侯 猛

天津重型装备工程研究有限公司，天津 300457

1 概述

在大锻件中，封头的形状比较特殊，是一个不均匀的半封闭的空心体。封头一般有平、球、椭球、锥形等多种形状[1]，在加氢核电等大型锻件中球形封头的应用比较广泛，它们是以球冠为基本构造，其中较为特殊的是核电上应用的水室封头，在它的球形基体上有一些贯通的孔和管嘴。本文以球形封头为代表来简述封头类产品的淬火入水方式。

2 淬火时的影响因素

影响大型锻件产品淬火的影响因素很多，由于加氢、核电等应用的多为低碳合金钢，在淬火时为了获得贝氏体组织，尽量避免产生大量的先共析铁素体或先共析铁素体和珠光体[2]，一般要求有较快的冷却速度，因此多采用较为激烈的淬火方式—水淬。影响水冷却能力的因素主要是水温[3]、水槽的容量、水循环速度以及水流方式。为了增强水的冷却能力，增加水槽容量、增强水循环速度、改善水流方式（包括流速和流向）是必要的，然而已有研究表明当锻件淬火结束后水温上升≤10℃[1]，水槽容量和水循环速度就已足够。

除了以上所说的各种因素外，锻件的入水方式也是影响淬火结果的一项因素，尤其是对一些形状复杂或者形状特殊的锻件，要获得理想的淬火效果并不容易，比如AP1000的整体顶盖封头，由于其内径较大，球冠较深，淬火条件不好，最终性能受到影响[4]。考虑到生产成本，在不改变水槽、循环系统等硬件设施的情况下，可以通过淬火方式的改变来达到提高淬火质量的目的。封头类锻件由于其特殊的形状，在淬火时较易出现变形，因此淬火入水时要给予充分的考虑。

3 淬火方式概述

3.1 球形封头

球形封头一般主要以开口朝上的入水方式淬火。上封头、底封头等一般为厚度均匀、形状规则的球冠形状，并且球形表面为封闭结构。

其淬火方式主要有以下几种：

1）专用料盘淬火方式。此类封头淬火之前预先设计一个专用淬火料盘，料盘中间根据封头尺寸设计一个合理大小直径的透孔，淬火加热以及入水时将封头开口朝上坐于透孔上，透孔大小保证封头底面不超出料盘底面，为保证热均匀以及随后淬火的冷却效率，料盘的其它部位合理的开一定大小的透孔。淬火时，用天车平稳吊起料盘浸入水中；

2）焊吊钩淬火方式。淬火之前，先在封头开口端每隔90°均匀焊接四个相同的吊钩，淬火时用四个吊钩同时将锻件吊起，这样可以在一定程度上防止封头过度变形，能够更加平稳的将封头浸入水中[5]，但是淬火时封头内会有积水；

3）专用料圈淬火方式。专用料圈淬火方式其实与料盘淬火方式类似，由于料盘的制造相对要复杂费工，可以将其简化为料圈形式，省时且节约成本。根据封头尺寸制作一较封头开口端直径小的料圈，淬火时用料圈从封头底侧套起，用单臂吊托住料圈将封头浸入水中。

以上3种方式，均可使封头外表面获得较好的冷却效果，但是封头的内表面由于封头的形状，较容易存水，不能及时将水排走，使热量部分储存，使本来就冷却较慢的内侧的冷却能力进一步降低，影响了内表面尤其是底面的冷却效果。

3.2 水室封头淬火方式

水室封头与一般球形封头的主要区别是水室封头的球形表面上有一些接管嘴和透孔，这些接管嘴也将封头球形表面内外贯通，所以水室封头的外表面的形状和构造要复杂一些，这种形状和构造也使其淬火特性与一般的球形封头表现出明显的不同。

水室封头的淬火一般是以开口朝下方式入水， 这种入水方式会导致淬火初始阶段产生的大量蒸汽不能及时排出，尽管球形面上有一些透孔，进而延长了蒸汽膜阶段持续的时间，使得水室封头内侧冷却速度降低，尤其是底部会有大量蒸汽的聚集，阻碍了淬火介质与锻件的接触，热量不能及时被带走，往往导致冷却不足，不能获得所需的组织，影响了淬火质量。

日本室兰厂曾经在管板淬火时在管板底部凹槽处安置了排气管，以使淬火时产生的大量蒸汽能够及时排出[5]，这种方法给我们提供了借鉴，水室封头淬火之前也可以安装设置这样一种机构，使蒸汽及早尽快的排出，缩短蒸汽膜阶段，有利于淬火质量的提高。

由于大型锻件在淬火时释放的热量非常的大，同时产生大量的蒸汽，尤其是淬火的初始阶段，如何及早的破除蒸汽膜，尽快进入到淬火的第二个阶段-沸腾阶段，将直接影响淬火的冷却能力，尽管采取了一些措施，但是这些蒸汽不可能全部通过排气管及时的排出。因此借鉴了封头料圈的淬火方式，可以设计一个专用的料圈，在保证足够起吊强度的情况下，尽量减少与封头表面的接触面积。这样可以使水室封头以开口端朝上的方式入水，就能使封头内表面的蒸汽不受锻件底部的阻挡顺利排出，但料圈的应用要注意凸出外表面管嘴的影响。由于凹面的存在必然阻挡了凹口处的水流形态，影响了该处的水循环，不能对附着在锻件表面的蒸汽膜有较好的冲刷作用，这种负面影响值得重视，可以通过其他措施进行改进。

4 结论

对于有些锻件，因其特殊性受入水方式的影响较大，因此研究并改进锻件的淬火入水方式有时会起到比较明显的效果。选择一种合理的、较低成本的、便于操作的淬火入水方式将会非常有利于生产效率的提高。

[1]康大韬，叶国斌.大型锻件材料及热处理[M].北京：龙门书局，1998.

[2]王珉，刘慧琳.16MND5稳压器锻件的工艺研究[J].核动力工程，1999，20(4).

[3]崔忠圻.金属学与热处理[M].机械工业出版社，1998

[4]毛昌森，陈忠灼，陈富彬.AP1000反应堆压力容器大锻件的制造难点与监造风险分析[J].中国核能可持续发展，2008.

[5]第二重型机器厂编.大型铸锻件专有技术赴日培训总结，1988.