2024年5月27日发(作者：牧翠丝)

Ｎｏ．２　

Ｍａｒｃｈ　２０１７　

《大型铸锻件》　

ＨＥＡＶＹ　ＣＡＳＴＩＮＧ　ＡＮＤ　ＦＯＲＧＩＮＧ　

ＡＳＴＭ　Ａ６６８Ｅ超长空心水轮机轴锻件研制　

张金珠张海峰　

（天津重型装备工程研究有限公司，天津３００４５７）　

摘要：通过优化ＡＳＴＭ　Ａ６６８Ｅ材料的化学成分，合理添加合金元素，仅经过锻后热处理，成功制造出超长大　

直径空心水轮机轴锻件，极大地缩短生产周期，降低制造成本。　

关键词：水轮机轴；锻件；成分优化；锻后热处理　

中图分类号：ＴＧ１５６　文献标志码：Ｂ　

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＡＳＴＭ　Ａ６６８　Ｅ　Ｓｕｐｅｒ—ｌｏｎｇ　

Ｈｏｌｌｏｗ　Ｓｈａｆｔ　Ｆｏｒｇｉｎｇｓ　ｆｏｒ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　

Ｚｈａｎｇ　Ｊｉｎｚｈｕ，Ｚｈａｎｇ　Ｈａｉｆｅｎｇ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ＡＳＴＭ　Ａ６６８Ｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｎｄ　ａｄｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｌｌｏｙｉｎｇ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ａｐ—　

ｐｒｏｐｒｉａｔｅｌｙ，ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒ－ｌｏｎｇ　ｈｏｌｌｏｗ　ｓｈａｆｔ　ｆｏｒｇｉｎｇｓ　ｗｉｔｈ　ｌａｒｇｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｆｏｒ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ　ＳＩｌＣ—　

ｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｏｎｌｙ　ｖｉａ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｆｔｅｒ　ｆｏｒｇｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ　ｓｈｏｆｌｅｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｅｒｉｏｄ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｃｏｓｔｓ　

ｇｒｅａｔｌｙ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｈａｆｔ；ｆｏｒｇｉｎｇｓ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｆｔｅｒ　ｆｏｒｇｉｎｇ　

表１水轮机轴用材验收指标　

１订货规格及技术要求　

１．１规格及粗加工尺寸　

Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｈｅ　ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ　ｃｒｉｔｅｒｉａ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　

ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｈａｆｔ　

某厂订购的水轮机轴锻件交货尺寸为　

２　５８０　ｍｍ（　９００　ｍｉｌｌ内孔）×９　３４２　ｍｍ，按照　

我厂的设计方案，其粗加工尺寸为　２　６５０　ｍｉｌｌ　

（０７２０　ｍｍ内孔）Ｘ　９　９３５　ｍｍ，重量约１４９　ｔ。水　

轮机轴锻件毛坯尺寸见图１。　

化学成分　

（质量分数，％）　

Ｒ　

Ｍｎ　Ｐ　Ｓ　

性能指标　

Ｒｏ０　２　Ａ　Ｚ　０℃Ｋ　

ＨＢＷ　

ＭＰａ　ＭＰａ　％　％　Ｊ　

≤１．３５　≤Ｏ．Ｏ５　≤０．０５　５７０　２９５　２２　３５　２７（１９）　１７４～２１７　

２技术难点及解决措施　

一琵　

０　

∞　—

．Ｑ

９　

蔓Ｌ　

售ｆ　

一一一一一一　

ｔ．一．　

ｉ　

—●＿　

．

２．１　制造难点　

按照制造大纲要求，该水轮机轴的生产流程　

为：炼钢一铸锭一锻造一锻后热处理一粗加工一　

无损检测一调质一精加工等。但由于该锻件规格　

的特殊性，导致在实际生产中存在诸多难点，其中　

２　～ｒｒ一　

一　

ｔｔ一一‘一’一一一一一一一一　

３３０　２００５　

５１２５　

～９９３５　

１２００～　

图１　水轮机轴锻件毛坯图　

Ｆｉｇｕｒｅ　１　Ｔｈｅ　ｂｌａｎｋ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｏｆ　

热处理方面的最大难点是调质，其主要原因是该　

水轮机轴的整体强韧性要求较高，按照现有的同　

类产品制造经验，必须通过调质才能达到相应指　

标　。　

ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｈａｆｔ　ｆｏｒｇｉｎｇｓ　

１．２技术要求　

按照用户提供标准要求，该锻件的化学成分、　

硬度及力学性能等指标见表１。该锻件的整体强　

韧性要求较高，以目前的制造水平来看，生产具有　

相当大的难度。　

收稿日期：２Ｏ１６—Ｏ８—１２　

根据我厂设备情况，对此空心锻件在调质过　

程中存在的主要问题为：（１）若采用穿销孔立式　

吊装，由于蠕变问题可能导致材料强度不足；（２）　

若采用大法兰吊卡头立式吊装，则需增加锻件长　

度，会增加锻造难度；（３）若采用“卧式加热＋卧　

式喷雾”方式进行热处理，则法兰端仍需增加吊　

装尺寸，也会增加锻造难度，同时也存在材料浪费　

等问题。　

作者简介：张金珠（１９８６一），硕士，工程师，从事大型铸锻件电站　

产品热处理方面的工作。　

３８　

《大型铸锻件》　

ＨＥＡＶＹ　ＣＡＳＴＩＮＧ　ＡＮＤ　ＦＯＲＧＩＮＧ　

Ｎｏ．２　

Ｍａｒｃｈ　２０１７　

表２前期同类产品制造情况　

Ｔａｂｌｅ　２　Ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｐｒｅｖｉｏｕｓ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　

规格　重量　化学成分（质量分数，％）　

Ｃ　Ｍｎ　Ｃｒ　Ｎｉ　Ｍｏ　Ｖ　Ｃ。ｑ　

力学性能　

名称　ｔ　材质号　Ｒｍ　Ｒｐｏ　２　Ｏ℃　

ＭＰａ　ＭＰａ　Ｊ　

热处理方式　

１１２、　９２０℃空冷＋　

１　９０５　

上端轴　

（　

５１０　２８０　９５、　９００℃雾冷＋　

２１　①　０．２４　１，２３　０．０５　０．Ｏ５　０．Ｏ５　Ｏ．ｏｏ２　０．４８　

５７５　

内孔）

×　

２　５ｏ０　

６５０　１００　５８５℃回火　

３４０　１３０

１４２、　返修：９２５℃　

水冷＋５８５℃　

、　

１２２　回火　

１２、　９２０％空冷＋　

３　４６５　７２４　４７０　９、　９００￣Ｃ风冷＋　

推力头（　１　９００　

１　内孔）４５　

×　

８５５　

②　Ｏ．３３　１．２５　Ｏ．０６　Ｏ．０６　Ｏ．１８　Ｏ．１１　Ｏ．６ｌ　

６９５　

１Ｏ　５８０℃回火　

１１、　返修

１２　

：６１０℃　

４５５　１９、　回火　

５　１８５　

（　３　３１５　

推力头２　内孔）１０２　

×　

１　０４０　

③　

４１、　９２０℃风冷＋　

Ｏ．３　１．２７　０．１１　０．０４　０．Ｏ２　Ｏ．Ｏ２　０．５４　５６０　２９５　４２、　

５８５℃回火　

５０　

５　１８５　

（　３　３１５　

推力头３　内孔）１０２　

１　０４０　

×　

④　

５４、　９２０℃空冷＋　

Ｏ．３　１．３　Ｏ．１２　Ｏ．１３　０．１　Ｏ．Ｏ６　Ｏ．５８　５８３　３２４　４３、　

４７　

６００℃回火　

注：碳当量Ｃ　＝ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５。　

２．２解决措施　

心水轮机轴的化学成分，但考虑到目标锻件规格　

较大，还需适当提高锻件的性能富余量以充分保　

证其整体性能。在材质④的基础上进一步优化成　

针对该水轮机轴在调质过程中存在的难点，　

技术人员尝试取消调质热处理，优化钢种成分，仅　

通过锻后热处理实现整体强韧性要求，这样可省　

去一道工序，极大地降低制造成本。　

分，提高ｃｒ、Ｎｊ含量，控制碳当量在０．５８～０．６，水　

轮机轴优化后的化学成分见表３。　

表３水轮机轴优化后的化学成分（质量分数。％）　

Ｔａｂｌｅ　３　Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　

表２为我公司同类产品前期生产情况，分析　

表中数据可以发现：　

（１）对于材质①（ｃ　＝０．４８），热处理采用　

“空冷＋喷雾＋回火”的方式进行，尽管冲击韧性　

ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｈａｆｔ　ｆｍａｓｓ　ｆｒａｃｔｉｏｎ，％）　

Ｃ　Ｓｉ　Ｍｎ　Ｃｒ　Ｎｉ　Ｍｏ　Ｖ　Ｃ　ｑ　

成分　Ｏ．２９～　Ｏ．３０～　１．２８～　０．１９～　Ｏ．１９～　Ｏ．０９～　０．０４～　Ｏ．５８～　

范围　０．３１　０．３５　１．３２　Ｏ．２１　０．２１　０．１５　Ｏ．ｏ６　０．６ｏ　

值较高，但强度较低，仍需通过调质返修方能使其　

强度提高至目标要求，因此该材质无法仅通过锻　

后热处理生产水轮机轴，还需进行调质。　

内控　Ｏ

成分　３Ｏ　０．３２　１．３０　Ｏ．２Ｏ　０．２０　０．１　０．０５　Ｏ．６Ｏ　

．

（２）材质②通过增加Ｃ、Ｍｏ及Ｖ的含量来提　

高碳当量（Ｃ　。＝０．６１），锻后热处理（两次正火＋　

回火）可使其强度达到较高的水平，但冲击韧性　

３制造流程　

３．１炼钢工艺　

极低，即使返修提高回火温度，韧性指标仍无法满　

足要求，因此该材质也不适用于水轮机轴的生产。　

根据制造大纲要求，炼钢采用ＶＤ＋ＶＴ的工　

艺方式，钢锭重２７２　ｔ，具体工艺流程为：电炉粗炼　

（３）利用材质③生产，锻后热处理时鼓风冷　

却使锻件整体强韧性达到较好的水平，但强度值　

钢水一ＬＦ精炼炉－＋升温一合金化一精炼炉真空　

（ＶＤ）一微调成分一真空浇注（ＶＴ）一热送。　

检测钢液的化学成分，见表４。　

３．２锻造工艺　

仍有一定差距；在此材质基础上，适当添加Ｎｉ、　

Ｍｏ、Ｖ含量提高碳当量至０．５８（材质④），锻后热　

处理时空冷即可获得较高的强韧性，按此指标基　

本可用于水轮机轴的生产。　

综上所述，可参考材质④制定超长大直径空　

水轮机轴锻件重１４８．８９　ｔ，锭身利用率　

５４．７％。锻造过程分四火完成，锭身下料后，用带　

孔上球面墩粗板墩粗，冲孔之后芯棒拔长。由于　

３９　

Ｎｏ．２　

Ｍａｒｃｈ　２０１７　

《大型铸锻件》　

ＨＥＡＶＹ　ＣＡＳＴＩＮＧ　ＡＮＤ　ＦＯＲＧＩＮＧ　

表４水轮机轴用钢锭化学成分（质量分数。％）　

Ｔａｂｌｅ　４　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｇｏｔ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　

辅具改造成功实现了大型水轮机主轴的整体锻　

造。主要改造方法包括：（１）使用球面镦粗板镦　

粗及大砧宽比拔长的方法，可以有效缓解冲孔凹　

ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｈａｆｔ（ｍａｓｓ　ｆｒａｃｔｉｏｎ。％）　

Ｃ　ｌ　Ｓｉ　ｌ　Ｍｎ　ｌ　ｃｒ　ｌ　Ｎｉ『Ｍｏ　　Ｖ　ｌｌ　Ｃ　

实际成分ｌ０．２９｛０．３２ｌ１．２８１０．２０１０．１９１０．１ｌ０．０４１０．５８４　

心，解决端部占料问题；（２）设计芯棒给排水加长　

管，改造了芯棒冷却系统，解决超长件芯棒拔长排　

水问题；（３）利用现有芯棒辅具，设计采用先尾端　

（水口端）后前端（冒口端）的倒拔式锻造方式，实　

现超长空心水轮机主轴的整体锻造。　

３．３热处理工艺　

现有芯棒长度限制，采用分段拔长，先拔长水口端　

凹档，后拔出冒口端凹档，精整出成品。　

锻件法兰端外径　２　６５０　ｍｍ，内孔尺寸为　

０７２０　ｍｍ，对于这种小孔、大直径的轴类件，在锻　

造成形过程中普遍会出现凹心现象；其次，法兰端　

占用坯料过多，极易导致锻件总长度不足的问　

题　；另外，该锻件毛坯的内孔长度达９　９３５　ｍｍ，　

而我厂的芯棒长度最大仅８　０００　ｍｉＤ＿，故利用现有　

辅具无法完成该水轮机轴锻件的锻造。　

为解决上述生产技术难题，避免增加辅具投　

入，从而降低产品制造成本，我们通过工艺创新及　

为调整和改善锻件在锻造过程中形成的过热　

和粗大不均匀组织，降低锻件内部化学成分与金　

相组织的不均匀性，细化材料的奥氏体晶粒，提高　

锻件的超声检测性能，消除草状波　Ｊ，最终使锻　

件达到验收标准规定的力学性能要求，锻后热处　

理采用“两次正火＋回火”的方式。锻后热处理　

工艺曲线如图２所示。　

ｐ　

＼　

６００　／　／　

／　

越　

赠　

时间／ｈ　

图２水轮机轴锻后热处理工艺曲线　

Ｆｉｇｕｒｅ　２　Ｔｈｅ　ｃｈｉｖｅ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｆｔｅｒ　ｆｏｒｇｉｎｇ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｈａｆｔ　

４结果分析　５结论　

粗加工时分别在该水轮机轴的水、冒口两端　

通过对超大直径空心水轮机轴的研制，得出　

以下结论：　

取样，每端均对称１８０。取切向和轴向试样进行力　

学性能检验，且水、冒口取样位置互成９０。。取样　

检测结果见表５。　

表５水轮机轴性能检测结果　

Ｔａｂｌｅ　５　Ｔｈｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　

ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｈａｆｔ　

适当优化钢种化学成分，仅通过锻后热处理　

使锻件整体强韧性达到较高水平，锻后热处理采　

用“两次正火＋回火”方式，可有效改善锻件组织　

整体均匀性，产品性能满足用户要求，并且缩短工　

艺周期，较好地实现了降本增效的目的。　

ＨＢＷ　取样位置　Ｒｍ　Ｒｐ０　２　Ａ　

ＭＰａ　ＭＰａ　％　

Ｚ　

％　

０℃　

Ｊ　

参考文献　

［１］　王维宁．正火（淬火）温度及回火温度对ＡＳＴＭ　Ａ６６８　ＣＬ．Ｅ　

水口　０。切向　６３１　３７３　３１．Ｏ　６１．５　５１、４０、４１　１９１　

１８０。轴向　６２９　３６９　２６．５　５８．Ｏ　６３、５８、４５　ｌ８８　

冒口　９Ｏ。切向　６１２　３６０　３Ｏ．５　６３．Ｏ　６９、７１、４８　１９５　

２７０。轴向　６１５　３６４　３１．５　５９．５　６３、６３、５１　１８９　

钢性能的影响［Ｊ］．大型铸锻件，２０１４（４）．　

［２］　董岚枫，钟约先，马庆贤，等．大型水轮机主轴锻造过程裂纹　

缺陷的预防［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），２００８，４８　

（５）．　

通过对四个取样位置进行“一拉三冲”的检　

测结果，可见该水轮机轴的各项性能指标均较好　

地满足用户要求，锻件整体强韧性达到较高水平。　

编辑杜敏　

2024年5月27日发(作者：牧翠丝)

Ｎｏ．２　

Ｍａｒｃｈ　２０１７　

《大型铸锻件》　

ＨＥＡＶＹ　ＣＡＳＴＩＮＧ　ＡＮＤ　ＦＯＲＧＩＮＧ　

ＡＳＴＭ　Ａ６６８Ｅ超长空心水轮机轴锻件研制　

张金珠张海峰　

（天津重型装备工程研究有限公司，天津３００４５７）　

摘要：通过优化ＡＳＴＭ　Ａ６６８Ｅ材料的化学成分，合理添加合金元素，仅经过锻后热处理，成功制造出超长大　

直径空心水轮机轴锻件，极大地缩短生产周期，降低制造成本。　

关键词：水轮机轴；锻件；成分优化；锻后热处理　

中图分类号：ＴＧ１５６　文献标志码：Ｂ　

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＡＳＴＭ　Ａ６６８　Ｅ　Ｓｕｐｅｒ—ｌｏｎｇ　

Ｈｏｌｌｏｗ　Ｓｈａｆｔ　Ｆｏｒｇｉｎｇｓ　ｆｏｒ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　

Ｚｈａｎｇ　Ｊｉｎｚｈｕ，Ｚｈａｎｇ　Ｈａｉｆｅｎｇ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ＡＳＴＭ　Ａ６６８Ｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｎｄ　ａｄｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｌｌｏｙｉｎｇ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ａｐ—　

ｐｒｏｐｒｉａｔｅｌｙ，ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒ－ｌｏｎｇ　ｈｏｌｌｏｗ　ｓｈａｆｔ　ｆｏｒｇｉｎｇｓ　ｗｉｔｈ　ｌａｒｇｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｆｏｒ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ　ＳＩｌＣ—　

ｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｏｎｌｙ　ｖｉａ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｆｔｅｒ　ｆｏｒｇｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ　ｓｈｏｆｌｅｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｅｒｉｏｄ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｃｏｓｔｓ　

ｇｒｅａｔｌｙ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｈａｆｔ；ｆｏｒｇｉｎｇｓ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｆｔｅｒ　ｆｏｒｇｉｎｇ　

表１水轮机轴用材验收指标　

１订货规格及技术要求　

１．１规格及粗加工尺寸　

Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｈｅ　ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ　ｃｒｉｔｅｒｉａ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　

ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｈａｆｔ　

某厂订购的水轮机轴锻件交货尺寸为　

２　５８０　ｍｍ（　９００　ｍｉｌｌ内孔）×９　３４２　ｍｍ，按照　

我厂的设计方案，其粗加工尺寸为　２　６５０　ｍｉｌｌ　

（０７２０　ｍｍ内孔）Ｘ　９　９３５　ｍｍ，重量约１４９　ｔ。水　

轮机轴锻件毛坯尺寸见图１。　

化学成分　

（质量分数，％）　

Ｒ　

Ｍｎ　Ｐ　Ｓ　

性能指标　

Ｒｏ０　２　Ａ　Ｚ　０℃Ｋ　

ＨＢＷ　

ＭＰａ　ＭＰａ　％　％　Ｊ　

≤１．３５　≤Ｏ．Ｏ５　≤０．０５　５７０　２９５　２２　３５　２７（１９）　１７４～２１７　

２技术难点及解决措施　

一琵　

０　

∞　—

．Ｑ

９　

蔓Ｌ　

售ｆ　

一一一一一一　

ｔ．一．　

ｉ　

—●＿　

．

２．１　制造难点　

按照制造大纲要求，该水轮机轴的生产流程　

为：炼钢一铸锭一锻造一锻后热处理一粗加工一　

无损检测一调质一精加工等。但由于该锻件规格　

的特殊性，导致在实际生产中存在诸多难点，其中　

２　～ｒｒ一　

一　

ｔｔ一一‘一’一一一一一一一一　

３３０　２００５　

５１２５　

～９９３５　

１２００～　

图１　水轮机轴锻件毛坯图　

Ｆｉｇｕｒｅ　１　Ｔｈｅ　ｂｌａｎｋ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｏｆ　

热处理方面的最大难点是调质，其主要原因是该　

水轮机轴的整体强韧性要求较高，按照现有的同　

类产品制造经验，必须通过调质才能达到相应指　

标　。　

ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｈａｆｔ　ｆｏｒｇｉｎｇｓ　

１．２技术要求　

按照用户提供标准要求，该锻件的化学成分、　

硬度及力学性能等指标见表１。该锻件的整体强　

韧性要求较高，以目前的制造水平来看，生产具有　

相当大的难度。　

收稿日期：２Ｏ１６—Ｏ８—１２　

根据我厂设备情况，对此空心锻件在调质过　

程中存在的主要问题为：（１）若采用穿销孔立式　

吊装，由于蠕变问题可能导致材料强度不足；（２）　

若采用大法兰吊卡头立式吊装，则需增加锻件长　

度，会增加锻造难度；（３）若采用“卧式加热＋卧　

式喷雾”方式进行热处理，则法兰端仍需增加吊　

装尺寸，也会增加锻造难度，同时也存在材料浪费　

等问题。　

作者简介：张金珠（１９８６一），硕士，工程师，从事大型铸锻件电站　

产品热处理方面的工作。　

３８　

《大型铸锻件》　

ＨＥＡＶＹ　ＣＡＳＴＩＮＧ　ＡＮＤ　ＦＯＲＧＩＮＧ　

Ｎｏ．２　

Ｍａｒｃｈ　２０１７　

表２前期同类产品制造情况　

Ｔａｂｌｅ　２　Ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｐｒｅｖｉｏｕｓ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　

规格　重量　化学成分（质量分数，％）　

Ｃ　Ｍｎ　Ｃｒ　Ｎｉ　Ｍｏ　Ｖ　Ｃ。ｑ　

力学性能　

名称　ｔ　材质号　Ｒｍ　Ｒｐｏ　２　Ｏ℃　

ＭＰａ　ＭＰａ　Ｊ　

热处理方式　

１１２、　９２０℃空冷＋　

１　９０５　

上端轴　

（　

５１０　２８０　９５、　９００℃雾冷＋　

２１　①　０．２４　１，２３　０．０５　０．Ｏ５　０．Ｏ５　Ｏ．ｏｏ２　０．４８　

５７５　

内孔）

×　

２　５ｏ０　

６５０　１００　５８５℃回火　

３４０　１３０

１４２、　返修：９２５℃　

水冷＋５８５℃　

、　

１２２　回火　

１２、　９２０％空冷＋　

３　４６５　７２４　４７０　９、　９００￣Ｃ风冷＋　

推力头（　１　９００　

１　内孔）４５　

×　

８５５　

②　Ｏ．３３　１．２５　Ｏ．０６　Ｏ．０６　Ｏ．１８　Ｏ．１１　Ｏ．６ｌ　

６９５　

１Ｏ　５８０℃回火　

１１、　返修

１２　

：６１０℃　

４５５　１９、　回火　

５　１８５　

（　３　３１５　

推力头２　内孔）１０２　

×　

１　０４０　

③　

４１、　９２０℃风冷＋　

Ｏ．３　１．２７　０．１１　０．０４　０．Ｏ２　Ｏ．Ｏ２　０．５４　５６０　２９５　４２、　

５８５℃回火　

５０　

５　１８５　

（　３　３１５　

推力头３　内孔）１０２　

１　０４０　

×　

④　

５４、　９２０℃空冷＋　

Ｏ．３　１．３　Ｏ．１２　Ｏ．１３　０．１　Ｏ．Ｏ６　Ｏ．５８　５８３　３２４　４３、　

４７　

６００℃回火　

注：碳当量Ｃ　＝ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５。　

２．２解决措施　

心水轮机轴的化学成分，但考虑到目标锻件规格　

较大，还需适当提高锻件的性能富余量以充分保　

证其整体性能。在材质④的基础上进一步优化成　

针对该水轮机轴在调质过程中存在的难点，　

技术人员尝试取消调质热处理，优化钢种成分，仅　

通过锻后热处理实现整体强韧性要求，这样可省　

去一道工序，极大地降低制造成本。　

分，提高ｃｒ、Ｎｊ含量，控制碳当量在０．５８～０．６，水　

轮机轴优化后的化学成分见表３。　

表３水轮机轴优化后的化学成分（质量分数。％）　

Ｔａｂｌｅ　３　Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　

表２为我公司同类产品前期生产情况，分析　

表中数据可以发现：　

（１）对于材质①（ｃ　＝０．４８），热处理采用　

“空冷＋喷雾＋回火”的方式进行，尽管冲击韧性　

ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｈａｆｔ　ｆｍａｓｓ　ｆｒａｃｔｉｏｎ，％）　

Ｃ　Ｓｉ　Ｍｎ　Ｃｒ　Ｎｉ　Ｍｏ　Ｖ　Ｃ　ｑ　

成分　Ｏ．２９～　Ｏ．３０～　１．２８～　０．１９～　Ｏ．１９～　Ｏ．０９～　０．０４～　Ｏ．５８～　

范围　０．３１　０．３５　１．３２　Ｏ．２１　０．２１　０．１５　Ｏ．ｏ６　０．６ｏ　

值较高，但强度较低，仍需通过调质返修方能使其　

强度提高至目标要求，因此该材质无法仅通过锻　

后热处理生产水轮机轴，还需进行调质。　

内控　Ｏ

成分　３Ｏ　０．３２　１．３０　Ｏ．２Ｏ　０．２０　０．１　０．０５　Ｏ．６Ｏ　

．

（２）材质②通过增加Ｃ、Ｍｏ及Ｖ的含量来提　

高碳当量（Ｃ　。＝０．６１），锻后热处理（两次正火＋　

回火）可使其强度达到较高的水平，但冲击韧性　

３制造流程　

３．１炼钢工艺　

极低，即使返修提高回火温度，韧性指标仍无法满　

足要求，因此该材质也不适用于水轮机轴的生产。　

根据制造大纲要求，炼钢采用ＶＤ＋ＶＴ的工　

艺方式，钢锭重２７２　ｔ，具体工艺流程为：电炉粗炼　

（３）利用材质③生产，锻后热处理时鼓风冷　

却使锻件整体强韧性达到较好的水平，但强度值　

钢水一ＬＦ精炼炉－＋升温一合金化一精炼炉真空　

（ＶＤ）一微调成分一真空浇注（ＶＴ）一热送。　

检测钢液的化学成分，见表４。　

３．２锻造工艺　

仍有一定差距；在此材质基础上，适当添加Ｎｉ、　

Ｍｏ、Ｖ含量提高碳当量至０．５８（材质④），锻后热　

处理时空冷即可获得较高的强韧性，按此指标基　

本可用于水轮机轴的生产。　

综上所述，可参考材质④制定超长大直径空　

水轮机轴锻件重１４８．８９　ｔ，锭身利用率　

５４．７％。锻造过程分四火完成，锭身下料后，用带　

孔上球面墩粗板墩粗，冲孔之后芯棒拔长。由于　

３９　

Ｎｏ．２　

Ｍａｒｃｈ　２０１７　

《大型铸锻件》　

ＨＥＡＶＹ　ＣＡＳＴＩＮＧ　ＡＮＤ　ＦＯＲＧＩＮＧ　

表４水轮机轴用钢锭化学成分（质量分数。％）　

Ｔａｂｌｅ　４　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｇｏｔ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　

辅具改造成功实现了大型水轮机主轴的整体锻　

造。主要改造方法包括：（１）使用球面镦粗板镦　

粗及大砧宽比拔长的方法，可以有效缓解冲孔凹　

ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｈａｆｔ（ｍａｓｓ　ｆｒａｃｔｉｏｎ。％）　

Ｃ　ｌ　Ｓｉ　ｌ　Ｍｎ　ｌ　ｃｒ　ｌ　Ｎｉ『Ｍｏ　　Ｖ　ｌｌ　Ｃ　

实际成分ｌ０．２９｛０．３２ｌ１．２８１０．２０１０．１９１０．１ｌ０．０４１０．５８４　

心，解决端部占料问题；（２）设计芯棒给排水加长　

管，改造了芯棒冷却系统，解决超长件芯棒拔长排　

水问题；（３）利用现有芯棒辅具，设计采用先尾端　

（水口端）后前端（冒口端）的倒拔式锻造方式，实　

现超长空心水轮机主轴的整体锻造。　

３．３热处理工艺　

现有芯棒长度限制，采用分段拔长，先拔长水口端　

凹档，后拔出冒口端凹档，精整出成品。　

锻件法兰端外径　２　６５０　ｍｍ，内孔尺寸为　

０７２０　ｍｍ，对于这种小孔、大直径的轴类件，在锻　

造成形过程中普遍会出现凹心现象；其次，法兰端　

占用坯料过多，极易导致锻件总长度不足的问　

题　；另外，该锻件毛坯的内孔长度达９　９３５　ｍｍ，　

而我厂的芯棒长度最大仅８　０００　ｍｉＤ＿，故利用现有　

辅具无法完成该水轮机轴锻件的锻造。　

为解决上述生产技术难题，避免增加辅具投　

入，从而降低产品制造成本，我们通过工艺创新及　

为调整和改善锻件在锻造过程中形成的过热　

和粗大不均匀组织，降低锻件内部化学成分与金　

相组织的不均匀性，细化材料的奥氏体晶粒，提高　

锻件的超声检测性能，消除草状波　Ｊ，最终使锻　

件达到验收标准规定的力学性能要求，锻后热处　

理采用“两次正火＋回火”的方式。锻后热处理　

工艺曲线如图２所示。　

ｐ　

＼　

６００　／　／　

／　

越　

赠　

时间／ｈ　

图２水轮机轴锻后热处理工艺曲线　

Ｆｉｇｕｒｅ　２　Ｔｈｅ　ｃｈｉｖｅ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｆｔｅｒ　ｆｏｒｇｉｎｇ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｈａｆｔ　

４结果分析　５结论　

粗加工时分别在该水轮机轴的水、冒口两端　

通过对超大直径空心水轮机轴的研制，得出　

以下结论：　

取样，每端均对称１８０。取切向和轴向试样进行力　

学性能检验，且水、冒口取样位置互成９０。。取样　

检测结果见表５。　

表５水轮机轴性能检测结果　

Ｔａｂｌｅ　５　Ｔｈｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　

ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｈａｆｔ　

适当优化钢种化学成分，仅通过锻后热处理　

使锻件整体强韧性达到较高水平，锻后热处理采　

用“两次正火＋回火”方式，可有效改善锻件组织　

整体均匀性，产品性能满足用户要求，并且缩短工　

艺周期，较好地实现了降本增效的目的。　

ＨＢＷ　取样位置　Ｒｍ　Ｒｐ０　２　Ａ　

ＭＰａ　ＭＰａ　％　

Ｚ　

％　

０℃　

Ｊ　

参考文献　

［１］　王维宁．正火（淬火）温度及回火温度对ＡＳＴＭ　Ａ６６８　ＣＬ．Ｅ　

水口　０。切向　６３１　３７３　３１．Ｏ　６１．５　５１、４０、４１　１９１　

１８０。轴向　６２９　３６９　２６．５　５８．Ｏ　６３、５８、４５　ｌ８８　

冒口　９Ｏ。切向　６１２　３６０　３Ｏ．５　６３．Ｏ　６９、７１、４８　１９５　

２７０。轴向　６１５　３６４　３１．５　５９．５　６３、６３、５１　１８９　

钢性能的影响［Ｊ］．大型铸锻件，２０１４（４）．　

［２］　董岚枫，钟约先，马庆贤，等．大型水轮机主轴锻造过程裂纹　

缺陷的预防［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），２００８，４８　

（５）．　

通过对四个取样位置进行“一拉三冲”的检　

测结果，可见该水轮机轴的各项性能指标均较好　

地满足用户要求，锻件整体强韧性达到较高水平。　

编辑杜敏