CN103350173B - 一种奥氏体不锈钢异形整体大锻件的生产方法 - Google Patents

一种奥氏体不锈钢异形整体大锻件的生产方法 Download PDF

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一种奥氏体不锈钢异形整体大锻件的生产方法，属于不锈钢加工技术领域。工艺包括：电炉+AOD+电渣重熔熔炼，锻造开坯，镦粗，拔长，回炉加热锻造，热处理，机加工，冷弯或热弯加工，热处理等。通过表面修磨提高电渣锭表面质量、锻造开坯破碎电渣锭铸态组织，来提高钢坯的热加工性能，抑制电渣锭的锻造开裂，为随后的大变形量镦粗和拔长提供条件。通过反复大变形量的镦粗拔长工艺细化钢锭晶粒尺寸，通过控制末火道次回炉加热温度、锻造变形量以及最终的热处理工艺来抑制再结晶晶粒的异常长大，避免粗晶和混晶缺陷的产生，细化锻件组织，实现4.0级及以上晶粒度的目标。<!--1-->

Description

一种奥氏体不锈钢异形整体大锻件的生产方法
技术领域
本发明属于不锈钢加工技术领域，特别是涉及一种奥氏体不锈钢异形整体大锻件的生产方法。
背景技术
主管道为核一级管道，对核反应堆的运行功能和安全性有重要的影响。常规主管道采用焊接的方式将主管道直管、弯头和三通连接起来，组成一个回路，从而实现主管道功能。一般来说，焊缝的塑性、韧性和耐蚀性能比母材低，而且由于焊接热应力的存在，容易产生应力腐蚀。常规主管道的焊缝结构降低了核反应堆的安全性。为了提高安全性，第三代核电站AP1000主管道采用整体锻造的方式将直管、三通和弯头部分加工成一个整体，大大减少了焊缝的数量。
但是AP1000主管道作为一个异形整体大锻件，给其加工制造和质量控制带来了很大的难度。首先是锻造易开裂，其选用的316LN材料，其最高氮含量从0.08％提高到0.16％，材料的塑性降低；加上AP1000堆型加大，以及主管道采用整体锻造，导致制造主管道的铸造钢坯加大，约需100吨左右，钢锭的大型化，成分偏析严重和凝固组织粗大，导致钢锭的热加工性能恶化。其次是易出现混晶和粗晶，由于AP1000是一个异形大锻件，采用常规的自由锻造时，钢坯心部难于锻透，末火锻造道次中锻件各部分的变形温度和变形量差异较大，很容易产生混晶和粗晶。
发明内容
本发明的目的在于提供一种奥氏体不锈钢异形整体大锻件的生产方法，解决了生产AP1000主管道以及与此类似的奥氏体不锈钢异型整体大锻件的晶粒度控制问题，其晶粒度可以控制在4级及以上的水平。
本发明的奥氏体不锈钢异形整体大锻件的生产方法，包含以下工艺步骤：
(1)采用电炉+AOD炉熔炼钢水；
(2)采用连铸或模铸的方法浇铸电极棒，采用电渣重熔熔炼大型钢锭；
(3)电渣锭坯首先在1150-1220℃加热后进行锻造开坯；
(4)钢锭在1180-1250℃加热后进行镦粗；
(5)钢锭在1180-1250℃加热后进行拔长；
(6)钢锭在1050-1150℃回炉加热后锻造出旁通段部分
(7)钢锭在1050-1150℃回炉加热后，同时进行主体段和旁通段的整体锻造；
(8)锻件在1050-1130℃进行固溶热处理；
(9)锻件进行机加工；
(10)异型锻件可进行冷弯或热弯加工，加工后进行退火热处理。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，所述步骤(2)后，电渣锭加热前经过表面修磨；
进一步，所述步骤(3)中，电渣锭开坯锻造变形量在7％-22％之间；
进一步，所述步骤(4)中，钢锭的镦粗变形比在1.7:1-4:1之间；
进一步，所述步骤(4)、(5)反复进行1-4次；
进一步，所述步骤(7)中，主体段和旁通段的锻造变形量在20％-40％之间；
进一步，所述步骤(8)中，固溶热处理时间根据产品尺寸按0.6-2min/mm来控制；
进一步，所述步骤(10)中，退火热处理温度在1020-1080℃之间。
本发明的有益效果是通过表面修磨提高电渣锭表面质量、锻造开坯破碎电渣锭铸态组织，来提高钢坯的热加工性能，抑制电渣锭的锻造开裂，为随后的大变形量镦粗和拔长提供条件。通过反复大变形量的镦粗拔长工艺细化钢锭晶粒尺寸，通过控制末火道次的回炉加热温度、锻造变形量以及最终的热处理工艺来抑制再结晶晶粒的异常长大，避免粗晶和混晶缺陷的产生，细化锻件组织，实现4.0级及以上晶粒度的目标。
1)表面修磨
电渣锭表层由于存在保护渣和细小的凝固裂纹等缺陷，在随后的热加工变形过程中，很容易成为锻造开裂的裂纹源。通过对电渣锭表面进行修磨，清除表面缺陷，从而提高电渣锭的热加工性能，抑制电渣锭锻造开裂。
2)锻造开坯
为了细化晶粒，需要进行大变形量的镦粗拔长加工。电渣锭为铸态组织，组织粗大、成分偏析严重，其热塑性较低，若电渣锭直接进行大变形的镦粗拔长加工，很容易产生裂纹。
在大变形量镦粗拔长加工前，电渣锭在适宜温度下经过一定变形量的锻造变形，粗大的铸态组织得到破碎和细化，回炉加热之后形成比较均匀细小的再结晶晶粒，钢坯热塑性提高，在随后的镦粗拔长过程中不容易产生热裂纹，可以得到大的变形量。
锻造开坯温度不能过高，否则在锻造开坯过程中易出现热裂纹；也不能太低，否则材料的变形抗力太大，热加工设备能力不够。锻造开坯温度在1150-1220℃之间为宜。
锻造开坯变形量不能太高，否则在锻造开坯过程中容易出现加工裂纹；也不能太低，否则起不到破碎和细化铸态组织的目的。锻造开坯变形量在7-22％之间为宜。
3)镦粗拔长
锻造变形量越大，锻件的晶粒越细越均匀。但是对于异型整体大锻件，在最后的旁通段加工过程中，变形量不会太大。因此为了控制晶粒度，需要将锻坯的晶粒度尺寸控制在4.0级以上。这样就需要采用大变形量的镦拔长来细化锻坯的晶粒尺寸。钢锭的镦粗变形比不能太低，否则锻坯的晶粒度达不到4.0级以上，镦粗变形比也不能太大，否则容易出现裂纹缺陷。镦粗变形比控制在1.7：1-4：1之间为宜。
4)整体锻造
主体段和旁通段的整体锻造，是异形大锻件的最终道次的锻造。
为了控制晶粒度尺寸，其回炉加热温度不能太高，否则在加热过程中晶粒长大，容易产生混晶和粗晶的问题，加热温度也不能太低，否则不能保证一火完成主体段和旁通段的锻造。其加热温度控制在1050-1150℃为宜。
为了控制晶粒度尺寸，锻造变形量不能太低，否则锻件的晶粒度不能达到4.0级的要求；锻造变形量也不能太高，否则容易导致一火完不成主体段和旁通段的锻造加工，也容易出现锻造裂纹。其锻造变形量控制在20-40％为宜。
5)固溶热处理
热处理温度过高，再结晶晶粒产生异常长大，产生混晶和粗晶缺陷；热处理温度过低，热加工过程中的Cr23C6、Cr2N和金属间相等析出物溶解不完全，产品的耐腐蚀性能、塑韧性差。最终固溶热处理温度控制在1050-1130℃为宜。
附图说明
图1为异型大锻件形状示意图。
图2为1#锻件旁通段直径1/4处金相组织，晶粒度5.0级。
图3为2#锻件旁通段直径1/4处金相组织，4.5级。
图4为7#锻件旁通段直径1/4处金相组织，晶粒度3.5级。
图5为8#锻件旁通段直径1/4处金相组织，晶粒度2.5级。
图6为9#锻件旁通段直径1/4处金相组织，混晶组织。
图7为1#锻件弯制后主体段弯曲部位直径1/4处金相组织，晶粒度5.0级。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
表1奥氏体不锈钢电渣锭的化学成分，wt％
采用电炉+AOD熔炼+电渣重熔工艺共制备了9炉奥氏体不锈钢电渣重熔锭，电渣锭成分如表1所示。各炉电渣锭经过不同锻造工艺锻造成异形锻件，锻件形状示意图如附图1所示。固溶热处理后，取异形锻件旁通段1/4直径处观察金相组织，按GB/T6394-2002“金属平均晶粒度测定法”进行晶粒度评级。各锻件的加热锻造工艺、热处理制度和结果如表2所示。
表2奥氏体不锈钢异形锻件的锻造工艺
实施例1：电渣锭表面修磨和锻造开坯对钢锭热加工性能的影响
3#电渣锭没有经过表面修磨和锻造开坯，直接在1220℃加热进行镦粗，镦粗变形比为1.7：1，钢锭出现了严重的裂纹；2#电渣锭没有经过表面修磨，在1180℃加热进行11％变形量的开坯锻造，然后再回炉1220℃加热镦粗，镦粗变形比为1.9：1，未出现裂纹；9#电渣锭经过表面修磨后，在1160℃加热进行17％变形量的开坯锻造，然后再回炉1220℃加热镦粗，镦粗变形比为2.8：1，未出现裂纹。结果表明，电渣锭表面修磨和锻造开坯可以提高钢锭的热加工性能。
实施例2：大变形量镦粗和拔长对异形锻件晶粒度的影响
7#锻件的镦粗变形比为1.5：1，异形锻件晶粒度为3.5级(附图4)，2#锻件的镦粗变形比为1.9：1，晶粒度达到4.5级(附图3)；1#锻件镦粗变形比为2.3：1，晶粒度达到5.0级(附图2)。结果表明，提高镦粗变形比可以细化锻件的晶粒尺寸。实施例3：整体锻造回炉加热温度和变形量对异形锻件晶粒度的影响
8#锻件和1#锻件的镦粗变形比基本一样，分别为2.2：1和2.3：1，其主要区别在于整体锻造加热温度和变形量不同。8#锻件的加温度为1180℃，变形量为15％，晶粒度为2.5级(附图5)；1#锻件的加热温度为1120℃，变形量为30％，晶粒度为5.0级(附图2)。结果表明，降低整体锻造时回炉加热温度，提高锻造变形量可以细化锻件的晶粒尺寸。
实施例4：固溶热处理温度对异形锻件晶粒度的影响
9#锻件和2#锻件的加工工艺区别主要有两点：9#锻件的镦粗变形比为2.8：1，高于2#锻件的1.9：1；9#锻件的热处理温度为1180℃，高于2#锻件的1100℃。从镦粗变形比对晶粒度的影响来看，9#锻件的晶粒度应该优于2#锻件；而结果是9#锻件为粗晶和混晶组织(附图6)，晶粒度要低于2#锻件。显然，过高的固溶热处理温度导致了粗晶和混晶的产生。
实施例5：开坯温度、镦粗温度和镦粗变形比对锻造裂纹的影响
4#锻件开坯锻造温度为1250℃，超过了1220℃，锻造开坯时产生裂纹；5#锻件镦粗变形比为4.2：1，超过了4：1，镦粗过程中发生了裂纹；6#锻件镦粗温度为1280℃，超过了1250℃，镦粗时产生了热裂纹。结果表明开坯温度、镦粗温度不宜过高，镦粗变形比不宜过大，否则容易产生锻造裂纹。
实施例6：异形锻件的弯制和退火热处理
1#锻件经过机加工后进行热弯，2#锻件机加工后进行冷弯，弯制后锻件在1050℃进行退火热处理。与弯制前比较，主体段弯曲部位1/4直径处组织基本没有发生变化，1#锻件和2#锻件的晶粒度分别为5.0级(附图7)和4.5级。
以上所述仅为本发明的所有实施例的一部分，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种奥氏体不锈钢异形整体大锻件的制造方法，其特征在于，工艺步骤为：
(1)采用电炉+AOD炉熔炼钢水；
(2)采用连铸或模铸的方法浇铸电极棒，采用电渣重熔熔炼大型钢锭；
(3)电渣锭加热前进行表面修磨，清除表面保护渣和细小凝固裂纹缺陷；
(4)电渣锭在1150-1220℃加热后进行锻造开坯,开坯锻造变形量在11％-22％之间；
(5)钢锭在1180-1250℃加热后进行镦粗，锻造比在1.9：1～4：1之间；
(6)钢锭在1180-1250℃加热后进行拔长；
(7)钢锭在1050-1150℃回炉加热后锻造出旁通段部分；
(8)钢锭在1050-1150℃回炉加热后，同时进行主体段和旁通段的整体锻造；
(9)锻件在1050-1130℃进行固溶热处理；
(10)锻件进行机加工；
(11)异型锻件进行冷弯或热弯加工，加工后进行退火热处理。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(5)、(6)反复进行1-4次。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(8)中，控制主体段和旁通段的锻造变形量在20～40％之间。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(9)中，固溶热处理时间根据产品尺寸按0.6-2min/mm来控制。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(11)中，退火热处理温度为1020-1080℃。
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