[科普中国]-大锻件用钢

大锻件用钢是指是锻制大型锻件用的合金钢。在选择大锻件用钢时，应根据锻件的尺寸、力学性能的要求、零件的服役条件和工艺性能等因素来考虑。

简述由于锻件的尺寸很大，截面很厚，所以大锻件用钢在合金设计和生产工艺上都有许多特点。为保证锻件的大尺寸，在冶炼上需采用大容量的冶炼炉，在铸造上需采用特大锭型；为解决大钢锭加热温度高、保温时间长、晶粒易粗大化和锻造比小、变形不均匀、易出现混晶等问题，在制造工艺上需采取相应的措施；为保证良好的综合性能，需采用调质热处理；为保证厚截面锻件的淬透性，需添加较多的镍、铬、钼等合金元素。广义地说，具有上述特征的用于制造大型锻件的钢统称为大锻件用钢。1

分类大锻件用钢按用途的不同分类，主要可分为转子用钢、冷轧辊用钢和压力容器用钢。

一、转子用钢

转子用钢汽轮机和发电机的转子，是电站设备中的重要构件。根据工作压力的不同，汽轮机的转子可分为高压、中压和低压三种；发电机的转子要在1500～3000r/mm的高速旋转下工作，并承受巨大的离心力、传递扭矩和弯曲应力，因此对转子用钢要求很高，不仅要具有高强度和高塑韧性，而且要求高的质量均匀性。

对高、中压汽轮机转子除上述要求外，还要在高温（400～565℃）、高压（90Pa）的蒸汽介质下长期工作。因此转子用钢除要求常温力学性能外，还要求有良好的高温性能。大型发电机转子用钢的化学成分.基本上都采用镍-铬-钼-钒系列。当钢的镍含量高于3.0%时，直径超过1m的转子，其心部也具有良好的淬透性，并可获得强韧性匹配良好的下贝氏体组织。

二、冷轧辊用钢

冷轧辊用钢由于冷轧辊是在高的轧制速度、很大的轧制力等工况条件下工作，承受巨大的动载荷和静载荷，因此，轧辊表面易产生毛面和磨损等缺陷，轧辊的中心孔和表面易产生疲劳裂纹，直接影响轧辊的使用寿命。为提高轧辊的使用寿命，要求冷轧辊用钢必须具有高强度、足够的表面淬硬层、高耐磨性、抗表面剥落性和耐热冲击性。冷轧辊用钢的化学成分基本上都采用高碳的铬系合金钢，如，9Cr、9Cr2、9CrSi、9CrV、9Cr2.0、9Cr2W、等，近年又增加了Cr3、Cr5系列，Cr6钢轧辊的研制也已开始试验。

三、压力容器用钢

压力容器用钢随着电力、化工和石油等各类反应器、锅炉、高压容器向高参数大型化方向发展，其结构也逐渐由使用钢板的板焊结构，向使用大锻件的锻焊结构方向发展。压力容器用锻钢进一步向高纯化、高韧性方向发展。1

生产工艺大锻件用钢的生产工艺主要包括冶炼、锻造工艺和热处理工艺。

(1)大锻件用钢的冶炼

冶炼、锻制大型锻件需使用大型钢锭。大钢锭的单重在30t到几百吨范围内。钢锭越大，偏析等冶金缺陷越严重。因此，大锻件用钢的冶炼要求非常严格。为保证铸造出特大钢锭，一般都要采用两台以上的冶炼炉联合配炉浇注，这样就不必增大单炉容量，减小因浇注时间长对耐火材料的侵蚀，防止钢液温度的降低。

冶炼时必须精选原料，严格控制冶炼不易去除的有害元素如硼、铜、锡、锑、砷等。钢的初炼可采用大型碱性电弧炉、大型转炉等，初炼的钢液必须进行炉外精炼和真空脱气，最大限度降低钢中的硫、磷和气体含量，以获得硫、磷质量分数均低于0.005%、氢低于2%、氧低于30%、氮低于40%的高纯净钢。为减少偏析和缺陷，大型钢锭的铸造要采用新的浇注技术，如旋转浇注法、空心铸锭法和定向凝固铸造法等。

(2)大锻件用钢的锻造

目的主要有两个：一是将铸锭经济地锻制成所需要的形状毛坯，即成形；二是改善金属组织，通过锻造破坏铸锭的铸态组织，使组织均匀化，使晶粒细化，使气孔、疏松、缩孔等缺陷焊合。通常，大型钢锭都由冶炼车间直接热送到锻压车间。为使缺陷焊合，大锻件的锻造一般都在压力很大的水压机上进行，主要采用自由锻工艺。

(3)大锻件用钢的热处理

由于尺寸效应的影响，大锻件的热处理有自己的特点，必须充分考虑大锻件的冶金特性、大锻件在热处理中产生的瞬时应力和残余应力、相变热对加热和冷却过程的影响、回火脆性和组织细化等。大锻件的热处理过程如下：

1)锻后热处理。主要目的是防止产生白点，提高化学成分的均匀性，细化组织，消除混晶现象等，为超声波探伤和最终性能创造内部组织条件，为降低硬度、消除应力、便于粗加工创造条件。若在冶炼过程中钢中的氢质量分数降至2%以下时，则第一热处理将主要考虑晶粒细化和消除混晶现象。

大型锻件特别是合金钢锻件，锻后正火和淬火在加热方式上，应采用阶梯升温方式加热。大型锻件在350～500℃以及600～800%时，工件表面与心部存在最大温差，差值在300～400℃。因此采用在4500C与6500C保温一段时间，然后再升温的加热方法是比较合适的。

2)性能热处理。其主要目的是使粗加工后的大锻件获得所需要的最佳组织，以保证大锻件具有良好的综合性能。通常采用的工艺主要有调质、正火加回火、正火加时效等。对要求高硬度的锻件，如大型冷轧辊，其最终热处理应采用淬火加低温回火，以满足使用要求。

大锻件在回火装炉的初始阶段，表面温度回升，心部温度进一步降低，以完成心部过冷奥氏体完全转变。所以均温时间难以用目测确定，因此回火工艺规程中没有规定均温时间，而是适当延长保温时间。回火保温时间也可按回火温度与硬度的对应关系确定。

3)大锻件热处理注意事项

①大锻件加热时一定要缓慢，必须分段加热，奥氏体化保温要充分，一般以台车炉为主。

②低碳低合金钢直接淬盐水，巾碳合金结构钢以水油双液淬比较稳妥，在水中停留的时间以有效厚度计算。

③必须了解大锻件的原始状态，必须检测其显微组织，魏氏体组织严重的必须用正确的热处理工艺予以消除。1

性能要求大锻件用钢的性能要求：

①锻件冶金质量好，材料性能均匀，不应有裂纹、白点、缩孔、折叠、过度的偏析以及超过允许的夹杂和疏松。

②锻件经最终热处理后，具有较低的残余应力。如气轮机转子和主轴锻件的残余应力规定不应大于锻件强度级别材料径向屈服强度下限值的8%。

③锻件材料应具有足够高的强度、塑性和韧性等良好的综合力学性能。

④断裂韧度高，脆性转变温度低。

⑤对高温服役的零件材料要有较高的蠕变极限、持久强度和长期组织稳定性，以及抗高温氧化和蒸汽腐蚀能力。2

本词条内容贡献者为:

于仁业 - 高级工程师 - 中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司