工業發動機轉子的熱加工工藝優化分析

林路洋

摘要： 本文結合筆者在實驗室對某工業發動機轉子熱處理工藝的實驗，探究轉子熱加工工藝的優化問題，該轉子使用的材料主要為Crl0Co6MoVNb，該材料作為一種新型的馬氏體熱強不銹鋼，應用于某些發動機壓氣機轉子、葉片、密封圈等部件。本文主要從鋼材熱加工參數確定、鍛造成分與雜質的控制、轉子熱處理工藝控制及優化等方面進行轉子熱加工工藝的優化研究與分析，實驗結果表明，優化的轉子加工工藝合理可行，最終鍛造生產的轉子具備良好綜合性能，滿足相關技術要求。

Abstract： This article combines the author′s laboratory experiments on the heat treatment process of an industrial engine rotor to explore the optimization of the rotor thermal processing technology. The material used in the rotor is mainly Crl0Co6MoVNb， which is a new type of martensitic heat-strength stainless steel. It is applied to some parts of engine compressor rotor， blade， sealing ring and so on. In this paper， the optimization research and analysis of the rotor thermal processing technology are mainly carried out from the determination of steel thermal processing parameters， the control of forging components and impurities， and the rotor heat treatment process control and optimization. The experimental results show that the optimized rotor processing technology is reasonable and feasible， and the final forging production The rotor has good comprehensive performance and meets relevant technical requirements.

關鍵詞： 工業發動機轉子;熱加工工藝;工藝優化

Key words： industrial engine rotor;thermal processing technology;process optimization

中圖分類號：U263.14? ?   ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0105-02

0? 引言

Crl0Co6MoVNb是在12%Cr馬氏體鋼的基礎上，添加6%Co、Mo、V、Nb等合金元素強化后的合金材料，相比普通Crl2型鋼，有更高熱強性和熱穩定性，且具有良好耐蠕變性能、較低缺口敏感性。該材料屬于國產化用材，相關生產試制的經驗較少，本次研究選用該材料，也希望能為該材料轉子的熱加工工藝及今后的應用積累一定的經驗。工業發動機轉子需要承受高轉速的工作狀態，為保證其長期使用的安全，本次實驗根據相關工業發動機轉子的運作環境，在設計上對其質量提出了多元的高要求，不允許轉子存在當量直徑≥2mm的連續缺陷信號、游動缺陷信號，允許存在2-4mm的分散缺陷，但相鄰缺陷的距離應不小于較大缺陷的7倍，要求單個分散缺陷當量直徑、數量不超過材料化學成分允許的最大偏差量，要求應力較大區域內不允許存在當量直徑>3mm的單個缺陷和當量直徑≥2mm的密集缺陷信號?？梢钥闯?，該轉子鍛件的熱處理等工作難度都很大，為此本實驗從多方面采取措施，以控制轉子熱加工的質量，以期滿足以上技術要求。

1? 鋼材熱加工相關參數的確定及工藝優化的探索

為保證材料獲得細小晶粒、優良性能，需要確定合適的鍛造溫度并合理的控制鍛造比;為例防止加熱時胚料受過大應力而開裂，需要合理控制裝爐溫度、升溫速度;為保證鋼錠心部均勻透燒，沒有粗大組織，需要合理控制加熱溫度、保溫時間。鍛造后及時退火，從而消除殘余應力、加工硬化，防止鋼錠開裂。

1.1 鍛造溫度范圍的確定? 加熱溫度作為熱加工的重要參數，需要合理確定以能保證金屬材料在其溫度范圍內形成較高塑性、較小變形抗力，使鍛件獲得加工所需的組織與性能。因此在初始階段，可適當將鍛造溫度的范圍放寬，以便減少加工火次，降低加工能耗，提高生產率，還能使操作更方便。常利用合金相圖、抗力圖和塑性圖等通過綜合分析，結合實操經驗來確定和修改鍛造溫度的范圍。合金鋼的始鍛溫度，相比鐵-碳相固相線溫度一般低150～250℃;合金鋼終鍛溫度一般受再結晶溫度、合金元素影響明顯，若再結晶溫度更高，或合金元素更多，則鍛造溫度的范圍將更窄。

1.2 裝料時爐溫的計算? 高合金鋼在低溫時的塑性相對較低，容易因溫度應力較大而導致胚料開裂，尤其對于斷面較大的鋼錠而言，首先應將其裝入低溫爐，按照坯料斷面的最大允許溫差確定裝爐的溫度，然后根據加熱溫度應力理論進行分析，結合許用應力[δ]、彈性模量E、線性膨脹系數β等數據，計算出圓柱體胚料中心和胚料表面的最大允許溫差Δt，計算公式為：。在按照不同熱阻環境下最大允許溫差和允許裝料爐溫的相關理論，計算出變化曲線，最終確定該材料最高裝爐溫度為600-650℃。

1.3 加熱速度的計算? 該型鋼的加熱工作在車爐上進行，需根據加熱時坯料表面與胚料中心的最大允許溫差，結合許用應力[δ]、熱導系數α、彈性模量E、線性膨脹系數β、胚料半徑R等參數來確定圓柱體坯料的最大允許加熱速度C，計算公式為：。由于本次實驗該鋼的導熱性差，胚料的斷面尺寸較大，因此800℃以下需控制加熱速度的范圍為60～80℃/h，而高溫階段，由于金屬塑性已得到提高，可采用最大速度進行加熱。

1.4 保溫時間的計算? 需根據鍛件對質量及生產效率等方面的要求，來確定保溫時間，始鍛時保溫時間的確定尤為重要。使鋼坯斷面溫差能達到規定均勻程度需要的最短保溫時間稱為最小保溫時間，高合金鋼斷面溫差一般要求小于40℃。根據相關鋼材的鍛造經驗，確定該鋼最小保溫時間為60分鐘，可適當延長。保溫時間過長易使合金過熱，一般而言高合金鋼最長時間應控制為每毫米長度0.4-0.6分鐘。

1.5 退火制度的摸索? 實驗選取規格相同的試驗鋼10件，在試驗室內進行退火工藝的摸索試驗，保溫時間均設置為30分鐘，保溫溫度分別設置為670℃、700℃、720℃、750℃、790℃，進行隨爐冷卻與退火試驗，技術要求硬度指標應≤277HBS。而試驗表明，該型鋼在720±10℃范圍內去應力退火后的硬度值為256HBS-258HBS，數值較為穩定，符合技術要求。

2? 熱加工過程中對制造質量的控制分析

此轉子對化學成分的偏差要求很高，因此需要嚴格控制制造過程中的有害氣體含量、夾雜物：

2.1 對化學成分的控制? 在冶煉之前，要選擇優質的鋼材，本次采用的材料為80%以上的汽車板廢鋼，并保證材料化學成分在控制范圍內，采用EBT電弧爐進行加工前，應提前進行造渣除P處理，應保證出鋼前鋼液P質量分數≤0.005%，冶煉時嚴禁氧化渣進入精煉包;進行精煉爐合金化處理時，應分批量加入質量合理的合金材料，隨時補添渣料，以保障還原渣有良好流動性。具體的成分控制標準如表1。

2.2 對有害氣體含量的控制? 應強化精煉爐還原處理，在合金化處理完成后，繼續添加脫氧材料，以保持白渣，持續保持適應應大于20分鐘;真空處理時，應保證在真空大氬氣環境下持續20-40分鐘，真空處理后應保證氣體含量滿足相對應的含量要求;進行真空澆注時，應保證中間包開澆VC真空度處于67Pa以下，進行錠身澆注時應保證真空度處于100Pa以下。

2.3 對夾雜物的控制? 對各原材料和冶金附具進行嚴格檢查，避免材料及器具攜帶外來夾雜物;精煉過程中，應隨時觀測氬氣狀況，合適的調整氬氣的流量，避免鋼液裸露;減少鋼液對澆包的沖刷;在真空澆注前，應將鋼水通入中間包，鎮靜5-7分鐘，以使夾雜物充分上浮。

3? 轉子熱加工工藝的優化與控制分析

①鍛造加熱的控制與優化。由于轉子超聲波檢測級別較高，所以鍛造時需盡量采取合理措施來盡可能減少焊合的缺陷和鑄造組織，為后續轉子工件熱處理做好準備。具體而言，為了給降低焊合內部的缺陷制造有利條件，需要適當提升鐓粗前鋼錠的加熱溫度和保溫時間，一般需要將保溫時間延長至正常時間的1.5-2倍;加熱過程中，需要定時觀察鋼錠加熱是否均勻，必要時需調整溫度以保證鋼錠被均勻加熱。②鍛造變形的控制與優化。本次成形采用“兩鐓兩拔”的工序。進行鐓粗時，為充分焊合，減少鋼錠內部的缺陷，打碎其=鋼錠鑄態組織，改變鋼錠夾雜物分布狀態，需要保證每次鐓粗的變形程度>50%;進行拔長時，可采用WHF等工藝，需嚴格控制鋼錠拔長的砧寬比在0.6-0.8范圍內，控制單砧壓下率在18%-20%，每次拔長的拔長比應>2.5，總鍛造的拔長應達5.8，從而保證胚料心部有壓應力且變形量充足。③鍛后熱處理的控制與優化。根據確定的相關參數進行鍛后熱處理工作，目的在于消除鍛造產生的應力，調整、改善鍛造時形成的粗大組織，消除白點等問題。熱處理工藝流程及溫度控制標準如圖1。④轉子調質工藝的控制與優化。具備良好力學性能，才能轉子正常工作。為得到技術所需的力學性能，必須使大型轉子鍛件在淬火時沿整個截面淬透，使鍛件獲得馬氏體組織，必須使用激冷或深層淬火等技術，提升短劍信不冷卻速度;正火處理后轉子心部的組織若不能滿足低脆性轉變溫度、高屈服強度等要求，需要采取水冷、油冷等技術，但由于水淬、油冷很難保證不同截面擁有相同的冷卻速度，易出現開裂，因此需采取一定措施來優化轉子水淬油冷工藝，如將右端直徑小的軸頸進行大直徑加工，將所有直角進行圓角加工，以避免出現較大直徑差，減少局部應力集中的問題。⑤轉子殘余應力的控制。由于轉子承受很大縱向、徑向及切向的應力，轉子齒根部位受較大拉應力，尤其中心孔壁受極大切向拉應力，該工作條件要求調質后轉子殘余應力應小于等于屈服強度的10%，因此需要采用相比調質回火溫度更低的溫度來消除應力。

4? 試制結果及分析

對鍛后鋼材進行檢測，低倍組織中的一般疏松、中心疏松為0級，方型偏析為0.5級，沒有斷口缺陷，室溫下鋼的各項機械性能均能滿足轉子制造需求，超聲波探傷顯示成品材料達到相關要求。根據相關的技術規范與要求對轉子鍛件進行超聲波檢測，未發現超標缺陷，轉子調質后，對其不同部位進行檢測，顯示各項力學性能符合設計要求，轉子殘余應力也符合技術要求。

5? 結束語

綜上所述，本次實驗通過多種措施，保證了材料的質量和轉子熱加工后的各方面性能，使其能滿足相應的工況環境。也表明了本次對轉子熱加工的優化試驗，取得了一定程度上的成功，主要通過嚴格控制材料加工參數，控制轉子化學成分、有害氣體及夾雜物，優化相關工藝，來提升了轉子產品的性能，保證了轉子在后續工作中擁有較好的力學性能。

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