文/王明哲，張軍峰，任文，李宏柏，劉強強·太原重工股份有限公司

飛輪體作為主循環鈉泵電機上的關鍵鍛件，材質為25Cr2Ni4MoV，其對超聲波探傷及力學性能的要求非常高。通過對冶煉、鍛造、熱處理各工序工藝的優化與控制，力學性能滿足了技術要求，驗證了冶煉、鍛造、熱處理等工藝的合理性和可行性。

600MW 示范快堆核電工程是國際領先的四代核電技術示范工程，也是我國目前在建的重點核能項目。飛輪體鍛件主要用于600MW 示范快堆工程機組一回路鈉泵電機的輔助電機中，是輔助電機的重要部件，可以在電廠失去電源的情況下正常工作，為堆芯帶走熱量。

飛輪體鍛件材質為25Cr2Ni4MoV，其對超聲波探傷及力學性能的要求非常高。該鍛件技術含量高，產品附加值高，市場潛力大。

技術要求

化學成分要求

材料的化學成分要求見表1。為保證鍛件具有良好的綜合力學性能，提高鋼水的純凈性，鋼錠采用堿性電爐冶煉+精煉爐精煉+下注的方法制造而成，鋼中的Cr、Ni、Mo 為提高鋼的淬透性的元素，這些元素控制在規范要求的上限；冶煉過程中控制P ≤0.015%、S ≤0.010%。

表1 化學成分要求(質量分數/%)

力學性能要求

調質熱處理后，取樣的具體位置及數量見圖1 和表2，力學性能要求見表3。

表2 取樣位置

圖1 取樣圖

調質完畢，硬度合格后，截取S1 自檢應力環做殘余應力分析。殘余應力合格后，在P2 軸向試樣區套取試棒，自檢軸向力學性能。在S1 切向自檢區，按試樣分布示意圖截取試樣，檢切向力學性能，同時做晶粒度分析。套取P2、P3 軸向試棒，做一拉一沖試驗。

在P1 試樣區，按試樣分布示意圖截取試樣，分別做徑向拉伸、沖擊試驗；截取431 ～438 試塊做落錘試驗；截取441 ～446 試塊做斷裂韌性試驗；截取351 試棒做H 含量分析及成品分析。

超聲檢測要求

飛輪體鍛件調制完畢，并經粗加工后對鍛件進行百分百的超聲檢測。超聲檢測結果符合標準JB/T 1269-2014 中5.3 的要求，具體見表3。

表3 性能要求

制造工藝

飛輪體的制造工藝流程為：堿性電爐冶煉→精煉爐精煉→真空處理→大氣澆注→鍛造→預備熱處理→粗加工→超聲檢測→性能熱處理→取樣→力學性能檢驗。

冶煉與鑄錠

原材料：原材料精選本廠優質返回廢鋼和優質生鐵。要求殘余元素滿足工藝要求，防止Sn、As、Bi、Sb 等元素超標。

電爐粗煉鋼水：采用深度吹氧去P 技術，去除鋼水中的有害元素。鋼水出鋼前，嚴格控制電爐鋼水中P 的含量，保證P ≤0.007%。

鋼包精煉：使用硅鈣粉作為強脫氧劑和碳粉、硅鐵粉等弱脫氧劑搭配擴散脫氧，保持還原氣氛，達到脫氧脫硫、去夾雜的目的。底吹Ar 真空除氣時，確?？刂朴行д婵斩炔淮笥?7Pa，有效真空時間不小于20 分鐘，達到真空除氣的效果。吊包之前進行軟攪拌，要求攪拌時間不小于10 分鐘。

澆注：采用大氣澆注方法，澆注過程采取保護澆注措施，嚴格按照工藝規定的脫模時間進行脫模。

鍛造成形

應用鍛造數值模擬軟件Forge 對飛輪體進行鍛造鐓粗模擬分析，得到最佳的鍛造變形工藝參數。

鐓粗過程中用頂鐓帽對鋼錠進行了鐓粗。經過鍛造數值模擬后發現，當鐓粗變形率達到80%時，在鍛件的縱向剖面上，鍛造變形的等效應變不均勻(圖2）。剖面中間位置小，而兩側位置的數值大，最小等效應變的數值為0.9，最大等效應變數值已經達到了2.2。鍛件內部的等效應力也達到了40MPa(圖3）。整個剖面的變形非常不均勻，等效應變大的區域恰好對應的是鋼錠的V 型偏析區，這個區域材料的質量本來就不好，再加上變形非常大，因此容易出現裂紋，造成超聲波探傷不合格。當鐓粗變形率達到60%時，等效應變大的區域在鍛件的中間區域，最大等效應變為1.4。而在V 型偏析區，最大等效應變為1.0，等效應變較小，不容易出現裂紋。從鐓粗變形率來看，當鐓粗變形率達到60%時，鍛造變形最佳，不容易出現裂紋。

圖2 鐓粗變形率為80%的等效應變圖

圖3 鐓粗變形率為80%的等效應力圖

另外，從鍛造鐓粗損傷來看，當鐓粗至80%時，鍛件外表面的損傷值已經達到了0.6(圖4），這就意味著，鍛件表面容易開裂。當鐓粗至60%時，鍛件外表面的損傷值已經達到了0.25(圖5）。

圖4 鐓粗變形率為80%的損傷圖

圖5 鐓粗變形率為60%的損傷圖

結合飛輪體鍛造數值模擬情況，制定飛輪體鍛造工藝。將鋼錠加熱至1240℃分三火次進行鍛造。鋼錠經過壓鉗口、倒棱、切底端后進行鍛造變形。鍛造變形采用兩次鐓粗、一次拔長，綜合鍛造比達到7.5。鐓粗鍛造比大于2.5，為了防止鋼錠的A 型偏析區撕裂產生裂紋，采用砧寬為850mm 的平砧進行雙面輾壓，每錘的壓下量控制在坯料高度的20%左右。鍛造拔長過程中，采用850mm 寬的上下平砧，采用寬砧強壓法拔長，每一道次的鍛造壓下量為坯料高度的20%。搭接量為200mm，每道次拔長完畢后，將坯料翻轉90°，為避免漏壓區域，錯半砧，壓下一道次。

預備熱處理

由于飛輪體材料為25Cr2Ni4MoV 鋼，具有明顯的組織遺傳性，正火后得到非平衡組織，因此鍛后熱處理工藝(鍛后熱處理工藝見圖6）采用一次高溫正火，一次過冷，以便切斷組織遺傳，細化晶粒。正火溫度采用840 ～860℃，用鼓風機吹鍛件大身，待鍛件表面冷至280 ～320℃時，將轉子在280 ～320℃保持8 ～11 小時，保證轉子心部也降到貝氏體轉變溫度之下，以完成組織轉變。隨后以每小時40℃的標準進行升溫，溫度在640 ～660℃時保持15 ～21小時進行擴氫處理。

圖6 飛輪體鍛件鍛后熱處理工藝

性能熱處理

由于飛輪體力學性能要求很高，要求軸向沖擊達到KV2 ≥41J，軸向取樣深度深，不容易達到。切向要求落錘試驗，無塑性轉變溫度NDTT 不高于～12.2℃。切向要求做斷裂韌性試驗，要求應力強度KIC 不低于165MPam1/2。因此熱處理時，采取直接水冷的方式，使鍛件淬火得到下貝氏體組織，以滿足鍛件性能要求。具體熱處理工藝如圖7 所示。

圖7 飛輪體鍛件性能熱處理工藝

將飛輪體加熱至860℃完全奧氏體化后，保溫3h后，先空冷1.5 分鐘后，再水冷16 ～19 分鐘，使鍛件得到下貝氏體組織。淬火完成后，在590 ～610℃回火，使鍛件得到索氏體組織。

結果分析

超聲檢測

調質熱處理完畢并對飛輪體鍛件進行機加工后，按照ASTM A388 方法對鍛件表面進行百分百的超聲檢測，未發現當量直徑大于φ4mm 的單個缺陷以及連續密集缺陷，結果符合JB/T 1269-2014 標準。

力學性能結果

按照性能熱處理工藝，飛輪體各項力學性能指標達到了技術要求，取得了滿意的效果，具體詳見表4。

表4 力學性能結果

結論

⑴用單真空鋼錠制定的材料為25Cr2Ni4MoV 的飛輪體鍛件化學成分、力學性能均能滿足技術要求。

⑵材料為25Cr2Ni4MoV 的飛輪體鍛件的軸向、徑向、切向強度偏差較小，說明材料的各向異性相差小，進一步驗證了鑄錠、鍛造、熱處理等工藝的合理性和可行性。

王明哲

熱加工工藝研究所工藝研究員，工程師，主要從事鑄鍛件基礎工藝研究工作，重點參與4MW 風機軸、30Cr2Ni2Mo 材料熱處理新工藝研究、電動機轉軸制造工藝改進等項目攻關。

——文章選自《鍛造與沖壓》2022年第17期