CN103361570A

CN103361570A - 一种马氏体不锈钢环形锻件及其热处理工艺

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Publication number: CN103361570A
Application number: CN2013103211194A
Authority: CN
Inventors: 王立民; 刘正东; 杨钢; 包汉生; 赵吉庆; 何西扣
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2033-07-26
Also published as: CN103361570B

Abstract

一种马氏体不锈钢环形锻件及其热处理工艺，属于核电用大锻件制造技术领域。环坯的化学成分按重量百分比为：C：0.01~0.12％，Si：≤0.8％，Mn：0.20～1.40％，P：≤0.030％，S：≤0.030％，Cr：10.0～16.0％，Ni：4.0~7.0%，Mo：0.2~1.1%，V：0.10~0.30%，Co：≤0.08%，Cu：≤0.04%，余量为Fe。将锻造后的环形锻件表面覆盖石棉毡，保证环形锻件降温速度为5~30℃/分钟，保持红热状态装入退火炉，装炉时炉温为690~710℃。将环形锻件在炉中保温20~22小时，然后以20~30℃/小时的速度降低炉温，将环形锻件在炉中随炉冷却，待炉温降到590~610℃时出炉，在环形锻件表面覆盖石棉毡，保证降温速度为5~15℃/小时，直到室温。优点在于，节约能源，降低生产成本，避免环形锻件开裂，提高了产品的合格率。

Description

一种马氏体不锈钢环形锻件及其热处理工艺

技术领域

本发明属于核电用大锻件制造技术领域，特别是涉及一种马氏体不锈钢环形锻件及其热处理工艺，克服马氏体不锈钢环坯锻件的开裂，适用于能源、冶金、机械、化工等领域。

背景技术

目前世界上的能源主要靠化石类能源，比如煤炭、石油等，但随着消费量的不断增加，化石类能源储量不断减少，迫使人们去寻找一种清洁、环保而又高效的能源。核能成为能够满足上面条件最有希望的一种能源。核反应堆种类多种多样，按能量分有热能中子和快速中子引起裂变的热堆和快堆；按冷却剂分有轻水堆，即普通水堆（又分为压水堆和沸水堆）、重水堆、气冷堆和钠冷堆。其中压水堆技术最为成熟，也是世界上核电站采用最多的堆型，占全世界总装机容量的一半以上。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。

在中国引进的第三代核电站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，制造该环形锻件的材料为马氏体不锈钢。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。对于此类马氏体不锈钢的热处理通常有以下几种，（1）淬火，是将钢加热到临界点以上的一定温度，保温一定时间，然后在水或油灯冷却介质中快速冷却的工艺；（2）回火，是将淬火后的钢在临界点以下加热，使之转变成稳定的组织的工艺；（3）正火，是将钢加热到完全奥氏体化温度以上约30~50℃，或者更高温度，保温一定时间，然后在静止空气中冷却的热处理工艺；（4）退火，将钢加热到临界点以上或以下的一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡态的组织的工艺。对于马氏体不锈钢，退火工艺尤其重要，因为工件经过热变形加工后，内部残余较大的热应力，在随后的冷却过程中又发生马氏体相变，相变应力与残余热应力的叠加很容易造成工件的开裂，所以对于马氏体不锈钢，选择合适的退火工艺至关重要。

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热处理工艺，克服核反应堆堆内构件用马氏体不锈钢环坯锻件的开裂，降低制备成本和提高产品的成材率。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

本发明的环形锻件化学成分组成重量百分比为：环形锻件的化学成分按重量百分比为： C：0.01~0.12％，Si：≤0.8％，Mn：0.20～1.40％，P：≤0.030％，S：≤0.030％，Cr：10.0～16.0％，Ni：4.0~7.0%，Mo：0.2~1.1%，V：0.10~0.30%，Co：≤0.08%，Cu：≤0.04%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明的马氏体不锈钢锻件采用电弧炉冶炼，经过炉外精炼，再经过电渣重熔，形成钢锭。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。锻造开坯在4000吨快锻机上进行，开坯温度为1170～1190℃，终锻温度870～1000℃；锻后退火，退火工艺为：锻后将环形锻件表面覆盖石棉毡，保证环形锻件降温速度为5~30℃/分钟，保持红热状态装入退火炉，装炉时炉温为690～710℃，中间转运速度要快，避免温降过快，造成应力过大；将环形锻件在炉中保温20～22小时，消除锻造应力，然后以20～30℃/小时的速度降低炉温，将环形锻件在炉中随炉冷却，待炉温降到590～610℃时出炉，在环形锻件表面覆盖石棉毡，保证降温速度为5~15℃/小时，直到室温。

本发明的关键在于：首先采用合理的措施，保证锻造后的环件能够在温降不大的情况下直接装入退火炉进行退火，避免了环件冷却后再重新加热，节约了能源。其次是退火保温完成后在降温过程中采用合适的出炉温度和较慢的冷却速度，避免冷速过快造成环件内外应力过大，导致开裂。

对于热变形后的工件去应力退火至关重要，退火温度或者冷却速度不合适，很容易导致工件在炉中或者出炉后发生开裂现象。对于热加工后的工件通常做法是将锻造后的工件放置一旁，待冷却后重新装入退火炉，然后以一定的速度升高温度，在保持工件各个部位温差不是太大的情况下，将工件升温到退火温度。这一升温速度通常为50～80℃/小时（根据钢种不同而有所不同），退火保温温度为650～740℃。则按照通常工艺，升温过程大概需要9个小时。而采用本发明中的技术后，退火炉升温时由于内部没有工件，可以增加升温速度，升温速度可以达到200℃/小时，则升高到690～710℃只需3.5小时，大大节省了生产时间和成本。退火保温完成后，冷却速度也很关键。此时冷却速度太快，工件在降温过程中各个部位温度不均匀，或者内外温差过大，在出炉后容易导致开裂。若冷却速度过慢，增加成本，浪费能源。此外出炉温度不能过高，同样，出炉温度过高，空冷时内外温差过大也容易导致开裂，出炉温度过低，增加了工件在炉中的时间，浪费能源。因此，对于不同钢种的退火工艺需要进行摸索，找到符合本钢种的冷却速度和出炉温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

将锻造后的环件保持红热状态直接进行退火，采用合理的措施避免了温降过快，与现有技术相比，节省了退火炉升温时间，节约了能源，降低了生产成本；同时通过采用合理的出炉温度和冷却速度，避免了环件开裂，提高了产品合格率。

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8炉，经过LF炉（钢包精炼炉）精炼后，浇注成钢锭，作为电极进行电渣重熔，形成电渣锭。冶炼的8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。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870～1000℃，为避免锻造后在转运过程中冷却过快，在锻造后的环件上覆盖石棉毡，控制环件的冷却速度为5~30℃/分钟。实施例中的8炉钢的开坯温度，终锻温度以及环坯锻后的冷却速度见表2。将保持红热状态的环件装入退火炉，装炉时炉温为690～710℃，将环件在炉中保温20~22小时，消除锻造应力，然后以20～30℃/小时的速度降低炉温，将工件在炉中随炉冷却，待炉温降到590～610℃时，出炉，为避免出炉后冷却过快，在环件表面覆盖石棉毡。退火时炉冷速度、出炉温度、出炉后环件的冷却速度以及退火后环件的表面质量见表3。从表3中可以看出，出炉温度和出炉后冷却速度对环件的质量至关重要，为节约能源，提高生产效率，出炉温度应尽量高，但出炉温度高，工件内外应力过大，容易开裂。同样，出炉后冷却速度过快，工件内外表面应力差过大，也容易造成开裂。本发明实施例中出炉温度为590~610℃。出炉后在工件表面覆盖石棉毡，降低工件冷却速度，避免了在炉内冷却消耗能源，提高了生产效率，同时也降低了工件内外由于温度差过大而造成的应力集中，克服了工件开裂。本发明实施例中出炉后的冷却速度控制在5~15℃/小时。

表1 本发明实施例化学成分（wt％），余量为Fe

表2本发明实施例锻造工艺及锻造后冷却速度

Claims

1.一种马氏体不锈钢环形锻件，其特征在于：环形锻件的化学成分按重量百分比为： C：0.01~0.12％，Si：≤0.8％，Mn：0.20～1.40％，P：≤0.030％，S：≤0.030％，Cr：10.0～16.0％，Ni：4.0~7.0%，Mo：0.2~1.1%，V：0.10~0.30%，Co：≤0.08%，Cu：≤0.04%，余量为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热处理工艺，锻造开坯在4000吨快锻机上进行，开坯温度为1170～1190℃，终锻温度870～1000℃，锻后退火；其特征在于，退火工艺为：锻后将环形锻件表面覆盖石棉毡，保证环形锻件降温速度为5~30℃/分钟，保持红热状态装入退火炉，装炉时炉温为690～710℃，将环形锻件在炉中保温20～22小时，消除锻造应力，然后以20～30℃/小时的速度降低炉温，将环形锻件在炉中随炉冷却，待炉温降到590～610℃时出炉，在环形锻件表面覆盖石棉毡，保证降温速度为5~15℃/小时，直到室温。