大锻件用钢 (steels for largeforging)

锻制大型锻件用的合金钢。大型锻件的生产和质量是一个国家工业发展水平的重要标志之一。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，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大锻件用钢。

分类按用途的不同，大锻件用钢主要可分为转子用钢、冷轧辊用钢和压力容器用钢。

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。目前，大型发电机转子用钢的化学成分.基本上都采用镍一铬一钼一钒系列。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。世界各国的典型转子用钢的化学成分列于表1。

表1  世界各国典型转子用钢的化学成分(％)

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。目前，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，其化学成分列于表2。

表2  冷轧辊用钢的化学成分(％)

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(参见反应堆耐压壳体用钢)。

生产工艺主要包括冶炼、锻造和热处理。

冶炼锻制大型锻件需使用大型钢锭。大钢锭的单重在30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铸，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和钢水温度的降低。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，初炼的钢水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、磷均低于0.005％、氢低于2×10^-6、氧低于30×10^-6，氮低于40×10^-6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。

锻造锻造工艺的目的主要有两个，一是将铸锭经济地锻制成所需要的形状毛坯，即成型；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。

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、相变潜热对加热和冷却过程的影响、回火脆性和组织细化等。大锻件的热处理主要有两种：第一热处理和第二热处理。

第一热处理也称锻后热处理，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含量降至2×10^-6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。

第二热处理即最终性能热处理，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，以保证大锻件的良好综合性能。第二热处理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。