CN103276296A - 一种马氏体不锈钢环形锻件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种马氏体不锈钢环形锻件及其制造方法，属于不锈钢锻件制造技术领域。环形锻件的化学成分按重量百分比为：C：≤0.08％，Si：≤0.6％，Mn：0.40～1.20％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：11.0～15.0％，Mo：0.3～1.0%，Co：≤0.05%，Cu：≤0.02%，其余为Fe和不可避免的杂质。该环形锻件的制造方法包括冶炼、锻造和轧制。优点在于，制成的环形锻件，减少了锻造变形火次，提高了生产效率，获得了纯净度高、组织均匀，性能优良的马氏体不锈钢环形锻件。

Description

一种马氏体不锈钢环形锻件及其制造方法

技术领域

本发明属于不锈钢锻件制造技术领域，特别是涉及一种马氏体不锈钢环形锻件及其制造方法，主要适用于能源、冶金、机械、化工等领域。

背景技术

压水型核电站反应堆的结构基本由以下几个部分组成，反应堆堆芯、堆内构件、反应堆压力容器和顶盖以及控制棒驱动机构。其中的堆内构件在整个核电站的运行过程中起着很重要的作用，如起着支承和固定堆芯组件作用，并使驱动线对中，控制棒运动导向，同时又是冷却剂通道，对流量进行合理分配，减少无效流量，为压力容器提供热屏蔽，减少中子γ射线照射，还能为堆内测量提供安装和固定条件，为压力容器用材辐照监督试验提供存放试样场所。堆内构件在结构上由堆芯下部支承构件和堆芯上部支承构件组成，堆芯下部支承构件又由吊篮、堆芯支承板、围板和辐板组件、堆芯下栅格板、热屏蔽、辐照样品管以及二次支承组件组成。堆芯上部支承构件由导向筒支承板、堆芯上栅格板、控制棒导向筒、支承柱、热电偶和压紧弹簧组成。其中的压紧弹簧位于吊篮法兰和导向筒支撑板之间，是一个马氏体不锈钢的环形锻件，它将下部和上部堆内构件压紧在压力容器支承台上。在压紧弹簧环件可以补偿法兰的加工误差并提供足够压紧力，同时也能补偿堆内构件受压变形及产生的热膨胀量。当压力容器顶盖安装后，压紧弹簧被压缩用以限制上部和下部堆芯支撑组装件的轴向位移，因此压紧弹簧是堆内构件中一个重要的部件。

中国已经具备了30万-60万千瓦压水堆核电站自主设计能力，基本具备了第二代百万千瓦级核电站设计能力。中国自主创新的二代加压水堆核电技术已经在国内开始建设开工，2006年中国引进了目前世界上最先进的美国第三代压水堆核电站AP1000，该项目的引进，把我国的核电事业推向了一个新的高峰。无论是二代加的CPR1000还是三代的AP1000，堆内构件中都包括了压紧弹簧这一重要部件，在二代加技术中压紧弹簧采用Z12CN13马氏体不锈钢，在国内引进三代技术时，压紧弹簧环件仍然采用马氏体不锈钢。不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀介质中具有一定化学稳定性的钢的总称。不锈钢具有良好的耐腐蚀性能是由于在铁碳合金中加入了铬所致。尽管其他元素，如铜、铝、以及硅、镍、钼等也能提高钢的耐腐蚀性能，但没有铬的存在这些元素的作用就受到限制。不锈钢的种类很多，按照我国国家标准GB/T13304-1991《钢分类》以及国际上通用的分类方法是按钢的金相组织划分，分为5类，即奥氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体型双相不锈钢、铁素体型不锈钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。此外，按照钢中的合金元素又可分为铬系不锈钢、铬镍系不锈钢、铬镍钼系不锈钢、铬锰镍（氮）系不锈钢，以及低碳不锈钢、超低碳不锈钢和高纯不锈钢等。奥氏体不锈钢的化学成分特性是以铬、镍为基础添加钼、钨、铌和钛等元素。由于其组织为面心立方结构，因而在高温下有高的强度和蠕变性能；双相不锈钢由奥氏体和铁素体两相组成，铬和镍是双相不锈钢中两种重要的合金元素，镍在α+γ双相不锈钢中能扩大γ相区，当钢中的铬含量为5%时，钢的屈服强度及达到最高值，当镍含量为10%时，钢的强度达到最大值；铁素体型不锈钢的化学成分特征是含11%～30%的铬，其中添加铌和钛。当铬含量小于25%时铁素体组织会抑制马氏体组织的形成，因而随铬含量的增加其强度下降。铬含量高于25%时由于合金的固溶强化作用，强度略有提高；沉淀硬化不锈钢是一类具有超高强度的不锈钢，按其组织形态可分为三类，沉淀硬化马氏体不锈钢，沉淀硬化半奥氏体不锈钢，沉淀硬化奥氏体不锈钢。也有的把第一类归到马氏体不锈钢，第二类、第三类归到奥氏体不锈钢。马氏体时效不锈钢是固溶处理后，冷至室温时总是以马氏体组织存在，由固溶态再进行时效处理产生析了相而强化。马氏体型不锈钢与普通合金钢一样具有通过淬火实现硬化的特性，因此可通过选择牌号及热处理条件来得到较大范围的不同的力学性能。马氏体型不锈钢可以分为马氏体铬系不锈钢和马氏体铬镍系不锈钢。马氏体铬系不锈钢在淬火-回火条件下，增加铬含量可使铁素体含量增加，会降低硬度和抗拉强度。由于铬的添加可提高铁碳合金的淬透性，因而在需要进行淬火的钢中得到广泛的应用。

在第三代核电站AP1000中的压紧弹簧环形锻件内外表面均为圆柱形，两端面为环形，外径达到4m，尺寸巨大。而且由于工件工作在高温、有腐蚀介质以及强中子辐照条件下，因此对环形锻件的力学性能以及成分要求十分严格，对微量元素的控制也有特殊要求，这就决定了该环形锻件的冶炼、锻造、成型以及热处理工序都对环件的最后性能有着非常关键的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种马氏体不锈钢环形锻件及其制造方法，采用该方法减少了锻造变形火次，提高了生产效率，获得了纯净度高、组织均匀，性能优良的马氏体不锈钢环形锻件。

本发明的马氏体不锈钢锻件的化学成分组成重量百分比为：C：≤0.08％，Si：≤0.6％，Mn：0.40～1.20％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：11.0～15.0％，Mo：0.3～1.0%，Co：≤0.05%，Cu：≤0.02%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明的马氏体不锈钢锻件的制备方法包括冶炼、锻造、轧制工艺；在各工艺中控制技术参数如下：

（1）冶炼：采用电弧炉冶炼，经过炉外精炼（LF（钢包精炼炉）或VOD（真空吹氧脱碳炉）），再经过电渣重熔，形成钢锭；控制化学成分组成重量百分比为：C：≤0.08％，Si：≤0.6％，Mn：0.40～1.20％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：11.0～15.0％，Mo：0.3～1.0%，Co：≤0.05%，Cu：≤0.02%，其余为Fe和不可避免的杂质。

浇注后的钢锭首先切头和切尾，去除尾部杂质较多的部位和头部与垫铁互融的部分，再进行表面打磨，清理表面，避免锻造时出现裂纹。

（2）锻造：经过锻造开坯后形成环坯，为下一步环件轧制做准备。锻造开坯在4000吨快锻机上进行，锻造开坯温度为1180±10℃，终锻温度1190～870℃。在加热及锻造过程中在钢锭中间三分之二部位黏贴保温棉（石棉毡）。

锻造成环坯过程按照以下工序进行：镦粗、滚圆、镦饼、冲孔、扩孔，整个环坯的锻造过程中总锻造比为4.0～6.0。（镦粗过程锻造比=（原铸锭高度-镦粗后高度）/镦粗后高度，扩孔过程锻造比=（扩孔前截面积-扩孔后截面积）/扩孔后截面积），锻后退火。

（3）轧制：轧制过程在轧环机上进行，开轧温度为1170±10℃，终轧温度1190～870℃。轧制速度控制在2m/s-4m/s。整个轧制过程一火次完成，轧环过程锻造比为1.8～2.5（（锻造前截面积-锻造后截面积）/锻造后截面积），轧后退火。

本发明的关键在于：首先通过采用合适的冶炼方法获得高纯净度的钢锭，其次采用保温棉避免快速降温，采用大的锻造比破碎铸态组织，改善夹杂物分布，减少或消除钢材内部缺陷，最后通过采用合理的轧制速度以及锻造比，获得组织均匀，力学性能优良的合格环形锻件。

核电站用钢对材料的纯净度要求较高，尤其是对S、P、Co、Cu、O、N、H等杂质元素和气体元素，其中的杂质元素在长期的中子辐照过程中会导致材料脆化，严重降低材料的使用性能，而气体元素，尤其是O，是形成非金属夹杂物的主要元素，O含量的增加会增加非金属夹杂物的数量，降低材料的疲劳性能。采用电炉加炉外精炼技术可以有效降低钢中杂质元素以及气体元素含量，提高钢材的冶金质量。采用电渣重熔技术可以获得结晶状态理想的钢锭，有利于提高锻造过程的成材率和改善钢的塑韧性；锻造开坯的目的是破碎钢锭中的铸态组织，改善钢中夹杂物的分布，并为最后的成型提供合格的坯料。如果在此过程中钢锭的变形过程不彻底，也就是说锻造比不够，会导致钢中铸态组织破碎不完全，有可能大颗粒的夹杂物没有破碎，形成大尺寸夹杂物，降低钢在使用过程中的疲劳性能；轧制成型是本发明中很关键的一部分，其中轧制速度是比较重要的参数，速度过慢，坯料降温过快，材料的变形抗力增加，增加设备工作负荷，还有可能导致中间停机，轧制速度过快，材料内部温升增加，若温升太高，会使材料产生过热和过烧，晶界出现融化而导致材料内部出现裂纹，而最终使工件报废。在轧制过程中还有一项比较重要的参数是最后一火的锻造比，因为坯料尺寸较大，有可能加热一次无法完成整个成型工作，这就要求当坯料温降较大时需回炉重新加热，然后再继续轧制。因为加热温度较高，最后一次加热前的热变形在加热过程中都已消除，只有最后一次加热之后的变形会残留下来，进而影响后面环件的力学性能。因此，最后一火的锻造比至关重要，锻造比小，材料变形不够，在后面的热处理过程中无法完成再结晶，材料内部出现混晶，降低力学性能。锻造过程中工件的温度非常关键，为了避免工件温降过快，在锻造工序中黏贴了保温棉，避免了工件温度散失过快，减少了变形火次，降低了能源消耗，提高了加工效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

现有技术对于环形锻件的制造通常采用水压机来完成，这种方法最主要的缺点就是变形速度慢，环件不同部位变形和温度不均匀，导致整个环件各部分组织和力学性能有差异。本发明通过采用合适的冶炼方法、锻造开坯工艺以及轧制工艺，减少了锻造变形火次，提高了生产效率，获得了纯净度高、组织均匀，性能优良的马氏体不锈钢环形锻件。

具体实施方式

下面结合一个典型实施例对本发明作进一步说明。

本实施例中，采用10吨电弧炉冶炼，先后冶炼了5炉，经过LF炉（钢包精炼炉）精炼后，浇注成钢锭，每支钢锭重约10吨。钢锭经过打磨，表面处理，作为电极进行电渣重熔，形成电渣锭。冶炼的5炉马氏体不锈钢的具体成分如表1所示。

浇注后的钢锭首先切头和切尾，去除尾部杂质较多的部位和头部与垫铁互融的部分，再进行表面打磨，清理表面，避免锻造时出现裂纹。然后经过锻造开坯后形成环坯，为下一步环件轧制做准备。在进炉加热前，在钢锭中间三分之二部位黏贴保温棉（石棉毡），避免锻造时降温过快。锻造开坯在4000吨快锻机上进行，锻造开坯温度为1180℃，终锻温度890℃。锻造成环坯过程按照以下工序进行：镦粗、滚圆、镦饼、冲孔、扩孔。锻造过程中4支钢锭进行了黏贴保温棉处理，一支钢锭没有黏贴保温棉，做对比试验用。黏贴有保温棉的钢锭经过两次加热就从高度2200mm镦粗到了450mm高，而未黏贴保温棉的钢锭经过四次加热才从2200mm镦粗到450mm。镦粗到450mm后用直径400mm的冲头在工件中心处冲孔，再上马架扩孔，将中心孔由400mm扩张到800mm。扩孔过程，黏贴有保温棉的4个钢锭经过两次加热即完成，未黏贴保温棉的钢锭经过4次加热才完成。镦粗过程锻造比为((2200-450)/450)=3.9，扩孔过程锻造比为（（950-200）×450-（1000-400）×450）/（1000-400）×450）=0.23，整个环坯的锻造过程中总锻造比为4.13，形成的环坯尺寸为Ф2000mm（外径）/Ф800mm（内径）×450mm（高度）。锻后退火。黏贴有保温棉的共经过了四次加热完成整个锻造过程，未黏贴保温棉的经过了八次加热才完成整个锻造过程，生产效率明显提高，大量节约了能源。

环坯经过表面车削，去除表面裂纹及缺陷，进入轧制工序。环件轧制采用轴向轧制力为500吨的轧环机进行，开轧温度为1170℃，终轧温度900℃。轧制速度控制在3m/s。整个环件的轧制过程经过一次加热完成，最终尺寸为Ф4000mm（外径）/Ф3600mm（内径）×450mm（高度），锻造比为((1000-400)×450-(2000-1800)×450)/((2000-1800)×450)=2。轧后进行消除应力退火。

本实施例中的五炉钢的夹杂物水平见表2，从中可以看出，经过本发明中的冶炼方法冶炼获得的夹杂物很少，五类夹杂物的总和不高于2级，表明钢的纯净度较高。环件经过轧制后，5个环件各个部位最大的晶粒度级差见表3，从中可见整个环件组织均匀，不同部位处晶粒度级差很小。5个环件的力学性能见表4，从中可以看出，由本发明得到的环件具有良好的综合力学性能。

表1本发明实施例化学成分(wt%)

表2本发明实施例夹杂物级别

表3本发明实施例中个部位外最大晶粒度级差

注：a、b、c、d、e、f、g分别为整个环件平分六等份后的不同环段。

表4本发明实施例热处理后的力学性能

Claims (4)

1.一种马氏体不锈钢环形锻件，其特征在于，化学成分组成重量百分比为：C：≤0.08％，Si：≤0.6％，Mn：0.40～1.20％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：11.0～15.0％，Mo：0.3～1.0%，Co：≤0.05%，Cu：≤0.02%，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.一种权利要求1所述的马氏体不锈钢环形锻件的制造方法，包括冶炼、锻造和轧制工艺，其特征在于，在各工艺中控制技术参数如下：

（1）冶炼：采用电弧炉冶炼，经过炉外精炼或VOD，再经过电渣重熔，形成钢锭；控制化学成分组成重量百分比为：C：≤0.08％，Si：≤0.6％，Mn：0.40～1.20％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：11.0～15.0％，Mo：0.3～1.0%，Co：≤0.05%，Cu：≤0.02%，其余为Fe和不可避免的杂质；

浇注后的钢锭首先切头和切尾，去除尾部杂质较多的部位和头部与垫铁互融的部分，再进行表面打磨，清理表面，避免锻造时出现裂纹；

（2）锻造：经过锻造开坯后形成环坯，锻造开坯在4000吨快锻机上进行，锻造开坯温度为1170～1190℃，终锻温度为1190～870℃；

（3）轧制：轧制过程在轧环机上进行，开轧温度为1160～1180℃，终轧温度为1190～870℃，轧制速度控制在2m/s-4m/s；整个轧制过程一火次完成，轧环过程锻造比为1.8～2.5，轧后退火。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，锻造过程中在加热和锻造时，在钢锭中间三分之二部位黏贴石棉毡。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，锻造成环坯过程按照以下工序进行：镦粗、滚圆、镦饼、冲孔、扩孔，整个环坯的锻造过程中总锻造比为4.0～6.0，锻后退火。