CN115740314A - 一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺 - Google Patents

一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺，包括以下步骤：S1.锻前处理：将钢锭以100~150℃/h速率加热到760~800℃保温5‑6小时，随后以80~100℃/h速率加热到1270~1280℃保温10‑12小时；S2.将加热好的钢锭取出，进行自由锻造，终锻温度为1050~1080℃，锻造比（5~6）:1；S3.采用感应线圈加热，将S2锻造完成后的锻件控制冷却速度为40~50℃/h冷却至980~1000℃后，准备进行二次锻造；S4.对S3准备好的锻件进行二次锻造，终锻温度为800~850℃，锻造比（1.5~2）:1。本发明能够减少大型锻件的内氢含量，提高抗裂性能。

Description

一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺
技术领域
本发明涉及一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺，属于大型锻件制造技术领域。
背景技术
大型锻件制造业作为我国电力、船舶、冶金、石化、重型机械和国防等基础工业，经过60多年的重点建设，完成了向大型铸锻件生产大国的转变，部分产品已达到或接近国际标准，但与发达国家相比还有很大差距。因此，提高锻件质量，降低生产成本、研制高可靠性的重型装备已成为中国制造业的主要发展目标之一。
对于大型锻件来说，氢是一种有害元素。无论是在加工制备过程中(如冶炼、浇铸、焊接、锻造等)，还是在服役过程中(如高温高压条件下、酸性水溶液环境中，富氢环境中等)，都会有氢元素的进入。高浓度的氢会导致锻件材料性能的退化，降低材料的使用性能。同时，当锻件内存在缺陷时，氢又会聚集于缺陷中，大量的氢富集会产生白点、氢致马氏体、氢致滞后开裂等各种不可逆氢损伤。萌生白点的大型锻件在使用过程中，会大大降低锻件的机械性能，导致大型锻件在使用过程中突然发生断裂，发生安全事故。一旦发现锻件中有白点缺陷，锻件应立即报废，这给国家和企业造成了巨大的经济损失。此外，大型锻件为了保障锻后不发生氢致开裂或氢损伤，需要进行锻后正火及扩散去氢退火，来实现去氢、细化晶粒、均匀组织和消除内应力的目的，该过程需要的时间很长，大多需数周、甚至长达1～2月才能达到目的，使得整个工艺流程冗长，能源消耗严重。
综上所述，本领域技术人员亟需开发一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺。
发明内容
本发明旨在提供一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺，能够减少大型锻件的内氢含量，提高抗裂性能，提高锻件强度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺，包括以下步骤：
S1.锻前处理：将钢锭以100～150℃/h速率加热到760～800℃保温5-6小时，随后以80～100℃/h速率加热到1270～1280℃保温10-12小时；
S2.将加热好的钢锭取出，进行自由锻造，始锻温度为1270～1280℃，终锻温度为1050～1080℃，锻造比(5～6):1；
S3.采用感应线圈加热，将S2锻造完成后的锻件控制冷却速度为40～50℃/h冷却至980～1000℃后，准备进行二次锻造；
S4.对S3准备好的锻件进行二次锻造，始锻温度为980～1000℃，终锻温度为800～850℃，锻造比(1.5～2):1；
S5.采用感应线圈加热，将S4锻造完成后的锻件控制冷却速度为60～80℃/h冷却至600～630℃后，准备进行表面精整成形；
S6.将S5准备好的锻件进行表面精整成形，精整成形表面压下量0.1～1％，精整成形过程中，采用8～10次间歇精整成形-感应线圈加热-精整成形循环，每隔25～35min，停止压下并开启感应加热对锻件加热至600～630℃后，保温20～30min，关闭感应加热继续压下精整成形。
钢锭中至少包括C、Cr、Mo和Fe元素。
S6最终获得的锻件形成芯部向表面位置晶粒越来越细的梯度组织结构。
梯度组织结构包括从内向外连续分布的粗大晶粒区、过渡晶粒区和细小晶粒区；粗大晶粒区的晶粒尺寸＞100μm，过渡晶粒区的晶粒尺寸在20～100μm之间，细小晶粒区的晶粒尺寸在0.05～20μm之间；粗大晶粒区为以锻件的芯部为中心点，向外延伸至锻件半径的85～90％的部分；细小晶粒区为以锻件的外表面为起点，向内延伸至半径的1～2％的环形部分；其余部分即为过渡晶粒区。
粗大晶粒区的含氢量＜0.8ppm；过渡晶粒区的含氢量＜0.3ppm；细小晶粒区的含氢量＜0.2ppm。
大型锻件截面直径＞200mm。
S6最终获得的锻件的DFSR值≥0.90。
一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺获得的锻件在重型装备中的应用。
重型装备包括风电机组、深海采油平台、核电机组、大型汽轮机、重型起吊装备。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.低氢致开裂倾向：本发明的一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺采用大-中-微变形量与高-中-低变形温度相结合的方式，形成具有热-力耦合促内氢扩散的效果，具有明显提高抗裂性能的优点，其有益效果体现在：(1)一次锻造阶段，采用大锻造比(5～6:1)和高锻造温度(T＞1050℃)的方式锻造方式，一方面大变形和高温的耦合能促使锻件快速发生动态再结晶过程，其内部缺陷减少，供活性氢停留的陷阱减少，促使活性氢的扩散；另一方面，一次锻造的高温为活性氢提供了更多自由能，加速其扩散速率，锻造的大变形呈定向分布的应力梯度(由表及里，应力逐渐增大)促使活性氢的扩散产生定向(沿应力梯度方向)扩散。(2)二次锻造阶段，采用中锻造比(1.5～2:1)和中锻造温度(1000℃＞T＞800℃)的锻造方式，一方面利用较大的变形量以及适宜温度，使锻钢中Cr、Mo等合金元素与锻件中C元素形成CrMoC2(即(Cr,Mo)C)析出相，析出相的出现，产生了大量的相界面，形成氢陷阱，进而捕捉锻件内还未扩散出去的活性内氢，避免活性氢的聚集，提高锻件的断裂韧性；另一方面，形成的碳氮化物对锻件的力学性能起到了明显强化作用。(3)表面精整成形阶段，采用较低温度(600～630℃)进行表面精整成形，该阶段，一方面锻件变形量集中在表面，使锻件由内及表产生较强的应力梯度(由内向外，应力越来越大)，产生剧烈塑性变形，形成由锻件芯部向表面位置晶粒越来越细的梯度组织结构；另一方面，间歇式感应加热，使锻件由内及表产生较强的温度梯度(由内向外，温度越来越高)，形成锻件内氢定向扩散条件。在应力梯度和温度梯度的双重作用下，表面精整成形阶段给锻件形成了捕捉内氢的组织条件(表层细晶晶界多形成大量能捕捉内氢的氢陷阱)和内氢定向扩散的能量条件(由内向外，应力越来越大，温度越来越高)，从而促使锻件内活性内氢向外扩散，降低锻件内氢含量，使锻件具有低氢致开裂倾向。
2.低能源消耗制造：本发明的一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺，可以实现锻件的去内氢、晶粒细化和内应力的释放效果，相对于传统大型锻件制备工艺，能够省去锻后的长时间(几天乃至几个月的)正火+回火工序，在保障锻件性能的同时，减少了制造流程，实现了短流程制造。
本发明能够减少大型锻件的内氢含量，提高大型锻件抗裂性能，提高锻件强度。
附图说明
图1是本发明中CrMoC2析出相的微观组织图和元素分析图；
图2是本发明中梯度组织结构的微观组织图；
图3是本发明中梯度组织结构的结构示意图；
图4是本发明的现场施工图；
图5是对比例1获得的锻件的微观组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺，包括以下步骤：
S1.锻前处理：将材质为42CrMo4的钢锭以125℃/h速率加热到780℃保温5.5小时，随后以90℃/h速率加热到1275℃保温11小时；
S2.将加热好的钢锭取出，进行自由锻造，始锻温度为1275℃，终锻温度为1065℃，锻造比5.5:1；
S3.采用感应线圈加热，将S2锻造完成后的锻件控制冷却速度为45℃/h冷却至990℃后，准备进行二次锻造；
S4.对S3准备好的锻件进行二次锻造，始锻温度为990℃，终锻温度为825℃，锻造比1.8:1；二次锻造阶段，利用1.8:1锻造比的变形量配合825～990℃的锻造温度，使锻钢中Cr、Mo等合金元素与锻件中C元素形成CrMoC2黑色点状析出相，如图1所示，主要成分为C、Cr和Mo(微量Fe)，其中C与Cr和Mo原子比接近1:1，所以认定为是析出相为CrMoC2(即CrC-MoC)；
S5.采用感应线圈加热，将S4锻造完成后的锻件控制冷却速度为70℃/h冷却至615℃后，准备进行表面精整成形；
S6.将S5准备好的锻件进行表面精整成形，精整成形表面压下量0.5％，精整成形过程中，采用9次间歇精整成形-感应线圈加热-精整成形循环，每隔30min，停止压下并开启感应加热对锻件加热至615℃后，保温25min，关闭感应加热继续压下精整成形，获得风电主轴锻件，其尺寸为Φ650×600mm。如图2～图3所示，S6获得的锻件的梯度组织结构包括从内向外连续分布的粗大晶粒区、过渡晶粒区和细小晶粒区；粗大晶粒区的晶粒尺寸＞100μm，过渡晶粒区的晶粒尺寸在20～100μm之间，细小晶粒区的晶粒尺寸在0.05～20μm之间；粗大晶粒区为以锻件的芯部为中心点，向外延伸至锻件半径的88％的部分；细小晶粒区为以锻件的外表面为起点，向内延伸至半径的2％的环形部分；其余10％的部分即为过渡晶粒区。
粗大晶粒区的含氢量为0.7ppm；过渡晶粒区的含氢量为0.2ppm；细小晶粒区的含氢量为0.1ppm。
为表征材料的抗氢脆能力，对本实施例获得的风电主轴锻件进行氢致实验，取锻件拉伸试样(带缺口)，将缺口置于Walpole缓蚀液(盐酸、乙酸钠、去离子水)中进行恒载荷缺口拉伸试验，测定充氢前后的缺口拉伸延迟断裂强度比(DFSR)。DFSR值越高，说明材料的抗氢脆能力越强。
一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺获得的锻件在风电机组中的应用。
实施例2
一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺，包括以下步骤：
S1.锻前处理：将材质为8630的钢锭以100℃/h速率加热到760℃保温5小时，随后以80℃/h速率加热到1270℃保温10小时；
S2.将加热好的钢锭取出，进行自由锻造，始锻温度为1270℃，终锻温度为1050℃，锻造比5:1；
S3.采用感应线圈加热，将S2锻造完成后的锻件控制冷却速度为40℃/h冷却至980℃后，准备进行二次锻造；
S4.对S3准备好的锻件进行二次锻造，始锻温度为980℃，终锻温度为800℃，锻造比1.5:1；
S5.采用感应线圈加热，将S4锻造完成后的锻件控制冷却速度为60℃/h冷却至600℃后，准备进行表面精整成形；
S6.将S5准备好的锻件进行表面精整成形，精整成形表面压下量0.1％，精整成形过程中，采用8次间歇精整成形-感应线圈加热-精整成形循环，每隔25min，停止压下并开启感应加热对锻件加热至600℃后，保温20min，关闭感应加热继续压下精整成形。S6最终获得大型管道连接器锻件，其尺寸为Φ500×500mm，大型管道连接器锻件形成芯部向表面位置晶粒越来越细的梯度组织结构。梯度组织结构包括从内向外连续分布的粗大晶粒区、过渡晶粒区和细小晶粒区；粗大晶粒区的晶粒尺寸＞100μm，过渡晶粒区的晶粒尺寸在20～100μm之间，细小晶粒区的晶粒尺寸在0.05～20μm之间；粗大晶粒区为以锻件的芯部为中心点，向外延伸至锻件半径的90％的部分；细小晶粒区为以锻件的外表面为起点，向内延伸至半径的1％的环形部分；其余中部的9％部分即为过渡晶粒区。粗大晶粒区的含氢量为0.8ppm；过渡晶粒区的含氢量为0.3ppm；细小晶粒区的含氢量为0.2ppm。如图4所示，为本实施例的大型管道连接器锻件锻造施工现场图，其中，(a)、(b)为温度场、应力场变场模拟图，(c)、(d)、(e)为锻造研发现场图。
实施例3
一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺，包括以下步骤：
S1.锻前处理：将材质为18CrNiMo7-6的钢锭以150℃/h速率加热到800℃保温6小时，随后以100℃/h速率加热到1280℃保温12小时；
S2.将加热好的钢锭取出，进行自由锻造，始锻温度为1280℃，终锻温度为1080℃，锻造比6:1；
S3.采用感应线圈加热，将S2锻造完成后的锻件控制冷却速度为50℃/h冷却至1000℃后，准备进行二次锻造；
S4.对S3准备好的锻件进行二次锻造，始锻温度为1000℃，终锻温度为850℃，锻造比2:1；
S5.采用感应线圈加热，将S4锻造完成后的锻件控制冷却速度为80℃/h冷却至630℃后，准备进行表面精整成形；
S6.将S5准备好的锻件进行表面精整成形，精整成形表面压下量1％，精整成形过程中，采用10次间歇精整成形-感应线圈加热-精整成形循环，每隔35min，停止压下并开启感应加热对锻件加热至630℃后，保温30min，关闭感应加热继续压下精整成形。S6最终获得重型齿轮锻件，其尺寸为Φ600×500mm；重型齿轮锻件形成芯部向表面位置晶粒越来越细的梯度组织结构；梯度组织结构包括从内向外连续分布的粗大晶粒区、过渡晶粒区和细小晶粒区；粗大晶粒区的晶粒尺寸＞100μm，过渡晶粒区的晶粒尺寸在20～100μm之间，细小晶粒区的晶粒尺寸在0.05～20μm之间；粗大晶粒区为以锻件的芯部为中心点，向外延伸至锻件半径的85％的部分；细小晶粒区为以锻件的外表面为起点，向内延伸至半径的2％的环形部分；其余中间的13％部分即为过渡晶粒区。
粗大晶粒区的含氢量为0.6ppm；过渡晶粒区的含氢量为0.3ppm；细小晶粒区的含氢量为0.05ppm。
对比例1
对比例1与实施例1的区别仅在于：采用连续的精整成形-感应加热工艺，在615℃保温的条件下，进行270min的连续的压下精整成形。如图5所示，对比例1未获得梯度组织结构。
下表1为实施例1～3和对比例1的性能对比结果。
表1实施例1～3和对比例1的性能对比表
Figure BDA0003961805820000071
应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1.锻前处理：将钢锭以100~150℃/h速率加热到760~800℃保温5-6小时，随后以80~100℃/h速率加热到1270~1280℃保温10-12小时；
S2.将加热好的钢锭取出，进行自由锻造，始锻温度为1270~1280℃，终锻温度为1050~1080℃，锻造比（5~6）:1；
S3.采用感应线圈加热，将S2锻造完成后的锻件控制冷却速度为40~50℃/h冷却至980~1000℃后，准备进行二次锻造；
S4.对S3准备好的锻件进行二次锻造，始锻温度为980~1000℃，终锻温度为800~850℃，锻造比（1.5~2）:1；
S5.采用感应线圈加热，将S4锻造完成后的锻件控制冷却速度为60~80℃/h冷却至600~630℃后，准备进行表面精整成形；
S6.将S5准备好的锻件进行表面精整成形，精整成形表面压下量0.1~1%，精整成形过程中，采用8~10次间歇精整成形-感应线圈加热-精整成形循环，每隔25~35min，停止压下并开启感应加热对锻件加热至600~630℃后，保温20~30min，关闭感应加热继续压下精整成形。
2.根据权利要求1所述的一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺，其特征在于，钢锭中至少包括C、Cr、Mo和Fe元素。
3.根据权利要求1所述的一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺，其特征在于，S6最终获得的锻件形成芯部向表面位置晶粒越来越细的梯度组织结构。
4.根据权利要求3所述的一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺，其特征在于，梯度组织结构包括从内向外连续分布的粗大晶粒区、过渡晶粒区和细小晶粒区；粗大晶粒区的晶粒尺寸＞100µm，过渡晶粒区的晶粒尺寸在20~100µm之间，细小晶粒区的晶粒尺寸在0.05~20µm之间；粗大晶粒区为以锻件的芯部为中心点，向外延伸至锻件半径的85~90%的部分；细小晶粒区为以锻件的外表面为起点，向内延伸至半径的1~2%的环形部分；其余部分即为过渡晶粒区。
5.根据权利要求4所述的一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺，其特征在于，粗大晶粒区的含氢量＜0.8ppm；过渡晶粒区的含氢量＜0.3ppm；细小晶粒区的含氢量＜0.2ppm。
6.根据权利要求1所述的一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺，其特征在于，大型锻件截面直径＞200mm。
7.根据权利要求1所述的一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺，其特征在于，S6最终获得的锻件的DFSR值≥0.90。
8.根据权利要求1~7任意一项所述的一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺获得的锻件在重型装备中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，重型装备包括风电机组、深海采油平台、核电机组、大型汽轮机、重型起吊装备。
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