CN106917032A - 核反应堆压力容器钢大型厚壁锻件提升低温冲击功的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种核反应堆压力容器钢大型厚壁锻件提升低温冲击功的方法，包括以下步骤：第一步，冶炼钢锭；第二步，锻造锻件；第三步，锻后热处理；第四步，性能热处理。本发明通过化学成分的控制、锻造过程中的高温扩散和适当的热处理工艺，能够获得细晶粒、组织均匀的回火贝氏体组织，达到良好的力学性能尤其是低温冲击功，从而能够提高压力容器锻件的低温冲击韧性，保证锻件具有更好的质量稳定性和更高的使用安全裕度值。

Description

核反应堆压力容器钢大型厚壁锻件提升低温冲击功的方法
技术领域
本发明涉及一种钢的热处理方法，具体涉及一种核反应堆压力容器钢大型厚壁锻件提升低温冲击功的方法。
背景技术
大力发展核电是解决环境问题、改善能源结构的重要举措。随着核电技术的演进，为满足功率增大、安全裕度增加的要求，核电反应堆压力容器锻件朝大型化、一体化、厚壁化、高性能化发展。三代CAP1000核反应堆压力容器采用SA-508Gr.3Cl.1材料，具有很高的低温韧性要求。以堆芯筒体为例，调质壁厚为266mm，要求在1/4T×T取样(T为热处理壁厚)，-20℃Kv冲击考核值为平均值≥41J。对于SA-508Gr.3Cl.1钢，SA-508规定壁厚≤205mm在1/4T×T取样，而壁厚更厚的锻件属于特厚锻件，由于难以淬透保证在1/4T处也获得性能良好的组织，规定的取样位置较浅(一般为距第一热处理表面20mm，第二热处理表面40mm)。由此可见，三代核电反应堆压力容器的性能考核要求较SA-508标准要求严格得多。而采用常规工艺方法制造的核电压力容器大锻件-20℃冲击功在80～100J水平，考虑到低温冲击试验本身具有的偶然性，个别值出现≤41J难以完全避免。
SA-508标准对SA-508Gr.3Cl.1钢的成分提出了一个限制规范，对具有细化晶粒作用的元素Al，标准要求≤0.040％，而对N、O含量没有具体要求。有研究者对Al、N对SA-508-3钢的性能进行了研究，并得出了钢中的Al、N能有效地细化晶粒提高韧性，提出N/Al比值在0.5～0.8左右为佳(资料来源：胡本芙等，N/Al比值对A508-3钢的组织和性能的影响，《钢铁》1999年1期)。也有研究者研究了Al的作用，得出Al在0.019含量时，产生的Al2O3也将显著恶化韧性的结论(资料来源：薛永栋等，核电锻件用钢SA-508-3-1低温冲击性能不合格原因分析与对策，《大型铸锻件》2011年6期)。Al、N、O的综合作用未见报告研究。
考虑到N、O同时可以与Al进行化合，故设计Al元素含量时，只考虑N或只考虑O都是不合适的。此外，大钢锭由于凝固特性往往存在明显的微区成分偏析，这种偏析将导致微区组织存在较大的差异，从而恶化低温韧性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种核反应堆压力容器钢大型厚壁锻件提升低温冲击功的方法，它可以使SA-508Gr.3Cl.1钢CAP1000核电反应堆压力容器锻件的-20℃冲击功平均值从80～100J提升至200J以上，完全避免出现个别值≤41J的情况。
为解决上述技术问题，本发明核反应堆压力容器钢大型厚壁锻件提升低温冲击功的方法的技术解决方案为，包括以下步骤：
第一步，冶炼钢锭；
所述钢锭的成分为：C：0.18～0.20％，Mn：1.40～1.50％，P≤0.008％，S≤0.005％，Si：0.25～0.40％，Ni：0.80～0.95％，Cr≤0.25％，Mo：0.45～0.50％，V≤0.05％，Al：0.020～0.030％，N：0.020～0.030％，O≤0.003％，H≤0.0002％；
所述冶炼方法包括以下步骤：
步骤1.1，真空精炼钢水，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200～320吨的电渣重熔钢锭。
所述重熔过程中采用干燥氮气保护。
第二步，锻造锻件；
对第一步所获得的钢锭进行锻造成形，获得壁厚为280～400mm的厚壁锻件毛坯；
所述锻造成形包括以下步骤：
步骤2.1，热送钢锭；
步骤2.2，压钳把；
步骤2.3，一次墩粗；
步骤2.4，扩散退火；
钢锭经一次墩粗后送至炉温为1240～1290℃的加热炉内保温100～120小时，进行高温扩散退火；
步骤2.5，拔长；
步骤2.6，二次墩粗；
步骤2.7，冲孔；
步骤2.8，扩孔成形。
第三步，锻后热处理；
对壁厚为280～400mm的厚壁锻件毛坯进行锻后热处理；
所述锻后热处理包括以下步骤：
步骤3.1，将锻件热送至炉温为550～650℃的加热炉内保温4～6小时；
步骤3.2，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的降温速度冷却至250～350℃保温14～16小时；
步骤3.3，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的升温速度升温至650～700℃保温4～6小时；
步骤3.4，使加热炉的炉内温度尽速升温至970～990℃保温14～18小时，实现正火，使锻件奥氏体化；
步骤3.5，使奥氏体化的锻件出炉空冷至250～350℃；
步骤3.6，将锻件再次热送至炉温为250～350℃的加热炉内保温14～16小时；
步骤3.7，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的升温速度升温至640～660℃保温80～120小时，实现回火；
步骤3.8，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的降温速度冷却至≤150℃，使锻件出炉。
第四步，性能热处理；
对壁厚为280～400mm的厚壁锻件毛坯进行粗加工，得到壁厚为200～280mm的锻件；对壁厚为200～280mm的锻件进行性能热处理。
所述性能热处理包括以下步骤：
步骤4.1，将锻件冷送至炉温为350～450℃的加热炉内保温3～5小时；
步骤4.2，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的升温速度升温至650～700℃保温4～6小时；
步骤4.3，使加热炉的炉内温度尽速升温至920～940℃保温5～7小时，实现正火，使锻件奥氏体化；
步骤4.4，使奥氏体化的锻件出炉空冷至≤120℃；
步骤4.5，将锻件再次送至炉温为350～450℃的加热炉内保温3～5小时；
步骤5.6，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的升温速度升温至650～700℃保温4～6小时；
步骤4.7，使加热炉的炉内温度尽速升温至880～900℃保温，实现淬火，使锻件奥氏体化；保温时间按100mm壁厚2～2.5小时计算。
步骤4.8，使锻件出炉水冷至室温；
步骤4.9，将锻件再次热送至炉温为250～350℃的加热炉内保温3～5小时；
步骤4.10，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的升温速度升温至650～660℃保温，实现回火；保温时间按100mm壁厚2～2.5小时计算。
步骤4.11，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的降温速度冷却至≤150℃，使锻件出炉。
本发明可以达到的技术效果是：
本发明通过化学成分的控制、锻造过程中的高温扩散和适当的热处理工艺，能够获得细晶粒(7～7.5级)、组织均匀的回火贝氏体组织，达到良好的力学性能尤其是低温冲击功，从而能够提高压力容器锻件的低温冲击韧性，保证锻件具有更好的质量稳定性和更高的使用安全裕度值。
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是采用现有技术锻造而成的锻件试样的光学金相照片(50倍)，其金相组织中存在严重的微观偏析；
图2是采用本发明的锻造方法(经扩散退火)形成的锻件试样的光学金相照片(50倍)，
图3是本发明的锻造方法中步骤2.4扩散退火的工艺曲线图；
图4是本发明的锻后热处理的工艺曲线图；
图5是本发明的性能热处理中正火的工艺曲线示意图；
图6是本发明的性能热处理中淬火+回火的工艺曲线示意图。
具体实施方式
本发明核反应堆压力容器钢大型厚壁锻件提升低温冲击功的方法，适用于材料为SA-508Gr.3Cl.1钢，调质壁厚为200～280mm的厚壁锻件，包括以下步骤：
第一步，冶炼钢锭；
钢锭的成分为(本文均为质量百分比含量)：
C：0.18～0.20％，
Mn：1.40～1.50％，
P≤0.008％，
S≤0.005％，
Si：0.25～0.40％，
Ni：0.80～0.95％，
Cr≤0.25％，
Mo：0.45～0.50％，
V≤0.05％，
Al：0.020～0.030％，
N：0.020～0.030％，
O≤0.003％，
H≤0.0002％；
ASME SA508/508M(2004版)标准对SA-508Gr.3Cl.1的成分有规定，但其规定的成分范围过于宽泛，在其范围内波动的锻件的热加工特性具有显著的差异。本发明在大量实验的基础上，对各元素的成分进一步限定，并限定了Al、N、O、H的成分含量。本发明限定N/Al比值在0.67～1.5之间，O≤0.003％，能够保证在基体内生成细化晶粒的AlN，而不是恶化韧性的Al2O3；本发明将Al、N控制在一个较高的水平，有利于生成更多的AlN，能够提升晶粒细化效果。
钢锭的冶炼方法包括以下步骤：
步骤1.1，真空精炼钢水，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200～320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，并将H控制在≤0.0002％的水平。
对于常规的SA-508Gr.3Cl.1锻件，由于钢水需经过真空精炼和真空浇注工序，根据冶金原理，真空浇注除气后残余的N在0.005～0.006％左右，采取添加N合金等工艺措施后，N可增加至0.009～0.012％。真空精炼+真空浇注工艺可将有害气体元素H降低至0.00012％或更低，但电渣重熔缺少真空环境，去氢效果相对较差，故将控制目标定为H≤0.0002％。
本发明将N控制在0.020～0.030％，采用常规的真空精炼+真空浇注的冶金方法已不能实现，故采用真空精炼+电渣重熔的工艺方法保证获得所需的内控成分范围。
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成形，获得壁厚为280～400mm的厚壁锻件毛坯；
锻造成形包括以下步骤：
步骤2.1，热送钢锭；
步骤2.2，压钳把；
步骤2.3，一次墩粗；
步骤2.4，扩散退火；
如图3所示，钢锭经步骤2.3的一次墩粗后送至炉温为1240～1290℃的加热炉内保温100～120小时，进行高温扩散退火；
步骤2.5，拔长；
步骤2.6，二次墩粗；
步骤2.7，冲孔；
步骤2.8，扩孔成形。
上述热送钢锭、压钳把、墩粗、拔长、冲孔、扩孔成形均为现有技术。
随着核电核岛主设备大锻件的大型化发展，200～400吨级大型钢锭已广泛应用于核电大锻件的制造。随着钢锭锭型的增大，钢水凝固过程中带来的微观偏析也更趋严重，这种微观偏析导致微区组织存在很大差异，从而恶化了锻件韧性。如图1所示，暗区为正偏析区，明区为负偏析无区，可以看出，两者组织存在明显差异，暗区明显具有更多的碳化物分布，说明其合金含量更高。
本发明在锻造过程中将钢锭经一次墩粗后先进行扩散退火，然后再进行拔长，即在锻造过程中增加一次长时间的高温扩散退火，能够使合金(主要是C元素)的分布更加均匀，减轻钢锭微观偏析对性能的影响。
随着温度的增加，C原子迁移能力增强，故选择更高的温度有利于获得更好的扩散效果。如在热处理工序进行扩散，考虑到SA-508Gr.3Cl.1材料在保温温度超过1000℃，晶粒也随着温度升高而长大，故高温扩散的温度一般不能超过1000℃。SA-508Gr.3的锻造温度区间为850～1290℃，本发明采用锻造工序中增加扩散退火，温度选可锻温度区间的上限温度，以获得尽可能好的扩散退火效果。由于后续锻造的大变形量而不必担心晶粒长大问题。如图2所示，整个视场微观组织均匀一致，未出现图1所示明显的明暗相间的现象，说明经1240～1290℃、保温100～120小时的扩散退火处理后，锻件的微观偏析已得到了明显的改善。
第三步，锻后热处理；
如图4所示，对壁厚为280～400mm的厚壁锻件毛坯进行锻后热处理，包括以下步骤：
步骤3.1，将锻件热送至炉温为550～650℃的加热炉内保温4～6小时；
步骤3.2，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的降温速度冷却至250～350℃保温14～16小时；
步骤3.3，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的升温速度升温至650～700℃保温4～6小时；
步骤3.4，使加热炉的炉内温度尽速升温至970～990℃保温14～18小时，实现正火，使锻件奥氏体化；
本发明的锻后热处理中正火奥氏体化温度的选择是基于在不导致晶粒快速长大的前提下尽量选择更高温度，以进一步增强成分均匀化效果和扩氢。由于锻后热处理正火奥氏体化温度较高，此次正火主要目的是进一步均匀化成分和组织，细化晶粒效果不明显，获得晶粒度约为4级。
本发明的锻后热处理中奥氏体化保温时间根据壁厚调整，本发明适用280～400mm壁厚的锻造毛坯，故设定的保温时间为14～18h。
步骤3.5，使奥氏体化的锻件出炉空冷至250～350℃；
步骤3.6，将锻件再次热送至炉温为250～350℃的加热炉内保温14～16小时；
步骤3.7，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的升温速度升温至640～660℃保温80～120小时，实现回火；
由于电渣重熔钢锭在除气效果上不如真空浇注钢锭，故H含量偏高，在锻后热处理时回火保温时间应更长，本发明设定的回火保温时间为80～120h，以降低H含量。
步骤3.8，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的降温速度冷却至≤150℃，使锻件出炉，所得锻件的硬度为HB140～180，以便于性能热处理的粗加工。
锻后热处理一般目的是扩氢、细化晶粒和均匀化锻态组织，为后续性能热处理提供较好的组织保证。对于SA-508Gr.3锻件，正火+回火是常规的锻后热处理工序，为获得细化晶粒效果，正火温度一般在920～960℃之间选择，回火保温时间需考虑扩氢，如采用真空精炼+真空浇注的钢锭，一般不再考虑扩氢。
本发明的锻后热处理采用一次正火+高温回火的热处理工艺，能够使得锻态组织均匀化，晶粒度达到6～6.5级。经锻后热处理后，钢中的氢下降至0.00008％以下。
第四步，性能热处理；
对壁厚为280～400mm的厚壁锻件毛坯进行粗加工，得到壁厚为200～280mm的锻件；对壁厚为200～280mm的锻件进行性能热处理；性能热处理包括以下步骤：
如图5所示，步骤4.1，将锻件冷送至炉温为350～450℃的加热炉内保温3～5小时；
步骤4.2，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的升温速度升温至650～700℃保温4～6小时；
步骤4.3，使加热炉的炉内温度尽速升温至920～940℃保温5～7小时，实现正火，使锻件奥氏体化；
本发明的性能热处理中正火奥氏体化温度范围选择较低的奥氏体化温度，其目的在于细化晶粒，为后续的调质处理(淬火+回火)提供组织准备。
步骤4.4，使奥氏体化的锻件出炉空冷至≤120℃；
如图6所示，步骤4.5，将锻件再次送至炉温为350～450℃的加热炉内保温3～5小时；
步骤5.6，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的升温速度升温至650～700℃保温4～6小时；
步骤4.7，使加热炉的炉内温度尽速升温至880～900℃保温5～7小时，实现淬火，使锻件奥氏体化；其中保温时间按100mm壁厚2～2.5小时计算；
本发明的性能热处理中淬火奥氏体化温度的选择是为获得强韧性匹配好的性能。
步骤4.8，使锻件出炉水冷至室温；
步骤4.9，将锻件再次热送至炉温为250～350℃的加热炉内保温3～5小时；
步骤4.10，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的升温速度升温至650～660℃保温6～8小时，实现回火；其中保温时间按100mm壁厚2～2.5小时计算；
步骤4.11，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的降温速度冷却至≤150℃，使锻件出炉。
性能热处理是与锻件性能直接相关的关键工序。SA-508Gr.3的标准工艺是淬火+回火，淬火温度一般不超过925℃，回火最低温度为625℃。本发明的性能热处理采用一次正火+一次淬火+一次回火，性能热处理后锻件晶粒度为7～7.5级，组织为贝氏体回火组织，在1/4T(T为热处理壁厚)抗拉强度为580～600MPa，优于考核要求(≥550MPa)，在1/4T(T为热处理壁厚)位置取样-20℃低温冲击功达到200J以上，显著优于考核要求(≥68J)，1/2T位置取样低温冲击功也超过150J。
核反应堆压力容器SA-508Gr.3Cl.1钢大锻件对强韧性要求很高，抗拉强度下限为550MPa，-20℃冲击功平均值(三个一组)≥68J，其中只允许一个低于68J且不得低于41J。由于大钢锭存在的微观偏析、大锻件的组织不均匀性、晶粒过粗等原因，SA-508Gr.3Cl.1大型厚壁锻件很难获得较好的强度、韧性匹配，尤其是低温冲击值偏低甚至不合格的情况较为普遍。
本发明对已有的制造流程和工艺进行进一步细化和改进，主要通过设计内控成分要求、在锻造工序中增加适当参数的高温扩散工艺，以及设置适当的热处理工艺参数，以获得组织均匀、细晶粒的回火贝氏体组织，从而可以提高压力容器锻件的冲击韧性，保证锻件具有更好的质量稳定性和使用安全裕度。
本发明适用于调质壁厚约为200～280mm、锻造毛坯壁厚约为280～400mm的厚壁SA-508Gr.3Cl.1钢锻件。

Claims (8)

1.一种核反应堆压力容器钢大型厚壁锻件提升低温冲击功的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，冶炼钢锭；
所述钢锭的成分包括：C：0.18～0.20％，Mn：1.40～1.50％，P≤0.008％，S≤0.005％，Si：0.25～0.40％，Ni：0.80～0.95％，Cr≤0.25％，Mo：0.45～0.50％，V≤0.05％，Al：0.020～0.030％，N：0.020～0.030％，O≤0.003％，H≤0.0002％；
第二步，锻造锻件；
对第一步所获得的钢锭进行锻造成形，获得壁厚为280～400mm的厚壁锻件毛坯；
第三步，锻后热处理；
对壁厚为280～400mm的厚壁锻件毛坯进行锻后热处理；
第四步，性能热处理；
对壁厚为280～400mm的厚壁锻件毛坯进行粗加工，得到壁厚为200～280mm的锻件；
对壁厚为200～280mm的锻件进行性能热处理。
2.根据权利要求1所述的核反应堆压力容器钢大型厚壁锻件提升低温冲击功的方法，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，真空精炼钢水，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200～320吨的电渣重熔钢锭。
3.根据权利要求2所述的核反应堆压力容器钢大型厚壁锻件提升低温冲击功的方法，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1所述的核反应堆压力容器钢大型厚壁锻件提升低温冲击功的方法，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，热送钢锭；
步骤2.2，压钳把；
步骤2.3，一次墩粗；
步骤2.4，扩散退火；
钢锭经一次墩粗后送至炉温为1240～1290℃的加热炉内保温100～120小时，进行高温扩散退火；
步骤2.5，拔长；
步骤2.6，二次墩粗；
步骤2.7，冲孔；
步骤2.8，扩孔成形。
5.根据权利要求1所述的核反应堆压力容器钢大型厚壁锻件提升低温冲击功的方法，其特征在于，所述第三步的锻后热处理包括以下步骤：
步骤3.1，将锻件热送至炉温为550～650℃的加热炉内保温4～6小时；
步骤3.2，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的降温速度冷却至250～350℃保温14～16小时；
步骤3.3，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的升温速度升温至650～700℃保温4～6小时；
步骤3.4，使加热炉的炉内温度尽速升温至970～990℃保温14～18小时，实现正火，使锻件奥氏体化；
步骤3.5，使奥氏体化的锻件出炉空冷至250～350℃；
步骤3.6，将锻件再次热送至炉温为250～350℃的加热炉内保温14～16小时；
步骤3.7，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的升温速度升温至640～660℃保温80～120小时，实现回火；
步骤3.8，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的降温速度冷却至≤150℃，使锻件出炉。
6.根据权利要求1所述的核反应堆压力容器钢大型厚壁锻件提升低温冲击功的方法，其特征在于，所述第四步的性能热处理包括以下步骤：
步骤4.1，将锻件冷送至炉温为350～450℃的加热炉内保温3～5小时；
步骤4.2，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的升温速度升温至650～700℃保温4～6小时；
步骤4.3，使加热炉的炉内温度尽速升温至920～940℃保温5～7小时，实现正火，使锻件奥氏体化；
步骤4.4，使奥氏体化的锻件出炉空冷至≤120℃；
步骤4.5，将锻件再次送至炉温为350～450℃的加热炉内保温3～5小时；
步骤5.6，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的升温速度升温至650～700℃保温4～6小时；
步骤4.7，使加热炉的炉内温度尽速升温至880～900℃保温，实现淬火，使锻件奥氏体化；
步骤4.8，使锻件出炉水冷至室温；
步骤4.9，将锻件再次热送至炉温为250～350℃的加热炉内保温3～5小时；
步骤4.10，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的升温速度升温至650～660℃保温，实现回火；
步骤4.11，使加热炉的炉内温度以≤50℃/h的降温速度冷却至≤150℃，使锻件出炉。
7.根据权利要求6所述的核反应堆压力容器钢大型厚壁锻件提升低温冲击功的方法，其特征在于，所述步骤4.7中的保温时间按100mm壁厚2～2.5小时计算。
8.根据权利要求6所述的核反应堆压力容器钢大型厚壁锻件提升低温冲击功的方法，其特征在于，所述步骤4.10中的保温时间按100mm壁厚2～2.5小时计算。
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