CN110499467A - 一种核电站用p280gh碳钢锻件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种核电站用P280GH碳钢锻件，所述的碳钢锻件含有下列化学成分：0.15％≤C≤0.2％，0.1％≤Si≤0.35％，1.2％≤Mn≤1.6％，P≤0.015％，S≤0.01％，0.15％≤Cr≤0.25％，Ni≤0.5％，Mo≤0.1％，Cu≤0.25％，Sn≤0.03％，0.03％≤Al≤0.05％，其余为生铁。还公开了一种制造方法，包括如下步骤：原材料精炼：将原材料精炼成含有如上述的化学成分的碳钢钢锭或碳钢钢坯；锻造：用液压机或空气锤锻造成碳钢锻件；热处理：碳钢锻件以正火或调质状态交货；性能测试；检测：对经过热处理后的碳钢锻件进行无损检测。通过上述方式，本发明调整了化学成分的含量，通过Mn元素强化和增加淬透性效果，利用Al元素细化晶粒，有效提升P280GH碳钢的力学性能，在提高强度的同时提高材料韧性。

Description

一种核电站用P280GH碳钢锻件及其制造方法
技术领域
本发明涉及碳钢锻造技术领域，特别是涉及一种核电站用P280GH碳钢锻件及其制造方法。
背景技术
碳钢是含碳量在0.0218％～2.11％的铁碳合金。也叫碳素钢。一般还含有少量的硅、锰、硫、磷。一般碳钢中含碳量较高则硬度越大，强度也越高，但塑性较低。P280GH属于钢制碳钢轧件或锻件，其用于蒸汽发生器主蒸汽系统、给水控流系统、辅助给水系统和气轮机旁路系统。
P280GH碳钢法兰主要应用于核岛管路系统，核安全等级为核2级法兰和核 3级法兰，是确保核电站安全运行的关键部件之一。核电站中所用的锻件对 P280GH碳钢的韧性要求较高，材料纯净度对材料性能影响很大，尤其对材料的韧性指标，起到关键作用。现有的P280GH碳钢的韧性要求不能达到核电站用的锻件要求。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种核电站用P280GH碳钢锻件及其制造方法，能够。
为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种核电站用P280GH碳钢锻件，所述的碳钢锻件含有下列化学成分：0.15％≤C≤0.2％，0.1％≤Si≤0.35％，1.2％≤Mn≤1.6％，P≤0.015％，S≤0.01％，0.15％≤Cr≤0.25％，Ni≤0.5％，Mo≤0.1％，Cu≤0.25％，Sn≤0.03％，0.03％≤Al≤ 0.05％，其余为生铁。
一种核电站用P280GH碳钢锻件的制造方法，包括如下步骤：
原材料精炼：将原材料精炼成含有如上述的化学成分的碳钢钢锭或碳钢钢坯；
锻造：将得到的碳钢钢锭或碳钢钢坯，用液压机或空气锤锻造成碳钢锻件；在所述锻造步骤过程中，钢锭或钢坯单层摆放，钢锭与钢锭之间或钢坯与钢坯之间的距离大于等于内切圆半径；在锻造步骤的过程中，钢锭加热保温温度≤ 1270℃，钢坯加热保温温度≤1240℃；钢锭或钢坯在锻造温度下的保温时间从炉温达到始锻温度时算起，保温结束时，钢锭或钢坯的温度与炉温一致；
热处理：碳钢锻件以正火或调质状态交货；当热处理时碳钢锻件的平均厚度小于等于80mm时，以正火状态交货；当热处理时碳钢锻件的平均厚度大于 80mm时，以调质状态交货；
性能测试：从经过热处理后的碳钢锻件取料加工成试样，进行拉伸试验和冲击试验；
检测：通过超声波检测仪、液体渗透检测仪对经过热处理后的碳钢锻件进行无损检测。
优选的，在锻造步骤中，碳钢钢锭的冒口端去除18％，碳钢钢锭的水口端去除7％。
优选的，在锻造步骤中，锻造经过2～4火次成形，总锻造比≥5，且锻造时最后一个火次的锻造比大于等于总锻造比的20％。
优选的，在锻造步骤中，锻件回炉加热温度比初次加热温度低10～20℃。
优选的，在热处理步骤中，正火处理工艺为890℃～940℃奥氏体化，保温时间按每毫米厚度1分钟计算，保温时间至少30min，然后空冷。
优选的，在热处理步骤中，调质处理工艺为890℃～940℃奥氏体化，保温时间按每毫米厚度1分钟计算，保温时间至少30min，水冷，再在温度高于等于620℃下回火，然后空冷。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列有益效果：
提供了一种核电站用P280GH碳钢锻件及其制造方法，调整了化学成分的含量，通过Mn元素强化和增加淬透性效果，利用Al元素细化晶粒，有效提升 P280GH碳钢的力学性能，在提高强度的同时提高材料韧性。
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
一种核电站用P280GH碳钢锻件，所述的碳钢锻件含有下列化学成分：0.15％≤C≤0.2％，0.1％≤Si≤0.35％，1.2％≤Mn≤1.6％，P≤0.015％，S≤0.01％，0.15％≤Cr≤0.25％，Ni≤0.5％，Mo≤0.1％，Cu≤0.25％，Sn≤0.03％，0.03％≤Al≤ 0.05％，其余为生铁。
为控制材料的纯净度，有效提升材料的力学性能，降低了P和S这些危害元素的含量，同时调整了Mn和Al的含量。C元素是重要强化元素，控制在 0.15％～0.20％；通过Mn元素强化和增加淬透性效果，控制在1.2％～1.6％；Al 元素具有细化晶粒作用，控制在0.03％～0.05％，在提高强度的同时也同步提高材料韧性。
一种核电站用P280GH碳钢锻件的制造方法，包括如下步骤：
原材料精炼：通过电炉冶炼+炉外精炼+真空脱气的冶炼方式将原材料精炼成含有上述化学成分的碳钢钢锭或碳钢钢坯，保证材料纯净度。具体的步骤可为：
电炉冶炼：加生铁、造渣、出渣、熔池搅拌、脱磷脱硫，得到钢水；
炉外精炼：将电炉冶炼得到的钢水进行精炼和调整化学成分：0.15％≤C≤0.2％，0.1％≤Si≤0.35％，1.2％≤Mn≤1.6％，P≤0.015％，S≤0.01％，0.15％≤ Cr≤0.25％，Ni≤0.5％，Mo≤0.1％，Cu≤0.25％，Sn≤0.03％，0.03％≤Al≤0.05％，其余为生铁；
真空脱气：真空抽气，真空度24Pa，得到钢锭或钢坯锻件。
锻造：将得到的碳钢钢锭或碳钢钢坯，用液压机或空气锤锻造成碳钢锻件。在锻造步骤的过程中，钢锭加热保温温度≤1270℃，钢坯加热保温温度≤ 1240℃。也就是，对于钢锭，最高加热温度为1270℃；对于钢坯，最高加热温度为1240℃。钢锭或钢坯在锻造温度下的保温时间从炉温达到始锻温度时算起，保温结束时，钢锭或钢坯的温度与炉温一致。在锻造步骤过程中，钢锭或钢坯单层摆放，即应一层摆放，不允许多层叠装，单层摆放有利于钢锭或钢坯均匀受热。钢锭与钢锭之间或钢坯与钢坯之间的距离大于等于内切圆半径，这里的内切圆为钢锭外形内切圆，钢锭的截面一般是方形或八角形。
对于自由锻法兰，采用镦粗、拔长、扩孔和碾环等锻造方式，对于模锻法兰，在模具成型之前，应充分进行镦粗和拔长等工序，达到锻造比要求。在锻造步骤中，锻造经过2～3火次成形，大型锻件可增加一个火次。总锻造比为各分锻造比之和，即总锻造比为各火次锻造比之和。总锻造比≥5，且锻造时最后一个火次的锻造比大于等于总锻造比的20％。在锻造步骤中，锻件回炉加热温度比初次加热温度低10～20℃，即锻件在下一个火次的加热温度要比在上一个火次的加热温度低10～20℃。
为进一步减少锻件中的缺陷，增加钢锭的冒口端和水口端的去除量。在锻造步骤中，将碳钢钢锭的冒口端去除18％，碳钢钢锭的水口端去除7％。锻造时将坯料充分锻实，消除铸态组织，锻合缺陷。
热处理：碳钢锻件以正火或调质状态交货：当热处理时碳钢锻件的平均厚度小于等于80mm时，以正火状态交货；当热处理时碳钢锻件的平均厚度大于 80mm时，以调质状态交货。在热处理步骤中，正火处理工艺为890℃～940℃奥氏体化，保温时间按每毫米厚度1分钟计算，保温时间至少30min，然后进行空气冷却。在热处理步骤中，调质处理工艺为890℃～940℃奥氏体化，保温时间按每毫米厚度1分钟计算，保温时间至少30min，进行水冷，再在温度高于等于 620℃下回火，然后进行空气冷却。
性能测试：性能测试在热处理步骤之后，从经过热处理后的碳钢锻件取料加工成试样，进行拉伸试验和冲击试验。
检测：无损检测项目为超声波检测和液体渗透检测，通过超声波检测仪、液体渗透检测仪对经过热处理后的碳钢锻件进行无损检测。
实施例
碳钢锻件的化学成分为：C为0.15％，Si为0.27％，Mn为1.28％，P为0.012％， S为0.004％，Cr为0.17％，Ni为0.44％，Mo为0.06％，Cu为0.12％，Sn为0.01％， Al为0.041％，其余为生铁。
碳钢锻件通过本发明的制造方法制得：利用电炉冶炼+炉外精炼+真空脱气的冶炼方式将原材料精炼成含有本实施例中的化学成分的碳钢钢锭。将得到的碳钢钢锭，用液压机造成碳钢锻件。锻造经过3火次成形，3火次的锻造比分别为2、2、1，3火次的加热温度分别为1200℃、1000℃、800℃。将碳钢钢锭的冒口端去除18％，碳钢钢锭的水口端去除7％。本实施例中碳钢锻件的平均厚度在100mm左右，以调质状态交货。调质处理工艺为920℃奥氏体化，保温时间按每毫米厚度1分钟计算，保温时间为100min，进行水冷，再在温度640℃下回火，然后进行空气冷却。从经过热处理后的碳钢锻件取料加工成试样，以待做性能试验和无损检测。
对比例1
碳钢锻件的化学成分为：C为0.08％，Si为0.12％，Mn为0.87％，P为0.023％， S为0.018％，Cr为0.23％，Ni为0.36％，Mo为0.04％，Cu为0.21％，Sn为0.02％， Al为0.02％，其余为生铁。
本对比例1中的碳钢锻件的化学成分与本发明中的化学成分不一致，本对比例1中的碳钢锻件通过本发明的制造方法制得，其具体制造步骤与对比例相同。将本对比例1中的碳钢锻件料加工成试样，以待做性能试验和无损检测。
对比例2
碳钢锻件的化学成分为：C为0.15％，Si为0.27％，Mn为1.28％，P为0.012％， S为0.004％，Cr为0.17％，Ni为0.44％，Mo为0.06％，Cu为0.12％，Sn为0.01％， Al为0.041％，其余为生铁。
本对比例2中的碳钢锻件的化学成分与实施例中的化学成分一致，本对比例2中的碳钢锻件通过传统的制造方法制得。将本对比例2中的碳钢锻件料加工成试样，以待做性能试验和无损检测。
分别制得100个实施例、100个对比例1和100个对比例2中的碳钢锻。分别对这300个碳钢锻件进行同样的性能试验和无损检测。按GB/T228.1对碳钢锻件进行室温拉伸试验，按GB/T4338对碳钢锻件进行高温(300℃)拉伸试验。按GB/T229对碳钢锻件进行冲击试验。
按GB/T229对碳钢锻件进行冲击试验，试样经700℃±10℃保温30分钟，保温后的试样在炉内以60℃±5℃/h的速度缓冷至500℃出炉，在空气中冷到室温敏化处理。
按GB/T10561A对碳钢锻件进行非金属夹杂物检测。按VT-2015-08-10对碳钢锻件进行目视(VT)检测。按UT-2015-08-10对碳钢锻件进行超声波检验(UT) 检测。按PT-2015-08-10对碳钢锻件进行液体渗透(PT)检测。
性能试验的结果分别按100个实施例、100个对比例1和100个对比例2中的碳钢锻取平均值，如表1所示。无损检测的结果分别按100个实施例、100个对比例1和100个对比例2中的碳钢锻的合格率，如表2所示。
表1实施例、对比例1和对比例2中碳钢锻的性能试验的结果
试验项目 标准值 实施例 对比例1 对比例2
室温Rp0.2(MPa) ≥275 356 312 325
室温Rm(MPa) 470≥Rm≥570 535 482 516
室温A％ ≥21 35.5 35 34
高温Rp0.2(MPa) ≥186 246 182 220
高温Rm(MPa) ≥423 515 428 496
-20℃冲击试验KV2(J) ≥60 276 124 196
表2实施例、对比例1和对比例2中碳钢锻的无损检测的结果
检测项目 检测方法 实施例 对比例1 对比例2
非金属夹杂物<sup>b</sup> GB/T10561 98.9％ 82.9％ 75.1％
晶粒度<sup>b</sup> GB/T6394 99.3％ 85.1％ 73.3％
超声波检验(UT)<sup>c</sup> NB/T20003.2 99.1％ 80.7％ 70.7％
液体渗透(PT) NB/T20003.4 98.7％ 78.6％ 72.1％
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大幅降低，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，晶粒度、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，采用了实施例中的化学成分，但由于采用了传统制造工艺，力学性能指标中冲击性能较实施例稍低，非金属夹杂物、超声波检验和渗透检验通过率大幅降低，说明本发明制造工艺对力学性能和其他性能提升产生较好效果。由于传统工艺锻造比较小，对锻件锻透和压实效果没有实施例好，所以超声波检测时发现多处大于2mm的缺陷。
从检测数据可以看出，由于实施例采用了本发明的化学成分和制造工艺，基于本发明化学成分和制造工艺的优点，实施例锻件性能优异，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，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 (7)

1.一种核电站用P280GH碳钢锻件，其特征在于，所述的碳钢锻件含有下列化学成分：0.15％≤C≤0.2％，0.1％≤Si≤0.35％，1.2％≤Mn≤1.6％，P≤0.015％，S≤0.01％，0.15％≤Cr≤0.25％，Ni≤0.5％，Mo≤0.1％，Cu≤0.25％，Sn≤0.03％，0.03％≤Al≤0.05％，其余为生铁。
2.一种核电站用P280GH碳钢锻件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
原材料精炼：将原材料精炼成含有如权利要求1所述的化学成分的碳钢钢锭或碳钢钢坯；
锻造：将得到的碳钢钢锭或碳钢钢坯，用液压机或空气锤锻造成碳钢锻件；在所述锻造步骤过程中，钢锭或钢坯单层摆放，钢锭与钢锭之间或钢坯与钢坯之间的距离大于等于内切圆半径；在锻造步骤的过程中，钢锭加热保温温度≤1270℃，钢坯加热保温温度≤1240℃；钢锭或钢坯在锻造温度下的保温时间从炉温达到始锻温度时算起，保温结束时，钢锭或钢坯的温度与炉温一致；
热处理：碳钢锻件以正火或调质状态交货；当热处理时碳钢锻件的平均厚度小于等于80mm时，以正火状态交货；当热处理时碳钢锻件的平均厚度大于80mm时，以调质状态交货；
性能测试：从经过热处理后的碳钢锻件取料加工成试样，进行拉伸试验和冲击试验；
检测：通过超声波检测仪、液体渗透检测仪对经过热处理后的碳钢锻件进行无损检测。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：在锻造步骤中，碳钢钢锭的冒口端去除18％，碳钢钢锭的水口端去除7％。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：在锻造步骤中，锻造经过2～4火次成形，总锻造比≥5，且锻造时最后一个火次的锻造比大于等于总锻造比的20％。
5.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：在锻造步骤中，锻件回炉加热温度比初次加热温度低10～20℃。
6.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：在热处理步骤中，正火处理工艺为890℃～940℃奥氏体化，保温时间按每毫米厚度1分钟计算，保温时间至少30min，然后空冷。
7.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：在热处理步骤中，调质处理工艺为890℃～940℃奥氏体化，保温时间按每毫米厚度1分钟计算，保温时间至少30min，水冷，再在温度高于等于620℃下回火，然后空冷。
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