大鍛件用鋼 (steels for largeforging)

鍛制大型鍛件用的合金鋼。大型鍛件的生產和質量是一個國家工業發展水平的重要標志之一。由于鍛件的尺寸很大，截面很厚，所以大鍛件用鋼在合金設計和生產工藝上都有許多特點：為保證鍛件的大尺寸，在冶煉上需采用大容量的冶煉爐，在鑄造上需采用特大錠型；為解決大鋼錠加熱溫度高、保溫時間長，晶粒易粗大化和鍛造比小、變形不均勻、易出現混晶等問題，在制造工藝上需采取相應措施；為保證良好的綜合性能，需采用調質熱處理；為保證厚截面鍛件的淬透性，添加較多的鎳、鉻、鉬等合金元素。廣義地說，具有上述特征的用于制造大型鍛件的鋼統稱大鍛件用鋼。

分類按用途的不同，大鍛件用鋼主要可分為轉子用鋼、冷軋輥用鋼和壓力容器用鋼。

轉子用鋼汽輪機和發電機的轉子，是電站設備中的重要構件。根據工作壓力的不同，汽輪機的轉子可分為高壓、中壓和低壓三種；發電機的轉子要在1500～3000r/mm的高速旋轉下工作，并承受巨大的離心力、傳遞扭矩和彎曲應力，因此對轉子用鋼要求很高，不僅要具有高強度和高塑韌性，而且要求高的質量均勻性。對高中壓汽輪機轉子除上述要求外，還要在高溫(400～565℃)、高壓(≥90Pa)的蒸汽介質下長期工作。因此轉子用鋼除要求常溫力學性能外，還要求有良好的高溫性能。目前，大型發電機轉子用鋼的化學成分.基本上都采用鎳一鉻一鉬一釩系列。當鋼的鎳含量高于3.0％時，直徑超過1m的轉子，其心部也具有良好的淬透性，并可獲得強韌性匹配良好的下貝氏體組織。世界各國的典型轉子用鋼的化學成分列于表1。

表1 世界各國典型轉子用鋼的化學成分(％)

冷軋輥用鋼由于冷軋輥是在高的軋制速度、很大的軋制力等工況條件下工作，承受巨大的動載荷和靜載荷，因此，軋輥表面易產生“毛面”和磨損等缺陷，軋輥的中心孔和表面易產生疲勞裂紋，直接影響軋輥的使用壽命。為提高軋輥的使用壽命，要求冷軋輥用鋼必須具有高強度、足夠的表面淬硬層、高耐磨性、抗表面剝落性和耐熱沖擊性。目前，冷軋輥用鋼的化學成分基本上都采用高碳的鉻系合金鋼，如，9Cr、9Cr2、9CrSi、9CrV、9Cr2.0、9Cr2W、等，其化學成分列于表2。

表2 冷軋輥用鋼的化學成分(％)

壓力容器用鋼隨著電力、化工和石油等各類反應器、鍋爐、高壓容器向高參數大型化方向發展，其結構也逐漸由使用鋼板的“板焊結構”，向使用大鍛件的“鍛焊結構”方向發展。壓力容器用鍛鋼進一步向高純化、高韌性方向發展(參見反應堆耐壓殼體用鋼)。

生產工藝主要包括冶煉、鍛造和熱處理。

冶煉鍛制大型鍛件需使用大型鋼錠。大鋼錠的單重在30到幾百噸范圍內。鋼錠越大，偏析等冶金缺陷越嚴重。因此，大鍛件用鋼的冶煉要求非常嚴格。為保證鑄造出特大鋼錠，一般都要采用兩臺以上的冶煉爐聯合配爐澆鑄，這樣就不必增大單爐容量，減小因澆注時間長對耐火材料的侵蝕和鋼水溫度的降低。冶煉時必須精選原料，嚴格控制冶煉不易去除的有害元素如硼、銅、錫、銻、砷等。鋼的初煉可采用大型堿性電弧爐、大型轉爐等，初煉的鋼水必須進行爐外精煉和真空脫氣，最大限度降低鋼中的硫、磷和氣體含量，以獲得硫、磷均低于0.005％、氫低于2×10^-6、氧低于30×10^-6，氮低于40×10^-6的高純凈鋼。為減少偏析和缺陷，大型鋼錠的鑄造要采用新的澆注技術，如旋轉澆注法、空心鑄錠法和定向凝固鑄造法等。

鍛造鍛造工藝的目的主要有兩個，一是將鑄錠經濟地鍛制成所需要的形狀毛坯，即成型；二是改善金屬組織，通過鍛造破壞鑄錠的鑄態組織，使組織均勻化，使晶粒細化，使氣孔、疏松、縮孔等缺陷“焊合”。通常，大型鋼錠都由冶煉車間直接熱送到鍛壓車間。為使缺陷“焊合”，大鍛件的鍛造一般都在壓力很大的水壓機上進行，主要采用自由鍛工藝。

熱處理由于尺寸效應的影響，大鍛件的熱處理有自己的特點，必須充分考慮大鍛件的冶金特性、大鍛件在熱處理中產生的瞬時應力和殘余應力、相變潛熱對加熱和冷卻過程的影響、回火脆性和組織細化等。大鍛件的熱處理主要有兩種：第一熱處理和第二熱處理。

第一熱處理也稱鍛后熱處理，主要目的是防止產生白點、提高化學成分的均勻性、細化組織、消除混晶現象等，為超聲波探傷和最終性能創造內部組織條件，為降低硬度消除應力便于粗加工創造條件。若在冶煉過程中鋼中的氫含量降至2×10^-6以下時，則第一熱處理將主要考慮晶粒細化和消除混晶現象。

第二熱處理即最終性能熱處理，其主要目的是使粗加工后的大鍛件獲得所需要的最佳組織，以保證大鍛件的良好綜合性能。第二熱處理通常采用的工藝主要有調質、正火加回火、正火加時效等。對要求高硬度的鍛件，如大型冷軋輥，其最終熱處理應采用淬火加低溫回火，以滿足使用要求。