本發明屬于冶金技術領域，尤其涉及一種核電用電機軸的制備方法。
背景技術：
CAP1400是指裝機容量為140萬千瓦的先進非能動核電技術，是在我國《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中，明確提出的具有自主知識產權的第三代核電技術。CAP1400項目旨在目前安全性和經濟性較好的AP1000技術基礎上，通過消化、吸收和再創新，形成具有我國自主知識產權、功率更大、安全性更高、壽命更長的大型先進壓水堆核電技術，是世界上唯一的裝機容量為140萬千瓦的先進非能動核電技術。電機軸是CAP1400項目中核主泵中屏蔽電機中的主軸，貫穿于整個屏蔽電機，其所起的作用是無可替代的。
目前，在國內外還沒有廠家可以生產CAP1400項目核主泵屏蔽電機用電機軸鍛件產品，主要因其產品尺寸大、要求材料組織均勻、對磁性能及沖擊性能要求嚴格，因此研究一種核電用電機軸的制備方法，十分有必要。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明提供一種核電用電機軸的制備方法，目的在于解決現有技術無法生產CAP1400項目核主泵屏蔽電機用電機軸的問題，實現其在核主泵屏蔽電機上的應用，并推廣于其它核電項目。
為了實現上述目的，本發明核電用電機軸的制備方法，具體包括以下步驟。
步驟（1）按重量百分比計，將ASTM A336M Grade F6材料電渣用母材電極的成分控制在：Ni 0.25-0.40%，Cr 12.00-13.00%，Mo 0.30-0.45%，Mn 0.30-0.50%，Si 0.20-0.40%，C 0.08-0.11%，Co≤0.05%，Al≤0.05%，P≤0.015%，余量為Fe ，H≤1.0ppm，O≤50ppm，N≤150ppm；電極電渣成尺寸為Φ900-Φ950mm的電渣鋼錠，電渣過程中熔煉電流控制為15000-18000A，重熔電壓控制為75-90V；電渣過程中的渣料選用預熔渣，渣料組元及含量為：CaF2：30-35%；Al2O3：40-45%；CaO：20-25%；MgO：5-8%，其中，H2O≤0.06%，C≤0.05%，S≤0.015%，P≤0.015%。
步驟（2）、當所述電渣鋼錠熔煉完成且成分滿足步驟（1）要求后，方可進行鍛造；鍛造始鍛溫度為1150±15℃，終鍛溫度為850±15℃；鍛造高溫區（1000-1150℃）進行大變形量變形，每次壓下量為50-60mm；鍛造低溫區（850-1000℃）進行相對小變形量變形，每次壓下量為20-30mm；鍛造后坯料尺寸達到Φ480±7mm規格。
步驟（3）、所述步驟（2）完成后對鍛坯進行正回火處理；正火處理溫度970±15℃對坯料保溫15-15.5h，隨后空冷；正火處理完成后對坯料進行機回火處理，回火處理溫度730±10℃對坯料保溫20-20.5h，隨后空冷；正回火處理過程中升溫速度控制為不大于60℃/h。
步驟（4）、所述步驟（3）完成后，對電機軸鍛件進行淬回火的性能熱處理，淬火溫度970±15℃對坯料保溫12-12.5h，隨后液體冷卻到室溫；回火處理溫度732±10℃對坯料保溫20-20.5h，隨后空冷到室溫；淬回火處理過程中升溫速度控制為不大于35℃/h。
步驟（5）、所述步驟（4）完成后，對電機軸鍛件進行機加工處理，并對其兩端切取試料，之后對試料進行焊后模擬消除應力熱處理，熱處理工藝為：試料加熱到732℃±14℃并保溫30±1小時后；以每小時不大于55℃的速度冷卻到315℃以下后，空冷至室溫。
本發明的有益效果。
本發明的核電用電機軸制備方法，采用電渣重熔工藝制備原材料鋼錠，整體工藝流程具體為：材料成分優化，生產電級，電渣重熔，鍛造成型，段后處理，性能處理，產品加工；其中材料成分優化很關鍵，其材料的性能要求不但需要具有較高的沖擊韌性指標，還要求具有非常高的磁性能指標，兩者的指標要求對于材料本身來說是矛盾的，因含有較多的鐵素體組織及穩定的回火馬氏體組織材料才會獲得良好的磁性能指標，而較多的鐵素體組織會大大降低材料的韌性性能指標，所以對材料中Cr、Si、Ni、C、Mo等主要元素的含量優化設計可有效地平衡組織，并可找到一個既提高了材料的磁性能指標又對其沖擊韌性指標影響不大的含量成分點，達到提高材料綜合性能的目的；另外，電渣重熔不但可改善材料的組織均勻性，更可有效提高材料的純凈度，提高產品質量，降低材料產品產生不合格品的概率，優化的鍛造工藝方法可有效破碎材料的晶粒及樹枝晶結構，均勻組織，改善性能；優化的熱處理工藝方法，可有效提高材料的組織均勻性，提高材料的使用性能。
本發明電機軸采用的馬氏體不銹鋼（ASTM A336M Grade F6）是一種核主泵用材料，該合金的突出特點是磁性能優良；H、O、N等有害氣體元素要求低。具有相對高的初熔溫度，良好的強度及韌性指標，以及較好的抗冷熱疲勞性能。并且材料成分優化過程中嚴格控制其成分配比，尤其是提高C、Cr的含量，添加Ni元素可有效提高材料在淬火處理過程中的淬透性；提高Mo含量，可有效增加回火過程中材料的穩定性，同時提高材料強度；提高Si、Cr等元素的含量，可有效提高材料的磁性能；Mn元素提高，可有效增大奧氏體相區，使其淬透性增強，有助于在性能熱處理過程中使軸產品獲得均勻的組織；并且嚴格限定Co≤0.05%，Al≤0.05%，P≤0.015%，限定Co元素是因為此元素在經過中子輻照后會使原子半徑增大，過多的Co元素會使其存在安全隱患；Al元素的限定是因為軸長期處于旋轉的工作狀態，Al元素含量高容易造成夾雜物的產生，過多的夾雜物會使長期遭受交變載荷作用的軸產品產生微裂紋，影響其安全使用性能；P元素容易使材料產生脆性轉變，限定其含量有助于軸產品提高自身的韌性性能，提高其使用安全性；各種元素成分含量的進一步優化，有效地提高了材料的綜合性能并使其完全可以達到CAP1400項目核主泵屏蔽電機用電機軸鍛件材料的使用要求。本發明在在電渣過程中所選取的渣系組元，不但可提高材料的熔化速率并可有效去除材料中的夾雜物，提高材料的純凈度，降低產品產生不合格品的概率。并且渣料選用預熔渣，可以使電機軸整體性能均勻，不會因為局部材料的成分或組織偏析而在使用時出現脆斷的現象，進而出現安全事故；采用的高溫區大變形量鍛造工藝方法可有效地破碎晶粒，改善鐵素體組織形態，使其呈細小彌散型分布，不但可以有效提高材料的磁性能并對降低材料的沖擊韌性能指標影響較小；鍛后采取正回火工藝處理可有效改善鍛件組織的均勻性，性能熱處理淬火過程中采用井式電阻絲加熱爐可有效保證軸鍛件上中下端加熱的均勻度，提高軸鍛件性能的整體均勻性，保證其使用過程中的使用性能。
本發明提供的電機軸制備方法得到的電機軸能夠滿足CAP1400項目核主泵屏蔽電機用電機軸鍛件產品的需求，所生產的電機軸產品無論在外形尺寸方面還是產品綜合性能方面均可達到其技術性能要求，是國內外首例能夠滿足工程需求的產品。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明做進一步的說明。
實施例1。
電渣用母材電極的成分控制在：Ni 0.28%，Cr 12.56%，Mo 0.34%，Mn 0.45%，Si 0.37%，C 0.106%，Co 0.02%，Al 0.015%，P 0.010%，Fe余量，H≤1.0 ppm，O≤50ppm，N≤150ppm。電極電渣成尺寸為Φ930mm的電渣鋼錠，電渣過程中熔煉電流控制為17000A，重熔電壓控制為85V；電渣過程中的渣料選用預熔渣，渣組元及含量為：CaF2：32%；Al2O3：42%；CaO：20%；MgO：6%，其中，H2O≤0.06%，C≤0.05%，S≤0.015%，P≤0.015%。
電渣鋼錠裝爐升溫到1150℃，保溫時間滿足要求后，出爐進行鍛造，并最終成型。
坯料鍛造完成后，對坯料進行鍛后熱處理，正火處理溫度980℃對坯料保溫15h，隨后空冷；正火處理完成后對坯料進行回火處理，回火處理溫度735℃對坯料保溫20h，隨后空冷；正回火處理過程中升溫速度控制為不大于60℃/h。
隨后對粗加工后的電機軸鍛件進行淬回火的性能熱處理，淬火溫度975℃對坯料保溫12.5h，隨后液體冷卻到室溫；回火處理溫度732℃對坯料保溫20h，隨后空冷到室溫；淬回火處理過程中升溫速度控制為不大于35℃/h。
CAP1400項目核主泵屏蔽電機用電機軸鍛件產品所需的綜合性能要求，見表1和表2；實施例1性能熱處理完成后，對電機軸進行機加工處理，并對其兩端切取試料，之后對試料進行焊后模擬消除應力熱處理，處理完成后進行最終性能檢測，熱處理工藝為：試料加熱到732℃±14℃并保溫30±1小時；以每小時≤55℃的速度冷卻到315℃以下后空冷至室溫，所測性能結果，見表3-表4。
表1 產品所需的力學性能要求。
表2 產品所需的磁性能要求。
表3實施例1制備得到的電機軸產品力學性能值。
表4實施例1制備得到的電機軸產品磁性能值。
實施例2。
電渣用母材電極的成分控制在：Ni 0.27%，Cr 12.62%，Mo 0.37%，Mn 0.48%，Si 0.35%，C 0.101%，Co 0.02%，Al 0.017%，P 0.008%，Fe余量，H≤1.0 ppm，O≤50ppm，N≤150ppm。電極電渣成尺寸為Φ930mm的電渣鋼錠，電渣過程中熔煉電流控制為17200A，重熔電壓控制為86V；電渣過程中的渣料選用預熔渣，渣組元及含量為：CaF2：32%；Al2O3：42%；CaO：20%；MgO：6%，其中，H2O≤0.06%，C≤0.05%，S≤0.015%，P≤0.015%；所測性能結果，見表5-表6。
表5實施例2制備得到的電機軸產品力學性能值。
表6實施例2制備得到的電機軸產品磁性能值。
實施例3。
電渣用母材電極的成分控制在：Ni 0.30%，Cr 12.45%，Mo 0.32%，Mn 0.47%，Si 0.40%，C 0.098%，Co 0.02%，Al 0.012%，P 0.012%，Fe余量，H≤1.0 ppm，O≤50ppm，N≤150ppm。電極電渣成尺寸為Φ930mm的電渣鋼錠，電渣過程中熔煉電流控制為16800A，重熔電壓控制為87V；電渣過程中的渣料選用預熔渣，渣組元及含量為：CaF2：32%；Al2O3：42%；CaO：20%；MgO：6%，其中，H2O≤0.06%，C≤0.05%，S≤0.015%，P≤0.015%；所測性能結果，見表7-表8。
表7實施例3制備得到的電機軸產品力學性能值。
表8實施例3制備得到的電機軸產品磁性能值。
由上述3個實施例的檢測結果可知，本發明所提供的一種核電用電機軸的制備方法所生產的電機軸產品各項性能均滿足產品及核電工程使用要求。