CN105689613B - 一种适用于超级双相不锈钢棒材的特种锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于压力加工制造技术领域，涉及一种适用于超级双相不锈钢棒材的特种锻造方法。本发明利用充分利用了径锻机和快锻机各自的优缺点，并结合超级双相不锈钢的特性，独创了一种新的超级双相不锈钢棒材特种锻造方法。该方法以钢锭为原料，依次包括如下工序：径锻快锻联合开坯、径锻成材、空冷以及固溶处理。采用该工艺锻造的超级双相不锈钢棒材成品收得材率高(锻造成材率比原有方法提高5％以上)，生产效率高，能源消耗低。发明可以将截面为(200‑700)×(200‑700)mm的方形或多边形钢锭锻造成Φ60‑400mm的棒材。

Description

一种适用于超级双相不锈钢棒材的特种锻造方法

技术领域

本发明属于压力加工制造技术领域，涉及一种锻造方法，尤其涉及一种适用于超级双相不锈钢棒材的特种锻造方法。

背景技术

超级双相不锈钢是一种以铁素体相和奥氏体相为主的新型不锈钢，兼顾了铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点，耐腐蚀性好，强度高，主要在更苛刻的介质中使用，尤其是含氯离子的环境，如海水等。

但长期以来，该钢种没能迅速地推广和应用一大障碍就是其热塑性差，热加工生产过程中易出现裂纹。主要原因是热加工过程中奥氏体和铁素体相的变形行为不同。由于两相的软化过程不同，在热加工时铁素体—奥氏体两相中不均匀的应力和应变分布就容易导致在相界的裂纹成核并扩展。而模铸钢锭的铸态组织中，奥氏体和铁素体沿钢锭截面分布是不均匀的，中心部分铁素体含量明显高于边缘，铁素体呈树枝状分布。另外，此钢的锻造区间窄，当终锻温度低于900℃，钢塑性变差，强行锻造易产生裂纹。

现有锻造工艺为“快锻开坯+径锻成材”或“快锻开坯+快锻成材”，存在以下缺点：1)锻造火次多，能源消耗大，机组生产效率低；2)快锻开坯过程极易因应力应变分布不均匀产生表面开裂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的一个目的在于提供一种适用于超级双相不锈钢棒材的特种锻造方法，该工艺采用“径锻+快锻”联合开坯、径锻成材的特种锻造方法，特别适用于锻造塑性差的超级双相不锈钢棒材，使用该方法制造的超级双相不锈钢棒材，裂纹少，成品收得率高，经检验各项性能完全符合相关标准要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种适用于超级双相不锈钢棒材的特种锻造方法，以钢锭为原料，依次包括如下工序：径锻快锻联合开坯、径锻成材、空冷以及固溶处理。

本发明提供的特种锻造工艺的技术原理如下：

(1)锻造速率

超级双相不锈钢的成分决定了该钢热成形区间较窄，一般在1000-1200℃之间。每一火的锻造时间往往不能超过6min。快锻机锻造压下动作相对径锻机要慢，相同的变形量，使用快锻机开坯则需要更多的火次才能完成，因此采用径锻开坯能够减少锻造的火次，提高效率。

(2)锻造温度

快锻机锻造是在开放的环境下，过程的热损失大；而径锻机在相对封闭的环境下，热损失相对小，另外四个锤头锻造速率快，机械能部分转化热能，因此热损失要比快锻及小得多，通过调整合理的变形制度能达到恒温锻造。

(3)应力—应变分布

超级双相钢锭凝固时具有铸态组织分布不均匀的现象，其中奥氏体和铁素体在钢锭截面上的分布是不均匀的，中心部位的铁素体含量高于边缘部分。热加工过程中不均匀的应力和应变分布就容易导致在相界的裂纹成核和扩展，导致表面极易出现微裂纹。快锻开坯过程中，锤头压下时，砧子与钢锭接触角度太大时，表面极易被“撕裂”。径锻机相对快锻机的优点在于：在开坯时具有四面锤头同时压下，径锻锤头的倾角角度小、过度平缓的特点，因此更适合超级双相不锈钢的锻造开坯。

综合以上(1)、(2)、(3)点，超级双相不锈钢首次开坯时采用径锻开坯要比快锻开坯更具有优势。

随着变形量的不断增大，超级双相不锈钢的锻造塑性逐渐好转，中间过程采用快锻开坯，是因为快锻机相对径锻机对钢锭心部的组织变形更具有优势，心部变形更充分。在成材过程中使用径锻机比快锻机的效率更高。

因此根据超级双相不锈钢的特性，采用“径、快锻联合开坯+径锻成材”的组合方式，充分利用了两种设备的优势，减少了锻造的火次，节约了能源成本，提高了锻造机组效率，表面裂纹出现几率大大减少，综合认为是一种较好的锻造方式。

上述特种锻造方法中，作为一种优选实施方式，所述径锻快锻联合开坯工序包括如下步骤：

第一火次，将所述钢锭在炉中加热保温一定时间，出炉后转移至径锻机上，将加热后的所述钢锭锻造成第一中间坯；

第二火及其后火次，将所述第一中间坯回炉并加热保温一定时间，出炉后转移至快锻机进行锻造，经多火次锻造后所述第一中间坯被锻造成规格更小的第二中间坯；

所述径锻成材工序包括如下步骤：

最终火次，将所述第二中间坯回炉加热保温一定时间，然后用径锻机锻造成材。

上述特种锻造方法中，作为一种优选实施方式，所述第一火次中，加热温度为1200±20℃(比如1185℃、1190℃、1195℃、1200℃、1205℃、1210℃、1215℃)，到温后保温时间为4-6h(比如4.5h、5h、5.5h)；更优选地，所述第一火次中，所述加热保温的步骤为：首先将所述钢锭加热至300-350℃，保温2-3h；然后以≤100℃/h的升温速率，将所述钢锭加热至1200±20℃，保温4-6h。所述第一火次中，始锻温度≥1100℃(比如1170℃、1160℃、1140℃、1120℃、1110℃)，终锻温度≥900℃(比如910℃、920℃、950℃、980℃、1020℃、1050℃)；进一步地，所述径锻机为16MN径锻机。

上述特种锻造方法中，作为一种优选实施方式，所述第二火及其后火次中，加热温度为1200±20℃(比如1185℃、1190℃、1195℃、1200℃、1205℃、1210℃、1215℃)，到温后保温1.5-2.5h(比如1.6h、1.8h、2h、2.2h、2.4h)；每火次的始锻温度均≥1100℃(比如1180℃、1160℃、1140℃、1120℃、1110℃)，终锻温度均≥900℃(比如910℃、920℃、950℃、980℃、1020℃、1050℃)；更优选地，所述锻造要“抢温操作”，双边压下量为50-100mm(比如60mm、70mm、80mm、90mm、95mm)，终锻温度低、塑性变差时，不得采用大压下量，每火次锻造时间≤6min(比如5min、4min、3min、2min、1min)。进一步地，所述快锻机为20MN快锻机。“抢温操作”指的是在棒材终锻温度到达前尽快完成锻造操作的变形步骤，防止终锻温度到了还没变形到位。所述压下量是指锻造变形每打一锤的压下量，更具体地是指锤头开始接触钢到这一锤压完后抬起过程中，锤头行进的这段距离，即一锤打下的距离。

上述特种锻造方法中，作为一种优选实施方式，所述最终火次中，加热温度为1200±20℃(比如1185℃、1190℃、1195℃、1200℃、1205℃、1210℃、1215℃)，到温后保温1.5-2.5h(比如1.6h、1.8h、2h、2.2h、2.4h)，始锻温度≥1100℃(比如1180℃、1160℃、1140℃、1120℃、1110℃)，终锻温度≥900℃(比如910℃、920℃、950℃、980℃、1020℃、1050℃)；最终在所述径锻机上一次锻造成材。更优选地，所述径锻机为16MN径锻机。

上述特种锻造方法中，作为一种优选实施方式，所述钢锭是截面为(200-700)×(200-700)mm的方形或多边形钢锭；更优选地，所述钢锭是截面为(400-700)×(400-700)mm的方形或多边形钢锭。

上述特种锻造方法中，作为一种优选实施方式，从所述钢锭到所述第一中间坯的压缩比为1.2-2.2(比如1.3、1.5、1.7、1.9、2.1)。

上述特种锻造方法中，作为一种优选实施方式，所述锻造后得到的棒材成品的规格为Φ60-400mm；更优选地，所述锻造后得到的棒材成品的规格为Φ100-260mm。

上述特种锻造方法中，作为一种优选实施方式，从所述第二中间坯到所述棒材成品的压缩比如下：

成品直径为100-130mm的，压缩比为2.2-3.4；

成品直径为131-180mm的，压缩比为2.1-3.0；

成品直径为181-220mm的，压缩比为2.0-2.7；

成品直径为221-260mm的，压缩比为1.7-2.4。

所述压缩比是指压缩前横截面积与压缩后横截面积之比，压缩比通常大于1。

上述特种锻造方法中，作为一种优选实施方式，所述固溶处理的条件为：固溶温度1060-1080℃(比如1065℃、1070℃、1075℃、1079℃)，保温2-4h(比如2.5h、3h、3.5h、3.8h)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

区别于普通的超级双相不锈钢棒材锻造方法：“快锻开坯+径锻成材”和“快锻开坯+快锻成材”，本发明利用充分利用了径锻机和快锻机各自的优缺点，并结合超级双相不锈钢的特性，独创了一种新的超级双相不锈钢棒材特种锻造工艺，采用该工艺锻造的超级双相不锈钢棒材成品收得材率高(锻造成材率比原有方法提高5％以上)，生产效率高，能源消耗低。发明可以将截面为(200-700)×(200-700)mm的方形或多边形钢锭锻造成Φ60-400mm的棒材。

附图说明

图1为本发明实施例提供的特种锻造工艺示意图；

图2为本发明的锻造第一火次加热曲线图。

具体实施方式

以下结合附图通过实例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

本发明提供的适用于超级双相不锈钢棒材的特种锻造工艺的示意图见图1，包括如下工序：模铸钢锭→退火→钢锭表面修磨→径锻+快锻开坯→径锻成材→空冷→固溶处理。

钢锭是截面为(400-700)×(400-700)mm的长方体型钢锭。所述锻造后得到的棒材成品的规格为Φ100-260mm。

锻造设备：快锻机20MN，径锻机16MN。

本发明超级双相不锈钢可以是任何超级双相不锈钢，优选为超级双相不锈钢UNSS32750，其标准成分范围及实际成分如表1所示：

表1超级双相不锈钢UNS S32750标准成分范围及实际成分

元素	C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu	W	N
												下限	0	0	0	0	0	24.0	6.0	3.0	0	—	0.24
上限	0.03	1.20	0.80	0.035	0.020	26.0	8.0	5.0	0.50	—	0.32
												实际	0.02	0.84	0.60	0.021	0.002	25.21	6.47	3.32	0.06	0.03	0.264

耐点蚀当量PREN＝％Cr+3.3×(％Mo+0.5×％W)+16×％N＝40.44≥40

超级双相不锈钢锻造变形工艺如表2所示：

表2超级双相不锈钢UNS S32750锻造变形工艺

锻造步骤如下：

第一火：将钢锭在室式炉加热，加热温度1200±20℃，到温后保温4-6h，具体的加热曲线参见图2。出炉后迅速转移至径锻机上，要求开锻温度≥1100℃，在径锻机上将电炉锭开成第一中间坯。第一中间坯为圆坯或其他形状的角坯，具体尺寸根据初始锭型决定的，从钢锭到第一中间坯的压缩比为1.2-2.2。径向锻造时四个锤头在坯料的圆周上同时锻造，坯料受力均匀，径锻具有锻造频率快，单次压下量小的特点，因此使用径锻开坯能减少表面出现裂纹的倾向。锻造成第一中间坯后转移至室式炉。回炉复温温度1200±20℃。

第二火及其后火次：将第一中间坯在室式炉内加热，加热温度1200±20℃，到温后保温1.5-2.5h，迅速转移至20MN快锻机锻造，锻造要“抢温操作”，快锻开坯时双边压下量按50-100mm控制，终锻温度低塑性变差时，不得大压下量，快锻开坯每火次锻造时间控制6min以内。经多火次锻造后第一中间坯被锻造成规格更小的第二中间坯，第二中间坯可以是圆形或八角坯等。

最终火次：将第二中间坯在室式炉内加热，加热温度1200±20℃，到温后保温1.5-2.5h，迅速转移至16MN径锻机上锻造，最终在径锻机上一次锻造成材。从第二中间坯到棒材成品的压缩比根据成品直径确定：成品直径为100-130mm的，压缩比为2.2-3.4；成品直径为131-180mm的，压缩比为2.1-3.0；成品直径为181-220mm的，压缩比为2.0-2.7；成品直径为221-260mm的，压缩比为1.7-2.4。

实施例1

一种超级双相不锈钢棒材的特种锻造工艺，包括以下步骤：

(1)首先通过电炉+AOD炉冶炼，模铸成3.0T钢锭，钢锭规格：上截面550mm×550mm，下截面466mm×466mm，高度1675mm。

(2)然后将钢锭送入退火炉中进行去应力退火，退火温度为920℃，退火时间为18h。

(3)第一火次：将钢锭在室式炉里加热，先升温至320℃左右，并保温2.5h，之后以80℃/h的速度升温至1200℃左右，到温后保温4.5-5.5h。出炉后使用无轨出料车迅速夹出并转移至16MN径锻机上，始锻温度1100-1120℃，在径锻机上将电炉锭锻造成第一中间坯即430mm圆坯。终锻实测温度910-930℃。锻造结束后迅速返回室式炉复温。

(4)第二火以及其后火次：将第(3)步制得的中间坯在室式炉内加热，加热炉设定温度为1200℃，到温后保温1.6-2.3h，迅速转移至20MN快锻机锻造，快锻机锻造要“抢温操作”，快锻开坯时双边压下量按60mm控制，终锻温度低塑性变差时，不得大压下量，快锻开坯每火次锻造时间控制5min以内。本火次锻造成370mm八角坯(其中370mm为八角坯外接圆的直径)。始锻温度1100-1120℃，终锻温度900-920。锻造结束后迅速返回室式炉复温。

(5)最终火次：将第(4)步制得的八角坯在室式炉内加热，设定温度为1190℃，到温后保温1.5-2.2h后，最终在径锻机上一次锻造成材，始锻温度1100-1120℃，终锻温度910-940℃，成材规格Φ240mm。锻后空冷。

(6)后续工艺：切净头尾后转固溶处理，固溶温度1060℃、保温3h，固溶后检验合格后车光交货。

按客户需求，成品材应为Φ220mm。锻造后棒材通常有5-7米，机床上为了保证整支棒材能车光，公差一般都要留15-20mm余量，因此黑皮锻材控制在Φ240mm，然后车光，最后成品为Φ220mm。

如果使用常规的方法即“快锻开坯+径锻成材”和“快锻开坯+快锻成材方法生产，锻材某些部位可能会出现很深的裂纹，在车去所留的通常车削量(15-20mm)后还无法车净裂纹，但此时已经到了成品尺寸(如Φ220mm)，因此只能切掉有裂纹的这一段报废或者一开始就留更大的车削量(如20-30mm)。因此，合格率(指锻材到成品车光材)通常只有80-90％。采用本发明提供的锻造方法后，能将微裂纹控制在12-20mm以内，因此车光过程中基本能全部车去，合格率95-100％。采用本实施例的方法共制备12根棒材，其成品率达到100％。

经测算使用该方法锻造的超级双相不锈钢棒材的锻造成材率比原有“快锻开坯+径锻成材”和“快锻开坯+快锻成材方法提高5％以上。

经检测超级双相不锈钢锻造棒材的各项检验指标均符合标准要求。具体见表3-表5。

表3本实施例制备的超级双相不锈钢UNS S32750实际成分

元素	C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu	W	N
												实际	0.02	0.84	0.60	0.021	0.002	25.21	6.47	3.32	0.06	0.02	0.264

表4-1本实施例制备的超级双相不锈钢UNS S32750的力学性能

表4-2本实施例制备的超级双相不锈钢UNS S32750的力学性能

注：拉伸和冲击检验标准为ASTM A370，硬度检验标准ASTM E18。

表5本实施例制备的超级双相不锈钢UNS S32750的铁素体含量

注：铁素体含量检验标准为ASTM E562。

对本实施例制备的12根棒材全部进行微观组织分析，发现本实施例超级双相不锈钢棒材的微观组织无连续的金属有害相和第三相沉淀物，没有显著的粗晶粒。

实施例2

本实施例采用与实施例1相同的原料和工艺参数，锻造成品为Φ180mm的棒材，其中从钢锭到第一中间坯的压缩比为1.8(3.0t锭打成430圆坯)，从第一中间坯到快锻开坯后得到的第二中间坯，其压缩比为2.4(从430圆坯到280圆坯)，从第二中间坯到棒材成品的压缩比为2.4(从430圆坯到180棒材)。本实施例的成品率为98％。

实施例3

(1)首先通过电炉+AOD炉冶炼，模铸成1.6T钢锭，钢锭规格：上截面470mm×470mm，下截面360mm×360mm，高度1500mm，化学成分同实施例1，锻造加热及始锻终锻温度同实施例1，但锻造成品为Φ100mm的棒材，其中从钢锭到第一中间坯的压缩比为1.95(从1.6T锭到360圆坯)，从第一中间坯到快锻开坯后得到的第二中间坯，其压缩比为3.56(从360圆坯到180圆坯)，从第二中间坯到棒材成品的压缩比为3.24(从180圆坯到100棒材)。本实施例的成品率为95％。

本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。

Claims (14)

1.一种适用于超级双相不锈钢棒材的特种锻造方法，其特征在于，该方法以钢锭为原料，依次包括如下工序：径锻快锻联合开坯、径锻成材、空冷以及固溶处理；所述径锻快锻联合开坯工序包括如下步骤：

第一火次，将所述钢锭在炉中加热保温一定时间，出炉后转移至径锻机上，将加热后的所述钢锭锻造成第一中间坯；所述第一火次中，加热温度为1200±20℃，到温后保温时间为4-6h，始锻温度≥1100℃，终锻温度≥900℃；从所述钢锭到所述第一中间坯的压缩比为1.2-2.2；

第二火及其后火次，将所述第一中间坯回炉并加热保温一定时间，出炉后转移至快锻机进行锻造，经多火次锻造后所述第一中间坯被锻造成规格更小的第二中间坯；所述第二火及其后火次中，加热温度为1200±20℃，到温后保温1.5-2.5h；每火次的始锻温度均≥1100℃，终锻温度均≥900℃。

2.根据权利要求1所述特种锻造方法，其特征在于，所述径锻成材工序包括如下步骤：

最终火次，将所述第二中间坯回炉加热保温一定时间，然后用径锻机锻造成材。

3.根据权利要求1或2所述特种锻造方法，其特征在于，所述第一火次中，所述加热保温的步骤为：首先将所述钢锭加热至300-350℃，保温2-3h，然后以≤100℃/h的升温速率，将所述钢锭加热至1200±20℃，保温4-6h。

4.根据权利要求1所述特种锻造方法，其特征在于，所述第一火次中，所述径锻机为16MN径锻机。

5.根据权利要求1或2所述特种锻造方法，其特征在于，所述第二火及其后火次中，所述锻造要“抢温操作”，双边压下量为50-100mm，终锻温度低、塑性变差时，不得采用大压下量，每火次锻造时间≤6min。

6.根据权利要求1或2所述特种锻造方法，其特征在于，所述第二火及其后火次中，所述快锻机为20MN快锻机。

7.根据权利要求2所述特种锻造方法，其特征在于，所述最终火次中，加热温度为1200±20℃，到温后保温1.5-2.5h，始锻温度≥1100℃，终锻温度≥900℃；最终在所述径锻机上一次锻造成材。

8.根据权利要求7所述特种锻造方法，其特征在于，所述最终火次中，所述径锻机为16MN径锻机。

9.根据权利要求1所述特种锻造方法，其特征在于，所述钢锭是截面边长为200-700mm的多边形钢锭。

10.根据权利要求9所述特种锻造方法，其特征在于，所述钢锭是截面边长为400-700mm的多边形钢锭。

11.根据权利要求10所述特种锻造方法，其特征在于，所述锻造后得到的棒材成品的规格为Φ60-400mm。

12.根据权利要求11所述特种锻造方法，其特征在于，所述锻造后得到的棒材成品的规格为Φ100-260mm。

13.根据权利要求11所述特种锻造方法，其特征在于，从所述第二中间坯到所述棒材成品的压缩比如下：

成品直径为100-130mm的，压缩比为2.2-3.4；

成品直径为131-180mm的，压缩比为2.1-3.0；

成品直径为181-220mm的，压缩比为2.0-2.7；

成品直径为221-260mm的，压缩比为1.7-2.4。

14.根据权利要求1或2所述特种锻造方法，其特征在于，所述固溶处理的条件为：固溶温度1060-1080℃，保温2-4h。