5] 干勇.鋼鐵材料手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.