CN108517461B - 一种高性能马氏体不锈钢法兰及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及马氏体不锈钢锻造技术领域，公开了一种高性能马氏体不锈钢法兰和锻件及其制造方法，包括：0.10～0.13wt％的碳、0.40～0.70wt％的硅、0.40～0.80wt％的锰、≤0.008wt％的磷、≤0.005wt％的硫、12～13.55wt％的铬，0.12wt％的镍，余量为铁。本发明中制造工艺生产的锻件性能优异，锻件性能指标远超传统工艺生产的锻件，锻件无损检测中发现的缺陷数量和尺寸也远优于传统工艺。

Description

一种高性能马氏体不锈钢法兰及其制造方法

技术领域

本发明涉及马氏体不锈钢锻造技术领域，特别是涉及一种高性能马氏体不锈钢法兰及其制造方法。

背景技术

马氏体不锈钢是指Cr≥12％，组织为马氏体的一类不锈钢，在具有良好的耐腐蚀能力的同时，又具有较高的强度，马氏体不锈钢可以通过热处理调整力学性能，不同的温度组合有不同的强韧性能，广泛应用于石油化工、核电、风电、火电、轻工、机械、冶金及船舶等领域。

在国标GB/T1220中，12Cr13马氏体不锈钢的化学成分为C 0.08％～0.15％，Si≤1％，Mn≤1％，P≤0.040％，S≤0.030％，Cr 11.5％～13.5％，其余为Fe元素。力学性能要求为Rm≥540MPa，Rp0.2≥345，A≥22％，Z≥55％，Aku2≥78J。

使用传统工艺生产的12Cr13马氏体法兰可以满足国标的要求，但近些年来，随着技术进步的不断加快，很多重点工程，尤其是核电工程对马氏体不锈钢锻件的性能提出更高要求。例如核反应堆上使用的12Cr13马氏体不锈钢锻件，核电标准要求Rm≥760MPa，Rp0.2≥560，A≥15％，Z≥50％，0℃时Akv≥110J，冲击试验侧向膨胀量大于等于1.1mm。但是使用传统工艺生产的锻件，当抗拉强度Rm≥760MPa时，冲击功只有20J左右，侧向膨胀量只有约0.5mm，当通过热处理调整，使冲击功和侧向膨胀量达到要求时，抗拉强度下降到500MPa左右，即出现了强度和韧性不能同时满足的情况。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是不能满足油气管线工程和核电工程对马氏体不锈钢法兰在强度和韧性方面同样的得到提高的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供了一种高性能马氏体不锈钢法兰，其特征在于，所述的马氏体不锈钢含有下列化学成分：0.10～0.13wt％的碳、0.40～0.70wt％的硅、0.40～0.80wt％的锰、≤0.008wt％的磷、≤0.005wt％的硫、12～13.55wt％的铬，0.12wt％的镍，余量为铁。

一种提高马氏体不锈钢法兰韧性的制造方法，包括如下步骤：

步骤一，电炉冶炼：将铁水预处理后用转炉炼钢；

步骤二，炉外精炼：将所述步骤一得到的钢水用精炼炉进一步精炼成上述的马氏体不锈钢，精炼后将铁水铸成φ16～24寸钢锭；

步骤三，锻造：将所述步骤二得到的马氏体不锈钢钢锭，用液压机或空气锤锻造成产品锻件；

步骤四，热处理：将所述步骤三中自然冷却后的锻件置于电阻炉内进行热处理；

步骤五，性能测试：热处理后，从所述步骤四热处理后的锻件上切取试验用试料，用试料加工成拉伸试样和冲击试样，进行力学性能试验；

步骤六，机加工：将步骤五中力学性能测试合格后的锻件通过机加工制成马氏体不锈钢法兰及锻件工件；

步骤七，无损检测：通过超声探伤仪或者磁粉探伤机对机加工后的工件进行探伤、检验；

步骤八，成品：将探伤、检验后的工件包装入库。

优选的，在上述的一种提高马氏体不锈钢法兰韧性的制造方法中，所述步骤二中的马氏体不锈钢生成的具体步骤为：钢水流入精炼炉中，当钢水温度达到1210℃时，进入还原期冶炼，先向钢水内喷吹硅钙合金粉或电石粉，然后先加入硅锰铁合金、铬铁合金和稀土合金，同时向钢水中吹氮气，再加入稀土合金应控制在稀土与硫之比为1～2.5。

优选的，在上述的一种提高马氏体不锈钢法兰韧性的制造方法中，所述步骤二中的精炼炉为天然气加热炉，加热温度为1210℃，保温时间为1.8h。

优选的，在上述的一种提高马氏体不锈钢法兰韧性的制造方法中，所述步骤三中锻造工艺的始锻温度为1150～1200℃，终锻温度≥850℃，分三个火次进行锻造；第一火次进行钢锭倒棱、拔长，热切冒口和水口，锻造比为2；第二火次对钢锭进行镦粗和拔长，锻造比为2；第三火次为镦粗或拔长到规定形状，锻造比为2，三个火次总锻造比为6，最后一火变形量为大于等于20％，锻后立刻将锻件转入热处理炉中随炉冷却，热处理炉初始温度不低于450℃。

优选的，在上述的一种提高马氏体不锈钢法兰韧性的制造方法中，其特征在于，所述步骤五中热处理过程中采用的淬火温度为950～1000℃，油冷，回火温度为600～650℃，油冷，回火两次。

本发明的有益效果是：

(1)原材料选用精炼钢，磷硫等有害元素大幅降低，钢锭内部缺陷少。

(2)对化学成分进行精控，使化学成分含量有力的保障了性能要求。

(3)热处理控制奥氏体化温度和保温时间，防止晶粒长大；两次回火，回火冷却采用油冷。

附图说明

图1是本发明的一种提高马氏体不锈钢法兰韧性的制造方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明技术实现的措施、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一种高性能马氏体不锈钢法兰，包括：所述的马氏体不锈钢含有下列化学成分：0.10～0.13wt％的碳、0.40～0.70wt％的硅、0.40～0.80wt％的锰、≤0.008wt％的磷、≤0.005wt％的硫、12～13.55wt％的铬，0.12wt％的镍，余量为铁。镍可以显著提高材料冲击韧性。

图1是本发明的一种提高马氏体不锈钢法兰韧性的制造方法的流程图；

如图1所示，一种提高马氏体不锈钢法兰韧性的制造方法，包括如下步骤：

步骤一，电炉冶炼：将铁水预处理后用转炉炼钢；

步骤二，炉外精炼：将所述步骤一得到的钢水用精炼炉进一步精炼成权1所述的马氏体不锈钢，精炼后将铁水铸成φ16～24寸钢锭；

步骤三，锻造：将所述步骤二得到的马氏体不锈钢钢锭，用液压机或空气锤锻造成产品锻件；

步骤四，热处理：将所述步骤三中自然冷却后的锻件置于电阻炉内进行热处理；

步骤五，性能测试：热处理后，从所述步骤四热处理后的锻件上切取试验用试料，用试料加工成拉伸试样和冲击试样，进行力学性能试验；

步骤六，机加工：将步骤五中力学性能测试合格后的锻件通过机加工制成马氏体不锈钢法兰及锻件工件；

步骤七，无损检测：通过超声探伤仪或者磁粉探伤机对机加工后的工件进行探伤、检验；

步骤八，成品：将探伤、检验后的工件包装入库。

进一步地，所述步骤二中的马氏体不锈钢生成的具体步骤为：钢水流入精炼炉中，当钢水温度达到1210℃时，进入还原期冶炼，先向钢水内喷吹硅钙合金粉或电石粉，然后先加入硅锰铁合金、铬铁合金和稀土合金，同时向钢水中吹氮气，再加入稀土合金应控制在稀土与硫之比为1～2.5。

进一步地，所述步骤二中的精炼炉为天然气加热炉，加热温度为1150～1200℃，总锻造比大于等于6，最后一火变形量≥20％，保温时间为1.8h。

进一步地，所述步骤三中锻造工艺的始锻温度为1150～1200℃，终锻温度≥850℃，分三个火次进行锻造，总锻造比≥6，最后一火变形量为大于等于20％，锻后立刻将锻件转入热处理炉中随炉冷却，热处理炉初始温度不不低于450℃。

进一步地，所述步骤五中热处理过程中采用的淬火温度为950～1000℃，油冷，回火温度为600～650℃，油冷，回火两次。

下面结合具体实施例对本发明进行具体阐述：

实施例1：制作φ1000×120mm管板，材质为12Cr13马氏体不锈钢。

验收要求：Rm≥760MPa，Rp0.2≥560，A≥15％，Z≥50％，0℃时Akv≥110J，冲击试样侧向膨胀量大于等于1.1mm。

工艺流程：

原材料冶炼→下料→锻造→热处理→取样→力学性能试验→无损检测→机加工→成品。

原材料使用1吨钢锭，将钢锭冒口端切除15％，水口端切除5％，再将钢锭进行冶炼，冶炼方式为AOD精炼，钢锭化学成分见表1；

表1化学成份％

钢锭在天然气加热炉内进行加热，加热保温温度1180℃，保温时间为2.2小时，始锻温度1180℃，终锻温度≥850℃，分三个火次锻造，总锻造比7.5，最后一火变形量≥25％锻造完成后，立刻转入热处理炉中缓冷；热处理炉初始温度为500℃，热处理炉关闭炉门，断电随炉冷却至室温；

热处理时，淬火温度为980℃，保温2小时，油冷；第一次回火温度为620℃，回火时间4小时，油冷；第二次回火温度为610℃，保温时间4小时，油冷。

热处理完成后从锻件本体上切取试验用试料，用试料加工拉伸试样和冲击试样，进行力学性能试验，力学性能数据见表2；

表2机械性能

力学性能试验之后将锻件粗加工，粗加工的目的是为随后的无损检测做准备，无损检测项目为超声波检测和渗透检测。超声波检测中没有发现当量大于2mm的缺陷，渗透检测没有发现超过1.5mm的圆形缺陷，未见任何线性缺陷，1级合格。

从检测数据可以看出，使用本发明制造工艺生产的锻件性能优异，锻件性能指标远超传统工艺生产的锻件，锻件无损检测中发现的缺陷数量和尺寸也远优于传统工艺。

对比例1：制作φ1000×120mm管板，材质为12Cr13马氏体不锈钢，化学成分为传统化学成分，具体见表3，采用实施例1的工艺方法；

表3化学成份％

材质	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni
								12Cr13	0.12	0.55	0.62	0.032	0.028	11.92	0

热处理完成后从锻件本体上切取试验用试料，用试料加工拉伸试样和冲击试样，进行力学性能试验，力学性能数据见表4，其中A表示增长率，Z表示断面收缩率；

表4力学性能测试

无损检测项目为超声波检测和渗透检测。超声波检测中没有发现当量大于2mm的缺陷，渗透检测没有发现超过1.5mm的圆形缺陷，未见任何线性缺陷。

对比例2：制作φ1000×120mm管板，材质为12Cr13马氏体不锈钢，化学成分为本实施例1的化学成分，具体见表5；制造方法采用传统制造方法；

表5化学成份％

材质	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni
								12Cr13	0.11	0.52	0.67	0.005	0.003	13.2	0.12

使用传统的制造方法，传统制造方法内容为：

钢锭在天然气加热炉内进行加热，加热保温温度1180℃，保温时间为2.2小时，始锻温度1200℃，终锻温度≥850℃，分三个火次锻造，总锻造比3.5，锻造完成后，沙坑缓冷。

热处理时，淬火温度为1020℃，保温2小时，油冷；回火温度为620℃，回火时间4小时，空冷。

从锻件本体上切取试验用试料，用试料加工拉伸试样和冲击试样，进行力学性能试验，力学性能数据见表6，其中A表示增长率，Z表示断面收缩率。

表6力学性能

无损检测项目为超声波检测和渗透检测；超声波检测中发现裂纹缺陷，渗透检测没有发现超过1.5mm的圆形缺陷，但有多处裂纹缺陷。

将本发明的实施例1与对比例1、2进行比较，得出如下结论：

对于对比例1，由于采用了传统化学成分，力学性能指标中冲击性能较实施例有较大降低，说明化学成分调整对力学性能提升产生较好效果。由于化学成分之外的其他制备方法没有改变，产品表面缺陷和内部缺陷与实施例相差不大。

对于对比例2，采用了实施例1中的化学成分，但由于传统工艺中热处理加热温度较高，奥氏体晶粒明显增大，且采用了一次回火和回火后空冷，力学性能指标中冲击性能较实施例明显降低，说明热处理参数优化调整对力学性能提升产生较好效果。由于传统工艺锻造比比较小，对锻件锻透和压实效果没有实施例好，锻造后坑冷效果没有炉冷好，所以超声波检测时发现多处裂纹缺陷，这与传统工艺生产的马氏体不锈钢锻件废品率高是相符的。

由此对比可以看出，实施例工艺比传统工艺有更好的效果，实施例成分比传统化学成分具有更好的力学性能。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种高性能马氏体不锈钢法兰，其特征在于，所述的马氏体不锈钢含有下列化学成分：0.10～0.13wt％的碳、0.40～0.70wt％的硅、0.40～0.80wt％的锰、≤0.008wt％的磷、≤0.005wt％的硫、12～13.55wt％的铬，0.12wt％的镍，余量为铁；所述高性能马氏体不锈钢法兰的制造方法，包括如下步骤：

步骤一，电炉冶炼：将铁水预处理后用转炉炼钢；

步骤二，炉外精炼：将所述步骤一得到的钢水用精炼炉进一步精炼成上述的马氏体不锈钢，精炼后将铁水铸成φ16～24寸钢锭；

步骤三，锻造：将所述步骤二得到的马氏体不锈钢钢锭，用液压机或空气锤锻造成产品锻件；

步骤四，热处理：将所述步骤三中自然冷却后的锻件置于电阻炉内进行热处理；

步骤五，性能测试：热处理后，从所述步骤四热处理后的锻件上切取试验用试料，用试料加工成拉伸试样和冲击试样，进行力学性能试验；

步骤六，机加工：将步骤五中力学性能测试合格后的锻件通过机加工制成马氏体不锈钢法兰及锻件工件；

步骤七，无损检测：通过超声探伤仪或者磁粉探伤机对机加工后的工件进行探伤、检验；

步骤八，成品：将探伤、检验后的工件包装入库；

所述步骤二中的精炼炉为天然气加热炉，加热温度为1150～1200℃，保温时间为1.8h；

所述步骤三中锻造工艺的始锻温度为1150～1200℃，终锻温度≥850℃，分三个火次进行锻造；第一火次进行钢锭倒棱、拔长，热切冒口和水口，锻造比为2；第二火次对钢锭进行镦粗和拔长，锻造比为2；第三火次为镦粗或拔长到规定形状，锻造比为2，三个火次总锻造比为6，最后一火变形量为大于等于20％，锻后立刻将锻件转入热处理炉中随炉冷却，热处理炉初始温度不低于450℃；

所述步骤五中热处理过程中采用的淬火温度为950～1000℃，油冷，回火温度为600～650℃，油冷，回火两次。

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