CN106086360A - 一种工业汽轮机转子锻件的热处理方法 - Google Patents

一种工业汽轮机转子锻件的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工业汽轮机转子锻件的热处理方法，包括预备热处理和调质处理，预备热处理包括正火和回火，调质热处理包括淬火和回火，调质处理的淬火采用阶梯加热方式升温，冷却采用水冷和油冷组合的冷却方式，回火降低回火温度和冷却速度。该工业汽轮机转子锻件的热处理方法工艺更合理，可处理大直径工业汽轮机转子锻件且使其获得的强度达到670MPa等级，强韧性配合更好，进而提高工业汽轮机组效率。

Description

一种工业汽轮机转子锻件的热处理方法
技术领域
本发明涉及工业汽轮机转子锻件产品技术生产领域，尤其涉及一种强度要求高的大直径工业汽轮机转子锻件的热处理方法。
背景技术
随着能源紧张和环保压力的日益突出，使得工业汽轮机单机容量不断提高，同时对机组效率的要求越来越高，而工业汽轮机转子工作时转速高、受力条件复杂，工作环境恶劣，因此对工业汽轮机转子锻件质量要求高，需要较好的强韧性。对于工业汽轮机用大直径转子锻件，如工业汽轮机转子锻件直径D大于900mm时，为了保证锻件的淬透性，通常选用中碳中合金钢30CrMoNiV作为其材质。此外，转子锻件生产时需要经过热处理保证其强韧性，但是采用常规的热处理方法得到的强度为550MPa等级，而为了适应市场竞争，实现降本增效，提高机组效率，需要提高工业汽轮机转子锻件强度，有必要使其强度达到670MPa等级，然而现有的热处理方法无法达到这个要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种强度要求高的大直径工业汽轮机转子锻件的热处理方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种工业汽轮机转子锻件的热处理方法，包括以下步骤：
(1)、预备热处理：
a)正火：将工业汽轮机转子锻件在热处理炉中升温加热，加热至900～920℃保温，保温时间为工业汽轮机转子锻件直径D*2h/100mm，出炉空冷；
b)回火：将工业汽轮机转子锻件在热处理炉中升温加热，加热至280～320℃保温10h，再以＜45℃/h的加热速度升温至640～660℃保温，保温时间为工业汽轮机转子锻件直径D*3h/100mm，保温结束后，随炉冷却至≤200℃，出炉空冷至室温；
(2)、调质处理：
a)淬火：将工业汽轮机转子锻件在热处理炉中升温加热，加热至940～950℃保温，保温时间为工业汽轮机转子锻件直径D*2h/100mm，保温结束后出炉先快速吊入初始水温为10～25℃的水中冷却，水冷时间12-22min，再吊入初始油温为10～25℃的油中冷却，油冷时间180-360min。
b)回火：将工业汽轮机转子锻件在热处理炉中升温加热，加热至300～350℃保温12h，再以＜45℃/h的加热速度升温至660～670℃保温，保温时间为工业汽轮机转子锻件直径D*4h/100mm，保温结束后，先随炉冷却至≤200℃，冷却速度＜15℃/h，再出炉空冷至室温。
上述预备热处理中的正火使工业汽轮机转子锻件内部组织达到或者接近平衡状态并且组织均匀细小，正火后进行回火降低工业汽轮机转子锻件的硬度，正火和回火配合为调质处理做组织准备；调质处理淬火采用先水冷后油冷的方式，水冷是为了获得较快的冷却速度，快速到达马氏体转变温度得到较多马氏体组织，之后油冷，因为油冷比水冷的冷却速度慢很多，有效的减缓组织转变速度，使得组织应力减小，可防止工业汽轮机转子锻件产生淬火裂纹；再通过高温回火，马氏体和残余奥氏体的分解以及渗碳体的聚集长大和α相的再结晶，可获得细小均匀的回火索氏体组织，消除工业汽轮机转子锻件的组织应力，增加韧性调整强度，使其具有较好的综合机械性能。
作为本发明工业汽轮机转子锻件的热处理方法的进一步补充技术方案，
上述正火升温加热采用阶梯升温方式：从室温升温至250～320℃保温6h,再以＜60℃/h的加热速度升温到700～720℃保温3h，再快速加热到900～920℃；上述淬火升温加热采用阶梯升温方式：从室温升温至250～320℃保温2h，再以＜50℃/h的加热速度升温至700～720℃保温2h，然后再以＜60℃/h的加热速度升温到940～950℃。实践证明阶梯加热的方式能避免锻件加热过快导致淬火后残余应力叠加可能带来锻件缺陷扩展甚至开裂等问题。
上述淬火阶段水冷前5分钟，工业汽轮机转子锻件动态冷却并不断的注入清水同时搅拌控制水升温不超过10℃；所述水冷时用红外线测温仪监测工业汽轮机转子锻件的表面温度。动态冷却指工业汽轮机转子锻件在水中上下来回运动的方式，这样能达到加快冷却速度的目的，能在尽可能短的时间内是温度降低到马氏体转变区温度，采用红外线测温仪监测锻件的表面温度能准确控制工业汽轮机转子锻件内部组织马氏体转变温度，控制水冷和油冷的时间界限。
为方便工业汽轮机转子锻件的进炉与出炉上述预备热处理采用台式热处理炉；为防止工业汽轮机转子锻件弯曲、变形，提高其同心度，上述调质处理采用井式热处理炉。
上述工业汽轮机转子锻件轴身直径D大于900mm。
上述工业汽轮机转子锻件材质为30CrMoNiV，其具体化学成分为C：0.28～0.34％，Si：≤0.30％，Mn：0.30～0.80％，P：≤0.012％，S：≤0.012％，Cr：1.10～1.40％，Ni：0.50～0.75％，Mo：0.80～1.20％，V：0.25～0.35％，Cu：≤0.20％，Al：≤0.01％，其余为Fe。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
1、本发明工业汽轮机转子锻件的热处理方法中调质处理的淬火冷却阶段采用先水冷后油冷的方式，在水冷阶段前5min采用动态冷却并注入水同时搅拌的方法提高冷却速度，水冷的同时用红外线测温仪检测表面温度，使工业汽轮机转子锻件的温度快速降低至马氏体转变区温度并严格控制水冷与油冷的时间界限；进入马氏体转变区温度后，油冷降低其冷却速度，充分保证了锻件的淬火效果，获得较多的马氏体组织，同时减少了组织应力及热应力；调质处理的回火阶段，适当降低了回火温度和回火后的冷却速度，在提高了锻件的强度的同时保证了韧塑性，并能有效减少锻件的残余应力。
2、本发明工业汽轮机转子锻件的热处理方法预备热处理采用正火与回火方式，正火可以使工业汽轮机转子锻件得到更均匀细小的组织，正火与回火配合的方法可以细化晶粒和改善材料内部组织，降低残余应力，降低硬度改善切削加工性能，为粗加工和调质处理打下良好的基础
3、本发明工业汽轮机转子锻件的热处理方法正火和淬火阶段采用阶梯加热的方式，避免加热过快导致淬火后残余应力叠加可能带来锻件缺陷扩展甚至开裂等问题。
附图说明
图1是本发明工业汽轮机转子锻件示意图；
图2是本发明工业汽轮机转子锻件预备热处理工艺图；
图3是本发明工业汽轮机转子锻件调质处理工艺图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对发明的技术方案做进一步说明和描述。
实施例1：
本实施例中工业汽轮机转子锻件如图1所示轴身直径D为1000mm，材质为30CrMoNiV，具体化学成分为C：0.28～0.34％，Si：≤0.30％，Mn：0.30～0.80％，P：≤0.012％，S：≤0.012％，Cr：1.10～1.40％，Ni：0.50～0.75％，Mo：0.80～1.20％，V：0.25～0.35％，Cu：≤0.20％，Al：≤0.01％，其余为Fe。
本实施例中工业汽轮机转子锻件的热处理方法包括下面步骤：
(1)、预备热处理(如图2所示)：
a)正火：将工业汽轮机转子锻件在台式热处理炉中采用阶梯加热方式升温加热，从室温升温至250～320℃保温6h，再以＜60℃/h的加热速度升温至700～720℃保温3h，再快速加热到900～920℃保温20h，保温结束后出炉空冷；
b)回火：将工业汽轮机转子锻件在台式热处理炉中升温加热，在280～320℃时保温10h，再以＜45℃/h的加热速度加热升温至640～660℃保温30h，保温结束后随炉冷却至≤200℃，再出炉空冷至室温；
(2)、调质处理(如图3所示)：
a)淬火：将工业汽轮机转子锻件在井式热处理炉中采用阶梯加热方式升温加热，从室温升温至250～320℃保温2h，再以＜50℃/h加热速度升温至700～720℃保温2h，再以＜60℃/h加热速度加热到940～950℃保温20h，使工业汽轮机转子锻件完成奥氏体转变，保温结束后出炉快速放入初始温度为10～25℃的水中冷却，水冷前5分钟，使工业汽轮机转子锻件上下来回运动并不断的注入清水同时搅拌控制水升温不超多10℃，用红外线测温仪监测工业汽轮机转子锻件的表面温度，水冷14min时进入马氏体转变区温度，将工业汽轮机转子锻件放入初始温度为10～25℃冷却油中冷却，冷却210min。
b)回火：将工业汽轮机转子锻件在井式热处理炉中升温加热，加热到300～350℃保温12h，再以＜45℃/h加热速度升温，在660～670℃保温40h，保温结束后，以＜15℃/h的冷却速度随炉冷却至≤200℃，出炉空冷至室温。
实施例2：
本实施例中工业汽轮机转子锻件如图1所示轴身直径D为1100mm，材质为30CrMoNiV，与实施例1中的化学成分相同。本实施例中工业汽轮机转子锻件的热处理方法包括下面步骤：
(1)、预备热处理(如图2所示)：
a)正火：将工业汽轮机转子锻件在台式热处理炉中采用阶梯加热方式升温加热，从室温升温至250～320℃保温6h，再以＜60℃/h的加热速度升温至700～720℃保温3h，再快速加热到900～920℃保温22h，保温结束后出炉空冷；
b)回火：将工业汽轮机转子锻件在台式热处理炉中升温加热，在280～320℃保温10h，再以＜45℃/h的加热速度加热升温至640～660℃保温33h，保温结束后，随炉冷却至200℃以下，再出炉空冷至室温；
(2)、调质处理(如图3所示)：
a)淬火：将工业汽轮机转子锻件在井式热处理炉中采用阶梯加热方式升温加热，从室温升温至250～320℃保温2h，再以＜50℃/h加热速度升温至700～720℃保温2h，再以＜60℃/h加热速度加热到940～950℃保温22h，使工业汽轮机转子锻件完成奥氏体转变，保温结束后出炉快速放入初始温度为10～25℃的水中冷却，水冷前5分钟，使工业汽轮机转子锻件上下来回运动并不断的注入清水同时搅拌控制水升温不超多10℃，用红外线测温仪监测工业汽轮机转子锻件的表面温度，水冷16min时进入马氏体转变区温度，将工业汽轮机转子锻件放入初始温度为10～25℃冷却油中冷却，冷却240min。
b)回火：将工业汽轮机转子锻件在井式热处理炉中升温加热，加热到300～350℃保温12h，再以＜45℃/h加热速度升温至660～670℃保温44h，保温结束后，以＜15℃/h冷却速度随炉冷却至200℃以下，再出炉空冷至室温。
实施例3：
本实施例中工业汽轮机转子锻件如图1所示轴身直径D为1300mm，材质为30CrMoNiV，与实施例1中的化学成分相同。本实施例中工业汽轮机转子锻件的热处理方法包括下面步骤：
(1)、预备热处理(如图2所示)：
a)正火：将工业汽轮机转子锻件在台式热处理炉中采用阶梯加热方式升温加热，从室温升温至250～320℃保温6h，再以＜60℃/h的加热速度升温至700～720℃保温3h，再快速加热到900～920℃保温26h，保温结束后出炉空冷；
b)回火：将工业汽轮机转子锻件在台式热处理炉中升温加热，在280～320℃保温10h，再以＜45℃/h的加热速度加热升温至640～660℃保温39h，保温结束后随炉冷却至200℃以下，再出炉空冷至室温；
(2)、调质处理(如图3所示)：
a)淬火：将工业汽轮机转子锻件在井式热处理炉中采用阶梯加热方式升温加热，从室温升温至250～320℃保温2h，再以＜50℃/h加热速度升温至700～720℃保温2h，再以＜60℃/h加热速度加热到940～950℃保温26h，使工业汽轮机转子锻件完成奥氏体转变，保温结束后出炉快速放入初始温度为10～25℃的水中冷却，水冷前5分钟，使工业汽轮机转子锻件上下来回运动并不断的注入清水同时搅拌控制水升温不超多10℃，用红外线测温仪监测工业汽轮机转子锻件的表面温度，水冷20min时进入马氏体转变区温度，将工业汽轮机转子锻件放入初始温度为10～25℃冷却油中冷却，冷却时间270min。
b)回火：将工业汽轮机转子锻件在井式热处理炉中升温加热，加热到300～350℃保温12h，再以＜45℃/h加热速度升温至660～670℃保温52h，保温结束后，以＜15℃/h冷却速度随炉冷却至200℃以下，再出炉空冷至室温。
对比例：
为了说明本发明的工业汽轮机转子锻件的热处理方法与现有技术的相比的优点，现做如下对比例：
对比例1’与实施例1，对比例2’与实施例2，对比例3’与实施例3的工业汽轮机转子锻件直径D、材质和预备热处理工艺分别相同，对比例中工业汽轮机转子锻件采用常规调质处理方法，淬火不采用阶梯加热方式，淬火只采用油冷，淬火冷却速度慢，锻件淬透效果不理想，此外贝氏体形成较多，为保证韧、塑性指标，尽管在较高的温度下回火，但强度和韧、塑性还是均低。
对实施例1-3和对比例1’-3’热处理的工业汽轮机转子锻件进行性能测试，其中冲击吸收功测试时，每个实例的试块上取了三个试样，对应三个冲击值，测试结果如下表1，从表中可以看出，本发明工业工业汽轮机转子锻件热处理方法制备的产品强度、塑性、韧性均明显优于对比例产品，强度达到了670MPa等级的要求，充分说明了本发明方法显著的优越性。
表1实施例与对比例产品的测试数据对比
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种工业汽轮机转子锻件的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、预备热处理：
a)正火：将工业汽轮机转子锻件在热处理炉中升温加热，加热至900～920℃保温，保温时间为工业汽轮机转子锻件直径D*2h/100mm，出炉空冷；
b)回火：将工业汽轮机转子锻件在热处理炉中升温加热，加热至280～320℃保温10h，再以＜45℃/h的加热速度升温至640～660℃保温，保温时间为工业汽轮机转子锻件直径D*3h/100mm，保温结束后，随炉冷却至≤200℃，出炉空冷至室温；
(2)、调质处理：
a)淬火：将工业汽轮机转子锻件在热处理炉中升温加热，加热至940～950℃保温，保温时间为工业汽轮机转子锻件直径D*2h/100mm，保温结束后出炉先快速吊入初始水温为10～25℃的水中冷却，水冷时间12-22min，再吊入初始油温为10～25℃的油中冷却，油冷时间180-360min；
b)回火：将工业汽轮机转子锻件在热处理炉中升温加热，加热至300～350℃保温12h，再以＜45℃/h的加热速度升温至660～670℃保温，保温时间为工业汽轮机转子锻件直径D*4h/100mm，保温结束后，先随炉冷却至≤200℃，冷却速度＜15℃/h，再出炉空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的工业汽轮机转子锻件的热处理方法，其特征在于，所述正火升温加热采用阶梯升温方式：从室温升温至250～320℃保温6h,再以＜60℃/h的加热速度升温到700～720℃保温3h，再快速加热到900～920℃；所述淬火升温加热采用阶梯升温方式：从室温升温至250～320℃保温2h，再以＜50℃/h的加热速度升温至700～720℃保温2h，然后再以＜60℃/h的加热速度升温到940～950℃。
3.根据权利要求1所述的工业汽轮机转子锻件的热处理方法，其特征在于，所述淬火阶段水冷前5分钟，工业汽轮机转子锻件动态冷却并不断的注入清水同时搅拌控制水升温不超过10℃；所述水冷时用红外线测温仪监测工业汽轮机转子锻件的表面温度。
4.根据权利要求1所述的工业汽轮机转子锻件的热处理方法，其特征在于，所述预备热处理采用台式热处理炉；所述调质处理采用井式热处理炉。
5.根据权利要求1-4任一项所述的工业汽轮机转子锻件的热处理方法，其特征在于，所述工业汽轮机转子锻件轴身直径D＞900mm。
6.根据权利要求5所述的工业汽轮机转子锻件的热处理方法，其特征在于，所述工业工业汽轮机转子锻件材质为30CrMoNiV。
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