5CrNiMo动叶锻模的热处理

CEPC黑中国昆山网址1】INVSTLJTCOM“K、L模具材料及热处理技术F；、；、；、矗；、；固5CRNIMO动叶锻模的热处理董士良，方顺发，王亚鹏1上海宏钢电站设备铸锻有限公司上海2002402上海电气电站设备有限公司汽轮机厂上海200240【摘要】动叶锻模是在高温下通过冲击加压强迫炽热的坯料成为模锻动叶的工具。随着汽轮机制造技术不断发展，动叶型线发生了变化。锻模型腔深度增加，型腔与锻模平面部分区域的变化角度变陡，导致近段时间锻模在动叶模锻时发生了较严重的变形，严重影响锻模使用寿命。经分析，产生上述问题的原因是模具金相组织中存在大量的残余奥氏体。为此，专门对5CRNIMO材料的热处理工艺进行了分析。通过制定合适的工艺，成功解决了残余奥氏体的问题，延长了模具的使用寿命。关键词5CRNIMO；动叶锻模；残余奥氏体中图分类号TG316文献标识码BHEATTREATMENTOF5CRNIMOMOVINGBLADEFORGINGDIE【ABSTRACT】MOVINGBLADEFORGINGDIEISATHIGHTEMPERATUREBYSHOCKCOMPRESSIONFORCEDHOTFORGINGBLANKBECOMEBLADETOO1WITHTHECONTINUOUSDEVELOPMENTOFSTEAMTURBINEMANUFACTURETECHNOLOGY，MOVINGBLADETYPELINECHANGEDFORGINGDIECAVITYDEPTHINCREASED，ANGLEOFCAVITYANDPLANEREGIONSTEEPED，RESULTINGINNEARSECTIONTIMEDIEDEFORMATIONISMORESERIOUSINTHEMOVINGBLADEFORGING，SERIOUSLYAFFECTTHESERVICELIFEOFFORGINGDIETHROUGHANALYSIS，THECAUSEOFTHESEPROBLEMISTHEPRESENCEOFLARGEAMOUNTSOFRESIDUALAUSTENITEINMOLDSMIEROSTRUCTUREFORTHIS，THE5CRNIMOMATERIALHEATTREATMENTPROCESSAREANALYZEDSPECIALLYBYMAKINGAPPROPRIATEPROCESS，SUCCESSFULLYSOLVEDTHEPROBLEMOFRESIDUALAUSTENITE，PROLONGTHESERVICELIREOFTHEDIEKEYWORDS5CRNIMO；MOVINGBLADEFORGINGDIE；RESIDUALAUSTENITE1引言动叶锻模是在高温下通过冲击加压强迫炽热的坯料成为模锻动叶的工具。它在工作过程中除了承受较大的冲击负荷外，还受到很大的压应力、张应力和弯曲应力，以及模具型腔表面与加热至1，L80左右高温的锻件紧密接触，炽热金属在锻模型腔中流动所产生的强烈摩擦力，因而它的表面将被加热到300左右，极易造成锻模型腔的变形。我公司长期来一直使用5CRNIMO材料制造动叶锻模，由于以前生产动叶锻模的型腔深度较浅，型面的变化缓和，所以锻模型腔变形的问题未成为突出矛盾，随着汽轮机制造技术不断发展，动叶型线发生了变化，生产动叶的锻模型腔深度增加，型腔与锻模平面部分区域的变化角度变陡，这无疑给局部区域在工作过程中承受的冲击负荷、压应力、张应力更为集中，促使锻模型腔的变形。所以在近段时间应用于公司几十年的锻模热处理工艺进行处理的锻模在处理动叶模锻时发生了较严重的变形，其中D15L低压4级动叶的锻模的使用寿命非常差，一般一副模具只能生产100片左右的叶片，变形最严重时生产了1O余片叶片已不能继续生产。为此对按原热处理工艺处理的锻模失效原因进行了分析，由此而改进了锻模的热处理工艺，改进热处理工艺后的锻模使用寿命有了显著的提高，以使用条件最恶劣的D151低压4级动叶锻模为例，模锻了480片叶片后检查，锻模基本完好无损，仅在一处略有变形，只要稍作打磨仍不影响使用。模具制造2013年第L0期87模具技术网鲁HLLLWWW5ZM0105EOM模具制造立体传媒电子商务平台2原工艺处理的动叶锻模变形原因分析I动叶锻模原热处理工艺。动叶锻模原热处理工艺如图I所示。2热处理后在3副模具锻模的型面进行了硬度测定，其表面硬度为4143HRC，符合设计的技术要求。3热处理后的金相组织。锻模经上述工艺热处理后在3副模具的型面进行了现场的金相试验，检查结果发现，在组织中有大量的残余奥氏体存在，其中1副模具的残余奥氏体沿晶界呈网状分布，如图2所示。4变形原因分析。锻模经上述热处理后虽然其表面硬度符合标准的要求，这可能与测试的方法有关，因为如此的大型锻模表面硬度测量使用的是里氏硬度计。其测试的原理与台式布氏硬度计不同。里氏硬度计硬度测量的数值是低载荷下其弹性量确定，仅显示了锻模的表面硬度，掩盖了材料组织中残余奥氏体和加工硬化对硬度值的影响，而台式布氏硬度计硬度测量的数值是在3,000KG的载荷下其变形量确定，它不仅显示了锻模的表面硬度，也显示了锻模的次表面硬度，所以若材料组织中存在有残余奥氏体，残余奥氏体是硬度、强度较低的组织，那么测量的硬度必然低于里氏硬度计硬度测量的数值。因此，应用上述热处理工艺生产的动叶锻模，里氏硬度计测量硬度虽然符合设计的要求，但这仅在锻模的表面，在使用时锻模承受较大的冲击负荷，很大的压应力和张应力，组织中的残余奥氏体就会更容易变形，所受应力集中的部位发生塌陷，当残余奥氏体的量比较多时锻模的变形显然会加快。由于3副模具的金相组织中存在有大量的残余奥氏体，在动叶模锻时也就在应力集中的部位发生了较严重的变形，造成了模具的失效。赠赠3消除残余奥氏体工艺改进的研究3副模具早期失效分析后可知，主要原因是因为在组织中存在有大量的残余奥氏体，那么将残余奥氏体转变为回火马氏体是提高模具寿命的关键，为此对5CRNIMO的热处理工艺性能进行研究。315CRNIMO的等温冷却曲线5CRNIMO的等温冷却曲线如图3所示。由图3可以看出，5CRNIMO钢的奥氏体具有高的稳定性，因而它具有很好的淬透性，要防止在淬火时开裂。5CRNIMO钢AR，温度在640C左右，生产中先在空气中预冷至760780C，此时奥氏体的组织尚未发生转变，再淬人40C左右的轻柴油中，使模具快速冷却，它的M温度在230C左右，考虑到模具的尺寸较大，使其心部淬硬，又要防止开裂，所以待其在油中冷却至150C左右，即冒青烟而不着火出油空冷，在静止时间H图1动叶锻模原热处理工艺时间H图2锻模的金相组织200X88模具制造2013年第L0期CEPC愚黑中国昆山网址WSTLJTCORN赠LLIIIL。ILILAC1一一一一A一一_变兀、一一J50T为一一，一，、了、IMSM曼暑唇富古一工香_F。竹、I_IJIILL时间S图35CRNIMO等温冷却曲线32淬火温度的选择图4表示淬火温度对5CRNIMO钢硬度的影响。由图4可见在840880是硬度的最高峰，淬火温度继续升高时，硬度稍有降低，900以后几乎保持不变，这是由于残余奥氏体量增加的缘故。显然若淬火温度过低，则奥氏体合金度不高，钢的淬透性不足，回火稳定性也随之降低，以致影响模具在工作温度下的热力学性能；若淬火温度过高，则会增加淬火后的残余奥氏体量，模具在承受较大的冲击负荷，受到很大的压应力和张应力时发生变形。为了达到淬火后高的硬度和减少淬火后的残余奥氏体量，所以淬火温度选择在840860较合适。6362U6L置6O萋59585756、，|、_LJL8OH085090095010001050淬火温度，图4淬火温度与硬度的关系4回火温度的选择图5表示回火温度对5CRNIMO钢硬度的影响。锻模设计时要求硬度为4146HRC，从图5中可见模具在450530的范围回火均能满足要求，但是回火温度不宜太低，因为硬度过高会使模具韧性不足，在模锻时模面易出现裂纹，而回火温度也不宜太高，此时虽然提高了韧性，但硬度和强度也随之下降，从而使模面容易磨损和变形。因此选择合适的回火温度对模具的使用寿命极为重要。由于动叶锻模是大型的热锻模，考虑到5CRNIMO钢的奥氏体比较稳定，淬火后组织中存在有一定量的残余奥氏体，需23次回火才能消除，所以回火温度选择在480500较合适。同时5CRNIMO钢回火冷却过缓将出现回火脆性，韧性显著降低，为了避免回火脆性的产生，回火后应在油中快冷，但是最后必须进行16018O的低温回火，以消除因油冷而产生的内应力。UZ越、。、0100200300400500600淬火温度，图5回火温度与硬度的关系5改进热处理工艺的应用经过以上的分析研究，基本确定了动叶锻模的热处理工艺，为了验证改进热处理工艺的效果，选择使用条件最恶劣的D151低压4级左、右旋动叶锻模各一副进行试生产。该锻模的有效