【原】上充泵用Z5CND13-14材料锻件热处理工艺研究

上海电气凯士比核电泵阀有限公司

摘    要：本文为解决细长泵轴在加工过程中的变形问题对泵轴锻件材料的热处理工艺进行了改进，增加了稳定化热处理工序，目的是减少原材料内应力的方式降低加工过程中因内应力释放而导致的泵轴变形，从而降低最终机加工后的泵轴表面跳动，提高泵轴加工的合格率。本文通过对工艺改进前后的泵轴材料进行了机械性能分析，金相分析，残余奥氏体含量分析和残余应力分析，从而得出泵轴锻件的最佳热处理工艺。

关键词：泵轴、锻件、热处理、稳定化、研究

前言

我公司引进的德国KSB的上充泵，属于核电安全二级多级离心泵，上充泵在核电站中属于重要功能泵，核电站上充泵的主要功能是为反应堆一回路补充含有硼酸的水^[1]。泵轴为上充泵的重要功能部件，采用锻造精加工后进行喷丸加爆炸喷涂的加工方式。目前国内的泵轴多采用锻造加表面镀铬的方式，采用喷丸表面处理的较少^[2]。因喷丸过程中的高应力及精加工后的严格跳动使得泵轴容易变形，为保证泵轴表面跳动，需要在锻件原材料加工的过程中尽量降低原材料棒材的跳动，以保证最终的泵轴跳动满足设计要求。因国内并无此种泵轴制造加工的经验，首次国产化的泵轴精加工后出现锻件精加工后和泵轴喷丸后尺寸稳定性较差，跳动很难控制的问题，因此在首次国产化工艺的基础上提出了改进工艺。旨在通过改进前后工艺的研究，得到最佳的泵轴国产化工艺，从而提供泵轴国产化制造的合格率。

试验材料及方法

试验材料

核二级上充泵用泵轴选用RCC-M M3202 中的Z5CND16-04马氏体不锈钢材料，泵轴设计选用细长轴，泵轴的设计寿命为40年，轴长度约2300mm，最细处的直径约60mm，最粗处的直径约85mm，轴长径比达到30，且泵轴精加工后表面跳动要求小于0.02mm^[3]。

首次国产化时泵轴产品的冶炼工艺、锻造工艺及热处理工艺根据RCC-M标准的要求采用了电炉+电渣重溶的钢锭冶炼工艺，并将钢锭在2000T压机和5T锤上进行锻造；热处理采用淬火加回火加一次稳定化处理的方式。按照标准RCC-M M3202的要求热处理应采用材料的主要成分如表1所示，热处理工艺见图1所示。

改进工艺增加了一次稳定化处理工艺，并要求稳定化热处理时泵轴垂直放置。改进后的热处理工艺是淬火+高温回火+一次稳定化处理+二次稳定化热处，详细热处理参数见图2。稳定化热处理的温度确保不超过前一步热处理的温度，以保证材料性能热处理的性能。

为了保证试验结果的实用性，试验采用了与实际泵轴相同直径的短轴，试验所用的材料为Ø90mm*500mm的圆棒。圆棒采用和产品相同的冶炼工艺和锻造工艺，锻造后对一根短轴进行淬火+回火+一次稳定化处理，其工艺参数见图1和图2；对第二根短轴进行淬火+回火+一次稳定化处理+二次稳定化处理，一次稳定化处理前的工艺见图1和图2，第二次稳定化处理的工艺见图3。

表1：Z5CND13-04钢的化学成分要求

图1：泵轴的热处理工艺

图2：泵轴的第一次稳定化热处理工艺

图3：泵轴的第二次稳定化热处理工艺

试验方法

试验所用的所有试样分别取自Ø90mm*500mm的两根圆棒。拉伸试样为取自圆棒的1/2R处的Ø10mm标准试样，使用检测标准GB/T228.1-2010在UH-F500KNI万能拉伸试验机上进行测试；冲击试样为取自1/2R处的10×10×55mm的标准试样，使用标准GB/T229-2007在在JBN-300冲击试验机上进行测试；金相组织分别取自圆棒的芯部和1/2R处，使用检测标准GB/T13298-1991在AX10金相显微镜下进行测试；残余奥氏体分别在芯部和1/2R处取样，使用检测标准ASTM E975-13在X射线应力分析仪上进行测试；残余应力用X射线方法进行测定，检测位置为粗加工后的表面及每间隔0.1mm测量一点，检测执行标准为GB/T 7704-2008，所使用的试验设备为 Proto iXRAD 残余应力分析仪。

试验结果及分析

机械性能测试结果分析

工艺改进前后机械性能的测试结果见表2。工艺改进后抗拉强度降低了45MPa，屈服强度降低了94MPa，伸长率从提高了5%，收缩率增加了10%，冲击功平均提高了17J。

表2：机械性能比对表

金相组织测试结果分析

经过对工艺改前后材料的微观金相组织分析，工艺改进前后的金相组织均是保持马氏体位向的索氏体加奥氏体的组织。因金相组织并不能定量的分析成分的含量，但是通过金相组织的观察还是可以发现奥氏体组织的减少。

图4：工艺改进前芯部（左）、1/2R（右）金相组织

图5：工艺改进后芯部（左）、1/2R（右）金相组织

残余奥氏体含量测试结果分析

残余奥氏体的测试结果详见表3。由残余奥氏体的检测结果可得芯部的残余奥氏体的含量降低了约4.7%，1/2R处的残余奥氏体含量降低了约3.5%。

表3：奥氏体含量对比表

残余应力测试结果及分析

工艺改进前后内部残余应力的变化趋势请见下图6；工艺改进后泵轴表层0.25mm内有明显的降幅，最大的降幅达到100MPa。

图6：工艺改进前后残余应力分布趋势

讨论与分析

针对泵轴进行改进前后的试样进行分析，发现经过工艺改进后材料的强度略有下降，冲击韧性略有提高；增加稳定化处理后残余奥氏体向回火索氏体的转变更充分，提高了材料的韧性^[4]。对于细长泵轴锻件良好的冲击韧性对保证泵轴最终的跳动是有利条件，且降低后的强度依然可以满足标准的要求。

工艺改进前的金相组织可见到明显的马氏体位向，且可观察到奥氏体的占比比改进后要多。是因在改进前

马氏体不锈钢在进行淬火和回火后，必定存在一定量的残余奥氏体^[5]。残余奥氏体在材料中的存在有利有弊，残余奥氏体的存在有利于增加材料的韧性，同时因残余奥氏体本身的不稳定性，在加工过程中容易发生相变转变为马氏体，从而对加工过程中的尺寸稳定性造成一定的影响^[6]，因此大量残余奥氏体的存在对于加工跳动精度很高本身属于细长结构且不稳定的的泵轴来说是不利因素，但是在热处理的过程中在减少残余奥氏体的同时也需保留一定量的残余奥氏体以确保材料的韧性。结合机械性能的结果可判断，增加一次稳定化处理后残余奥氏体发生了部分转变，但是泵轴原材料也具备充分的韧性。

泵轴锻件内部的残余应力在热处理冷却过程中整个界面的冷却速度不同，温度的不同导致了残余应力的产生^[7]。因泵轴材料棒材热处理后冷却过程中表面温度低内部温度高，使得材料的心部为压应力，表面为拉应力。通过增加第二次稳定化处理后，泵轴锻件内部的残余应力不同程度的得到释放，使得整个界面内的残余应力不同程度的减少。内部残余应力减少后对后续车削和磨削加工过程中的尺寸稳定性可起到积极的促进作用。

结论

通过对泵轴改进前后工艺试验结果的比对分析发现，改进后的泵轴工艺材料的韧性提高、残余奥氏体含量降低、残余应力降低，且金相组织没有发现异常。所有试验的结果均显示工艺改进后泵轴的韧性改善，因此工艺的改进有利于提高泵轴加工的稳定性。所以泵轴材料的最佳热处理工艺可制定为：调质热处理+一次稳定化处理+二次稳定化处理。

工艺改进后将其应用在红沿河和宁德的替换轴项目上，此项目共有21根轴，在此项目的21根轴的制造过程中，并没有出现因锻件加工尺寸及跳动不合格导致的泵轴报废现象，精加工后的泵轴合格率达到100%，同时因精加工后的跳动得到了很好的控制使得喷丸和喷涂后的泵轴的合格率也得到很大的提高。

参考文献

[1]  党小荔. 细长轴类锻件加工变形研究进展. 金属加工，2002，5：57-59

[2]  卜铁伟. 热处理对马氏体不锈钢显微组织和性能影响. 热加工工艺，2017，34 (5)：82-83.

[3]  张鹏，李雅范，郑吉伟，赵忠刚，谢新佳. 第三代核反应堆冷却泵电机用转子轴锻件的研制. 上海大中型电机. 2015. No.2：11-13

[4]  Kesler O, Matejicek J, Sampath S, et al Measure-ment of residual stress in plasma-sprayed metallic, ceramic and composite coatings[J]. Materials Science and Engineering, 1998, A257: 215-224

[5]  J Rath, T Liibben, F Hoffmann, H-W Zoch, 顾剑锋. 高速水冷淬火过程中残余压应力的形成[J]. 热处理，2013，28(02)：42-45

[6]  刘金艳. X射线残余应力的测量技术与应用研究[D]. 北京工业大学，2009.

[7]  张铁浩，王洋，方喜风，赵毅，刘雪梅，李亚辉，梁鹏. 残余应力检测与消除方法的研究现状及发展[J]. 精密成形工程，2017，9(05)：122-127.