CN106917031A - Z3cn18-10控氮奥氏体不锈钢锻件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Z3CN18-10控氮奥氏体不锈钢锻件的制造方法,包括以下步骤:第一步,冶炼钢锭;钢锭的成分包括:C:0.020~0.030%,Si:0.40~0.60%,Mn:1.75~2.00%,Cr:19.80~20.00%,Ni:9.20~9.50%,N:0.06~0.08%,P:0.015~0.020%,S:0.002~0.005%,Mo:0.20~0.40%;第二步,锻造锻件;对第一步所获得的电渣重熔钢锭进行锻造,锻造比≥6;第三步,固溶热处理。本发明通过成分控制、锻造、固溶三个关键步骤,全面提升了Z3CN18-10控氮不锈钢锻件的抗腐蚀性能和高温拉伸强度,在保证Z3CN18-10锻件可通过晶间腐蚀试验的同时获得高的高温拉伸性能指标,350℃屈服强度在140MPa以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种不锈钢锻件的制造方法,具体涉及一种Z3CN18-10控氮奥氏体不锈钢锻件的制造方法。
背景技术
Z3CN18-10是一种法国NF牌号的奥氏体不锈钢钢种,广泛用于制造压水堆核电大型部件,如核反应堆堆内构件堆芯支承板、上支承板等。由于压水堆核电主设备在服役时工况特别苛刻,处于高温、高腐蚀性环境,对不锈钢锻件的抗晶间腐蚀能力、高温强度等性能指标有很高的要求。如要求在敏化处理(加热到700±10℃保温30分钟,试样应在炉内以每小时60±5℃的速率缓慢冷却到500℃,然后在空气中冷却)后按标准RCC-M MC1000进行腐蚀,不得出现晶间腐蚀现象;进行350℃高温拉伸试验,屈服强度≥115MPa。
在工艺上,保证材料能够通过晶间腐蚀试验和高温拉伸试验是一对矛盾:要通过晶间腐蚀试验,就希望C含量尽可能低,固溶温度尽量高,但这两条技术措施都势必降低锻件的高温拉伸屈服强度。同时保证晶间腐蚀试验合格和高温强度是获得高性能Z3CN18-10锻件的主要技术难点,也是制约核电堆内构件用Z3CN18-10大锻件制造的主要技术瓶颈之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种Z3CN18-10控氮奥氏体不锈钢锻件的制造方法,它可以制造出耐腐蚀、耐高温的高强度Z3CN18-10控氮不锈钢锻件,经过晶间腐蚀试验、高温拉伸试验,所得锻件可以满足第三代核电主设备用大锻件的要求,用于制造反应堆堆内构件等核一级设备。
为解决上述技术问题,本发明Z3CN18-10控氮奥氏体不锈钢锻件的制造方法的技术解决方案为,包括以下步骤:
第一步,冶炼钢锭;
钢锭的成分包括:C:0.020~0.030%,Si:0.40~0.60%,Mn:1.75~2.00%,Cr:19.80~20.00%,Ni:9.20~9.50%,N:0.06~0.08%,P:0.015~0.020%,S:0.002~0.005%,Mo:0.20~0.40%;
冶炼方法包括以下步骤:
步骤1.1,采用真空吹氧脱碳法或氩氧脱碳法冶炼钢水,钢水的成分含量符合钢锭的成分范围;
步骤1.2,将钢水浇注成电极棒,获得电极棒;
步骤1.3,在电渣重熔炉中将电极棒进行重熔,进一步提纯钢水,去除夹杂物,铸成30~60吨的电渣重熔钢锭。
所述步骤1.3的重熔过程中采用干燥氮气保护。
所述步骤1.3中去除夹杂物的控制目标为:A、B、C、D、Ds类夹杂物均≤1.0。
第二步,锻造锻件;
对第一步所获得的电渣重熔钢锭进行锻造,锻造比≥6;
包括以下步骤:
步骤2.1,冷送钢锭;
步骤2.2,拔长;
步骤2.3,墩粗,成形;
最后一锻造火次的初始锻造温度控制在1050~1100℃范围,锻造变形量控制在12~20%。
第三步,固溶热处理;
采用温度不均匀性≤±10℃的电加热炉,对第二步所得锻件进行固溶热处理,包括以下步骤:
步骤3.1,将锻件加热至1050~1070℃保温,实现奥氏体化;保温时间为每100mm壁厚保温2~2.5h;
步骤3.2,冷却;
将锻件浸入水中进行固溶冷却,锻件从出炉到入水的时间间隔不超过5分钟;入水后将锻件冷却至低于95℃。
所述第三步中采用单件生产或工件叠加批炉生产;采用工件叠加批炉生产时,工件之间通过垫铁隔开,隔开间距不小于锻件壁厚。
本发明可以达到的技术效果是:
本发明通过成分控制、锻造、固溶三个关键步骤,全面提升了Z3CN18-10控氮不锈钢锻件的抗腐蚀性能和高温拉伸强度,在保证Z3CN18-10锻件可通过晶间腐蚀试验的同时获得高的高温拉伸性能指标,350℃屈服强度在140MPa以上。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明:
图1是德龙组织图。
具体实施方式
本发明Z3CN18-10控氮奥氏体不锈钢锻件的制造方法,包括以下步骤:
第一步,冶炼钢锭;
钢锭的成分包括(本文均为质量百分比含量):
C:0.020~0.030%,
Si:0.40~0.60%,
Mn:1.75~2.00%,
Cr:19.80~20.00%,
Ni:9.20~9.50%,
N:0.06~0.08%,
P:0.015~0.020%,
S:0.002~0.005%,
Mo:0.20~0.40%。
RCC-M标准中对Z3CN18-10控氮不锈钢提出的成分规范为:C≤0.038%,Cr18.50~20.00%,Ni9.00~11.00%,Si≤1.00%,Mn≤2.00%,S≤0.015%,P≤0.030%,N≤0.080%。该标准对Z3CN18-10成分提出了一个较宽泛的要求,但仅符合成分规范的锻件未必能保证获得规定的性能指标。工程实践表明,成分在上述范围内波动时,锻件可达到的性能将发生明显变化。
本发明在大量实验的基础上,为均衡各性能指标,对各元素的成分进一步限定。上述成分范围将C控制在适当低的水平,同时将Cr含量控制在较高水平,可以确保锻件具有足够的抗晶间腐蚀能力;N控制在较高水平,以补偿降低C带来的强度损失。
另外添加少量的Mo元素进一步提升高温强度,即Mo含量为0.20~0.40%。添加上述范围的Mo不涉及材料牌号的变更。其余合金根据如图1的示的德龙组织图计算最终得到所需奥氏体组织而确定。
本发明控制Z3CN18-10控氮不锈钢锻件的化学成分,将钢锭的合金成分控制在:C:0.020~0.030%,Si:0.40~0.60%,Mn:1.75~2.00%,Cr:19.80~20.00%,Ni:9.20~9.50%,Mo:0.20~0.40%,N:0.06~0.08%,以合理降低有害元素的含量;本发明的P含量为0.015~0.020%,S含量为0.002~0.005%,从尽量提升性能而言,P、S越低越好,但控制目标过高将不合理的增加冶炼成本。
钢锭的冶炼方法包括以下步骤:
步骤1.1,采用真空吹氧脱碳法(VOD)或氩氧脱碳法(AOD)冶炼钢水,钢水的成分含量符合上述钢锭的成分范围;
步骤1.2,将钢水浇注成电极棒,获得目标成分范围的电极棒;
步骤1.3,在200吨电渣重熔炉中将电极棒进行重熔,进一步提纯钢水,去除夹杂物,铸成30~60吨的电渣重熔钢锭;
重熔过程中必须采用干燥氮气保护,防止N元素下降;
为保证钢水的纯净度,提高锻件力学性能和抗腐蚀能力,夹杂物控制目标为:A、B、C、D、Ds类夹杂物均≤1.0。
钢锭的质量决定锻件可达到的性能潜力,本发明通过控制、合金成分、钢水的纯净度(残余元素和夹杂物)以及冶炼方式,能够获得符合要求的钢锭。
第二步,锻造锻件;
对第一步所获得的电渣重熔钢锭进行锻造,包括以下步骤:
步骤2.1,冷送钢锭;
步骤2.2,拔长;
步骤2.3,墩粗,成形;
最后一锻造火次的初始锻造温度控制在1050~1100℃范围,锻造变形量控制在12~20%水平;
锻件按RCC-M M380标准计算的锻造比≥6,以充分打碎钢锭铸态组织并压实。
本发明将Z3CN18-10控氮不锈钢锻件最后一锻造火次的初始锻造温度控制在1050~1100℃范围,锻造变形量控制在12~20%水平,能够获得到所期望的2~3级奥氏体晶粒度。较细的晶粒度为后续锻件力学性能提供了良好的基础。
第三步,固溶热处理;
采用温度不均匀性≤±10℃的电加热炉,可采用单件生产或工件叠加批炉生产;采用工件叠加批炉生产时,工件之间通过垫铁隔开,隔开间距不小于锻件壁厚。
对第二步所得锻件进行固溶热处理,包括以下步骤:
步骤3.1,将锻件加热至1050~1070℃保温,实现奥氏体化;保温时间为每100mm壁厚保温2~2.5h;
步骤3.2,冷却;
将锻件浸入水中进行固溶冷却,锻件从出炉到入水的时间间隔不超过5分钟;入水后将锻件冷却至低于95℃。
RCC-M标准限制Z3CN18-10控氮不锈钢锻件最低固溶温度为1050℃,本发明选取较低的保温温度(上限为1070℃),使锻件在较低的温度均匀地奥氏体化,防止晶粒长大。
本发明限定的保温时间足够长(每100mm壁厚保温2~2.5h),以取得碳化物充分溶解的效果,防止晶间存在不良碳化物降低抗腐蚀性能。
本发明限定固溶冷却从出炉到入水的时间间隔不超过5分钟,入水后将锻件冷却至低于95℃,以获得良好的固溶强化效果并阻止碳化物在晶间再次析出。
Claims (6)
1.一种Z3CN18-10控氮奥氏体不锈钢锻件的制造方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步,冶炼钢锭;
钢锭的成分包括:C:0.020~0.030%,Si:0.40~0.60%,Mn:1.75~2.00%,Cr:19.80~20.00%,Ni:9.20~9.50%,N:0.06~0.08%,P:0.015~0.020%,S:0.002~0.005%,Mo:0.20~0.40%;
第二步,锻造锻件;
对第一步所获得的电渣重熔钢锭进行锻造,锻造比≥6;
第三步,固溶热处理;
采用温度不均匀性≤±10℃的电加热炉,对第二步所得锻件进行固溶热处理,包括以下步骤:
步骤3.1,将锻件加热至1050~1070℃保温,实现奥氏体化;保温时间为每100mm壁厚保温2~2.5h;
步骤3.2,冷却;
将锻件浸入水中进行固溶冷却,锻件从出炉到入水的时间间隔不超过5分钟;入水后将锻件冷却至低于95℃。
2.根据权利要求1所述的Z3CN18-10控氮奥氏体不锈钢锻件的制造方法,其特征在于:所述第一步的冶炼方法包括以下步骤:
步骤1.1,采用真空吹氧脱碳法或氩氧脱碳法冶炼钢水,钢水的成分含量符合钢锭的成分范围;
步骤1.2,将钢水浇注成电极棒,获得电极棒;
步骤1.3,在电渣重熔炉中将电极棒进行重熔,进一步提纯钢水,去除夹杂物,铸成30~60吨的电渣重熔钢锭。
3.根据权利要求2所述的Z3CN18-10控氮奥氏体不锈钢锻件的制造方法,其特征在于:所述步骤1.3的重熔过程中采用干燥氮气保护。
4.根据权利要求2所述的Z3CN18-10控氮奥氏体不锈钢锻件的制造方法,其特征在于:所述步骤1.3中去除夹杂物的控制目标为:A、B、C、D、Ds类夹杂物均≤1.0。
5.根据权利要求1所述的Z3CN18-10控氮奥氏体不锈钢锻件的制造方法,其特征在于:所述第二步的锻造成形包括以下步骤:
步骤2.1,冷送钢锭;
步骤2.2,拔长;
步骤2.3,墩粗,成形;
最后一锻造火次的初始锻造温度控制在1050~1100℃范围,锻造变形量控制在12~20%。
6.根据权利要求1所述的Z3CN18-10控氮奥氏体不锈钢锻件的制造方法,其特征在于:所述第三步中采用单件生产或工件叠加批炉生产;采用工件叠加批炉生产时,工件之间通过垫铁隔开,隔开间距不小于锻件壁厚。
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