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摘要：本文主要介绍了2Cr12NiMo1W1V、2Cr11Mo1VNbN等马氏体钢材料所制造的汽轮机阀杆（以下内容简称阀杆）在氮化后的弯曲变形超标现象，并针对该现象对阀杆的生产全流程进行了分析，最终确定了造成阀杆在氮化过程中产生变形的根本原因，同时针对其弯曲变形采取了一系列的预防控制措施，最终消除了马氏体钢制汽轮机阀杆氮化后弯曲变形超标质量问题。
关键词：马氏体钢；阀杆；弯曲；防止
1引言
1.1阀杆简介
阀杆是汽轮机组阀门部套的关键零部件，在机组运行中通过阀杆的上下提升，控制与其连接的阀芯内部阀座、阀碟等相关零部件的运动，从而控制阀门进汽管道内蒸汽流的通断以及流量调节，最终实现汽轮机组以及发电机组的功率调节，直接关系到电厂的发电量输出控制以及电网负荷的调节[1、2、3]。由于电厂覆盖地区用电需求的波动，发电机组需频繁的调节输出功率，因此汽轮机组中阀杆的提升运动十分频繁。
1.2阀杆的生产工艺流程
阀杆在汽轮机机组内阀门内部环境的运行难点为高温蒸汽、轴向载荷、外圆频繁的相对滑动摩擦。因此，对于汽轮机组阀杆的生产制造工艺上具有相当高的要求，其基本生产制造流程为：自由锻—调质—去应力退火—机械加工—氮化—精磨—装配。
现有汽轮机组阀杆主要采用2Cr12NiMo1W1V、2Cr11Mo1VNbN等屈服强度在650MPa以上的马氏体耐热钢制造，以保证其在最高600℃的高温蒸汽环境下仍具有相当的机械性能，而最终的氮化工序则可使其表面强化，在高温蒸汽、频繁轴向往复运行过程中提高自身的耐磨、耐蚀性能。
2阀杆氮化后的弯曲变形以及校正
2.1阀杆的弯曲变形
由于阀门零部件均采取延垂直装配，涉及的零部件较多，均以阀杆为中心安装，基于上述安装情况及阀芯零件的行程设置，因此阀杆均为细长杆形状，大部分品种直径在40mm至80mm，长度500mm至1500mm，长径比大部分分布于10-20之间，属于低刚性零件。但由于安装精度要求，阀杆最终安装状态要求整体长度范围内弯曲跳动量在0.1mm以内。
在实际生产中，阀杆在经过的氮化工序后，每炉次有约30%-40%的数量会发生弯曲变形超标的情况，弯曲量在0.15mm-0.5mm范围内，无法满足精磨以及安装要求。
2.2弯曲阀杆的校正
经过氮化后，阀杆表面组织与氮原子反应形成一层深度在0.3mm-0.4mm范围的致密Fe-N化合物层，硬度高达HV650-1000，该化合物层与基体组织之间的结合过渡层很窄，形成一种外部硬、脆，内部强、韧的结构。所以，在此情况下，如使用冷态下跳动高点机械加压弯曲方式进行校直，施加的必须大于其基体屈服强度，该力会导致加压弯曲处截面的氮化层承受巨大的拉应力和压应力，直接产生周向崩裂。
为避免冷态下校形造成阀杆报废，生产中采取对阀杆跳动高点侧多点加热、快冷的方式，通过阀杆跳动高点侧热应力激变产生的反向拉力，逐步将其校正。
同冷态校形情况一样，热校过程中氮化层硬、脆的特性同样会带来开裂的风险：（1）加热温度较高（基体奥氏体化临界温度，约800-900℃），快冷时触发马氏体转变产生较大组织应力，拉裂氮化层；（2）加热部位加工纹路形成应力集中点，快速冷却时形成开裂。
对比冷校的不可操作性，热校方式是氮化后的阀杆唯一能够采用的校正手段。在采取控制加热温度、提前表面抛光等有效预防措施情况下，能够保证弯曲阀杆的校正，但也会存在10%-20%的氮化层开裂几率，造成废品损失。
3阀杆弯曲变形分析
3.1阀杆弯曲原因
如阀杆变形是氮化工序本身的原因所致，则可能归集的原因只有2个：（1）炉内氮化气氛不均匀；（2）炉内温度不均匀。如是该2个原因造成阀杆弯曲，则弯曲的阀杆在炉内必定是随设备缺陷部位规律性的分布，但经观察，弯曲阀杆随机分布，未见有规律性。
根据现有生产过程，阀杆坯料为自由锻成型，卧式装炉调质。部分坯料在机加工前存在弯曲，经测量约在3-5mm，其数量与上述2.1所提及的“每炉次约30%-40%弯曲变形”情况基本吻合，因此阀杆弯曲与坯料的原始弯曲变形相关。
3.2阀杆内部应力释放、平衡与转变
根据氮化过程加热情况，保温温度为550-600℃，保温时间30-50小时，该过程为一个理想的人工时效过程，即在加热条件下解除材料常温条件下屈服强度对内部应力的约束，加快零件内部应力的释放。应力的释放唯一的结果便是引发零件的变形。该过程在生产中也可称之为去应力退火，但该过程并非是将应力消除掉，而是将应力转化为零件的变形，使其内部基体组织达到一种平衡的状态，不再具有变形趋势。反之，如将弯曲的阀杆通过外力校正或不均匀去量加工去除高点，其内部会重新形成应力。
对于调质后产生弯曲阀杆坯料，在粗加工、去应力退火过程中，会由于高点、低点车削去量不一致产生加工应力释放，同时其内部也可能会有未完全转变的残余奥氏体转变为马氏体产生的组织应力释放，在两种应力的综合作用下使阀杆坯料仍按原有情况弯曲，即弯曲“继承”现象。
3.3制造过程中工序衔接的问题
基于上述情况可以看出，阀杆坯料如存在弯曲，则按现有的生产制造流程进行生产后，最终的成品阀杆会“继承”原坯料弯曲形式，只是弯曲量会减少。
对于该问题，经对整体生产流程进行分析，可以看出，阀杆从坯料到成品的过程，整体上看可以分为“热加工1提供坯料—机加工—热加工2氮化”三个环节。对于机加工环节，机加工操作者接收到坯料后，即使坯料存在一定的弯曲，但余量能够满足最终成品的加工要求，考虑到生产周期要求是选择直接进行加工。由于机加工设备均为封闭式数控设备，操作者无法观测到加工过程中因弯曲导致的去量不均匀现象。同时加工时间较短，在加工完毕后阀杆短时间内呈直线状态。该直线状态是不稳定的，因此在进行氮化时，受热后应力释放又重新引发弯曲。
综上所述，由于制造流程中各工序之间的衔接中未彻底消除引发阀杆弯曲变形的应力，导致阀杆氮化中内部应力释放，引发弯曲变形。
4防止措施
4.1氮化前变形阀杆的校正试验
通过对阀杆制造过程中弯曲变形机理的分析可以看出，加工制造过程中阀杆内部应力残留，在氮化过程中释放引发弯曲。要彻底解决氮化后阀杆的弯曲，最重要的便是需要在氮化前消除阀杆内的应力，校正直线度并阻断应力的残留。
经模拟试验，已弯曲的长杆件经机械施压校正、去应力退火后，重复弯曲量为原有弯曲量的30%-50%，总体呈下降趋势，但需重复校正、去应力退火，大部分试验件经过反复三次校正，可将弯曲量控制在0.1mm之内。
如此反复校正工作量较大，效率低。为提高效率，首次校正时选择将校形量提高，促使试验件反向弯曲一定范围，用以抵消重复弯曲。经验证，反向弯曲量控制在原有弯曲量50%-60%，经去应力退火后可一次性将80%以上的试验件将弯曲量控制在0.1mm以内。
4.2校正时期及设备的选择
由于校正后需增加去应力退火，势必会造成零件表面一定程度的氧化，影响后续氮化。因此，校正工序选择在精加工完成前进行：零件在成品尺寸基础上保留0.5mm余量条件下校正、去应力退火，如此可保证最终阀杆的直线度，内部组织无残留的应力。
对于校正设备，由于此阶段的阀杆校正量较小，最大弯曲量已在1mm以内，因此不适合使用大型液压设备。经对弯曲强度进行测算，选用10T手动液压千斤顶作为校正动力，并制作一台两点支撑的专用校正仪，配合双顶尖偏摆仪和百分表进行阀杆的校正和测量。
4.3生产验证
经对自增加校正工序后一年内的阀杆氮化生产情况进行跟踪统计，氮化工序共计产出约300-400件阀杆，氮化后均未再次产生0.1mm以上的变形，校正方案取得十分良好的效果。
5结论及后续讨论
5.1结论
（1）引发阀杆氮化后产生弯曲变形的主要因素为坯料的原始弯曲，坯料的弯曲在制造过程中会转化为零件内部应力，氮化过程释放引发弯曲。（2）零件内部的应力与零件的弯曲变形在制造过程中幅度会逐渐降低。（3）氮化前校正阀杆，可有效阻断应力的残留，防止氮化后的弯曲。
5.2后续讨论
阀杆内部的加工应力与组织应力的相互作用关系尚不明确，有待进一步研究。
参考文献
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[3]陈静,王文生.国产化汽缸盖螺栓疲劳极限影响因素分析及工艺改进[J].江苏科技信息,2016,(24): 56-60.doi:10. 3969/j.issn. 1004-7530. 2016. 2 4.021.