CN112496216B - 一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺 - Google Patents

一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属压力加工工艺技术领域，具体公开了一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺，包括电渣重熔、加热、锻造准备、锻造和红送退火步骤。本发明通过优化的“不镦粗直接拔长，拔长采用八边四方法”的锻造方式结合严格的温度控制有效克服了现有锻造工艺30Cr15MoN钢易开裂和组织不均匀的问题，同时减少了锻造火次，提高了生产效率；通过本发明锻造的钢棒各方面性能优越，能满足高精尖端项目用材要求。

Description

一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺
技术领域
本发明属于金属压力加工工艺技术领域，具体涉及一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺。
背景技术
30Cr15MoN钢是一种高氮马氏体不锈钢，强度、硬度高，耐腐蚀性、耐磨性、韧性好，因其优异性能，优先应用于大飞机、战斗机、航空航天领域。30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢是我国高精尖端国防建设常用的材料，但是其生产技术一直被国外掌控，基本依赖进口，耗资巨大，而且随时面临着禁运的风险，因此实现该钢种的国产化尤为必要。
30Cr15MoN钢作为一种高氮钢，热塑性差，在锻造过程中很容易出现开裂和组织不均匀的现象，国内虽然对高氮钢锻造工艺也有一定研究，但仍在起步阶段，无法很好地解决该问题。例如：专利申请CN106623712A公开了一种40Cr15Mo2VN高氮不锈钢锻件成形方法,先将40Cr15Mo2VN钢锭在压力机上进行镦粗、冲孔，然后进行平高度，再在环轧机上轧制成形，该专利通过严格控制转移时间、锻造时间以及锻造温度防止温度降至终锻温度以下，进而避免出现锻件开裂的问题。该方法从温度控制上考虑，虽然对于开裂现象有所改善，但是适用性有限，该专利是针对环状锻件设计，若是要生产棒材，势必要加入拔长工序，现有的不锈钢钢棒生产方式普遍为反复镦粗拔长，拔长采用四方拔长或者无序拔长,用这种方式生产高氮钢棒材，即使优化了温度控制，反复镦粗拔长过程易使钢内部应力分布不均，也会导致钢的开裂，还极易导致组织不均匀，影响钢的力学性能，因此钢的成材率和合格率都不高，而且锻造火次多，能源消耗大，生产效率低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺，通过本发明锻造的钢棒不会出现开裂现象，钢棒组织均匀，各方面性能优越，生产效率高，能满足高精尖端项目用材要求。
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺，包括以下步骤：
S1.电渣重熔：在高压气氛中对30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢粗坯进行电渣重熔处理，制得30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢圆钢锭；
S2.加热：先将圆钢锭预热至600-700℃，然后保温，保温时间不小于2小时，再加热至1100-1220℃后对钢锭进行保温，保温时间不小于3小时；
S3.锻造准备：修磨锻造工装，使其与钢锭接触的表面平滑无毛刺，棱角部位圆弧光滑过渡；并将锻造工装预热至150℃以上；
S4.锻造：不镦粗直接拔长，采用“八边四方”法进行拔长，对圆钢锭先压四个面至要求尺寸，然后将工件旋转45℃压四个面至要求尺寸，不改变旋转方向再将工件旋转45℃压四个面至要求尺寸，如此循环往复，直至将坯料锻至最终需要的尺寸；最后再滚圆精整至成品要求尺寸；
S5. 红送退火。
优选的，步骤S4中，每次锻打时工件表面温度不低于950℃，当温度不满足要求时停锻回炉重新加热。温度低于950℃，钢的塑性变差，锻打时容易产生带状组织，影响组织的均匀性，并且易导致钢的表面产生裂纹。
优选的，步骤S4中，每道次锻打的变形量不得大于70mm。道次变形量超过70mm，钢易开裂。
优选的，步骤S1中，所述的高压气氛是指通过将氮气充入密闭空间得到的压力在11Bar以上的高压氮气气氛。
优选的，步骤S2中，以不超过80℃/h的升温速度加热至1100-1220℃。
优选的，步骤S5中，退火工艺过程如下：将锻后棒料加热到850-900℃保温2.5-3.5h，后随炉降温至700-750℃保温3.5-4.5h，保温结束后关火随炉降温至低于600℃出炉空冷。
优选的，步骤S1中，制得的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢圆钢锭尺寸为￠400mm-640mm，步骤S4中，滚圆精整后工件尺寸为￠180-300mm。
优选的，所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢按质量百分比计包括以下组分：C0.28-0.34%，Si 0.30-0.80%，Mn 0.30-0.60%，S≤0.01%，P≤0.02%，Cr 14.5-16%，Mo 0.95-1.1%，N 0.35-0.44%，Ni≤0.30%，Al≤0.035%，Ti≤0.003%，Cu≤0.25%，O≤0.0025%，余量为铁及不可避免杂质。
本发明通过电渣重熔-加热-锻造准备-锻造-红送退火工艺，结合优化的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢组分配方，将粗坯制成了不开裂、组织均匀、力学性能优异的不锈钢钢棒。为克服现有锻造工艺30Cr15MoN钢易开裂和组织不均匀的问题，本发明首先优化锻造方式，以“不镦粗直接拔长，拔长采用八边四方法”替代现有技术中普遍采用的“反复镦粗拔长，拔长采用四方拔长或者无序拔长”的方式，有效降低了内应力损害，缓解了开裂的问题，减少了组织缺陷的产生，同时有效减少了锻造火次，提高了生产效率；更加优化的，拔长过程通过严格控制每火次的终锻温度以及每道次锻打变形量进一步降低了产生开裂和组织不均匀问题的可能性；在优化锻造方式的同时本发明还进行了严格的温度控制，具体包括每步工序的温度大小控制、保温时间设置、工装和钢锭预热以及升温速度控制，减少钢材内外的应力差，避免钢的塑性下降，进而降低锻造难度，确保锻造效果。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明锻造的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒表面质量完好，不会出现表面开裂的缺陷，极大提升了30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒在生产过程中的成材率。
2、本发明锻造的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒金相组织均匀，避免了因组织不均匀导致的产品性能不合格。
3、本发明的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒锻造加工效率高，减少了锻造生产火次，降低了其制造成本。
附图说明
图1：实施例1中锻造过程采用的“八边四方”法拔长的过程示意图。
图2：在实施例3制得的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒头部样的1/2半径处取试样的显微组织照片(500x)。
图3：在实施例3制得的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒头部样的1/2半径处取试样的显微组织照片(500x)。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
本实施例为优选实施例，提供一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺，所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢按质量百分比计包括以下组分：C 0.30%，Si0.65%，Mn 0.45%，P 0.013%，S 0.002%，Cr 15.1%，Ni 0.26%，Mo 1.0%，Cu 0.06%，N 0.38%，余量为铁及不可避免杂质；所述的锻造生产工艺包括以下步骤：
S1.电渣重熔：充氮气至空间压力达到11Bar以上，在该高压氮气气氛中对30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢粗坯进行电渣重熔处理，制得￠440mm的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢圆钢锭；
S2.加热：先将圆钢锭预热至700℃，然后保温2小时，以不超过80℃/h的升温速度加热至1220℃后对钢锭进行保温，保温时间5小时；
S3.锻造准备：修磨锻造工装，使其与钢锭接触的表面平滑无毛刺，棱角部位圆弧光滑过渡；并将锻造工装预热至170℃；
S4.锻造：在3150吨水压机上，不镦粗直接拔长，使用宽度800mm平砧，采用“八边四方”法进行拔长，如图1所示，对圆锭先压1/2/3/4四个面，第一次拔长至截面尺寸330mmx330mm后回炉升温；然后将工件旋转45︒压5/6/7/8四个面，第二次拔长至截面尺寸250mmx250mm后回炉升温；再将工件旋转45︒压1/2/3/4四个面，第三次拔长至截面尺寸195mmx195mm（整个锻造过程锻打1/2/3/4四个面时必须按照1/2/3/4/1/2/3/4/1/2/3/4这样的顺序进行锻打，锻打5/6/7/8四个面时必须按照5/6/7/8/5/6/7/8/5/6/7/8这样的顺序进行锻打；每道次锻打的变形量不得大于70mm；每次回炉升温至工件表面温度不低于950℃，升温后保温时间2h）；最后滚圆精整至成品要求尺寸￠200±5mm；
S5.红送退火：将锻后棒料加热到870℃保温3h，后随炉降温至720℃保温4h，保温结束后关火随炉降温至低于600℃出炉空冷；然后车至成品尺寸￠170mm。
实施例2
一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺，所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢按质量百分比计包括以下组分：C 0.28%，Si 0.30%，Mn 0.30%，P 0.009%，S0.002%，Cr 14.5%，Ni 0.18%，Mo 0.95%，Cu 0.06%，N 0.35%，Al 0.009%，余量为铁及不可避免杂质；所述的锻造生产工艺包括以下步骤：
S1.电渣重熔：充氮气至空间压力达到11Bar以上，在该高压氮气气氛中对30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢粗坯进行电渣重熔处理，制得￠440mm的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢圆钢锭；
S2.加热：先将圆钢锭预热至700℃，然后保温2小时，以不超过80℃/h的升温速度加热至1100℃后对钢锭进行保温，保温时间3小时；
S3.锻造准备：修磨锻造工装，使其与钢锭接触的表面平滑无毛刺，棱角部位圆弧光滑过渡；并将锻造工装预热至180℃；
S4.锻造：在3150吨水压机上，不镦粗直接拔长，使用宽度800mm平砧，采用采用“八边四方”法进行拔长，拔长方法同实施例1，尺寸和拔长次数上有所差异，第一次拔长至截面尺寸340mmx340mm；第二次拔长至截面尺寸280mmx280mm；第三次拔长至截面尺寸220mmx220mm；第四次拔长至截面175mmx175mm，最后滚圆精整至成品要求尺寸￠190±5mm；
S5.红送退火：将锻后棒料加热到850℃保温2.5h，后随炉降温至700℃保温3.5h，保温结束后关火随炉降温至低于600℃出炉空冷；然后车至成品尺寸￠160mm。
实施例3
一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺，所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢按质量百分比计包括以下组分：C 0.34%，Si 0.80%，Mn 0.60%，P 0.02%，S0.01%，Cr 16%，Ni 0.25%，Mo 1.1%，Cu 0.18%，N 0.44%，Al 0.032%，Ti 0.003%，O 0.0020%，余量为铁及不可避免杂质；所述的锻造生产工艺包括以下步骤：
S1.电渣重熔：充氮气至空间压力达到11Bar以上，在该高压氮气气氛中对30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢粗坯进行电渣重熔处理，制得￠640mm的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢圆钢锭；
S2.加热：先将圆钢锭预热至700℃，然后保温2.5小时，以不超过80℃/h的升温速度加热至1220℃后对钢锭进行保温，保温时间5小时；
S3.锻造准备：修磨锻造工装，使其与钢锭接触的表面平滑无毛刺，棱角部位圆弧光滑过渡；并将锻造工装预热至175℃；
S4.锻造：在3150吨水压机上，不镦粗直接拔长，使用宽度800mm平砧，采用采用“八边四方”法进行拔长，拔长方法同实施例1，尺寸和拔长次数上有所差异，第一次拔长至截面尺寸490mmx490mm；第二次拔长至截面尺寸400mmx400mm；第三次拔长至截面尺寸340mmx340mm，第四次拔长至截面尺寸280mmx280mm；最后滚圆精整至成品要求尺寸￠300±5mm；
S5.红送退火：将锻后棒料加热到900℃保温3.5h，后随炉降温至750℃保温4.5h，保温结束后关火随炉降温至低于600℃出炉空冷；然后车至成品尺寸￠280mm。
对实施例1-3制得的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒进行性能测试，测试项目和测试结果如下：
①开裂情况
通过表面修磨+目视的方法检测表面质量，实施例1-3制得的钢棒表面，均未产生裂纹。
②组织状态
a.非金属夹杂物
测试方法参照ASTM E45,Method D法，测试结果如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
b.低倍组织
测试方法参照ASTM A604中相关图谱，测试结果如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
c.显微组织
按照SEP 1520中相关图谱进行评定，测试结果如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
如图2和3给出了实施例3制得钢棒的头、尾部显微组织照片，可以看到，钢棒头、尾部组织形态相同，晶粒大小一致，组织均匀性好。
③力学性能
对钢棒的硬度和抗拉强度进行测试（参照GB/T 231.1规定方法测试退火硬度，参照GB/T 230.1规定方法测试硬化性能硬度，参照GB/T 228.1规定方法测试抗拉强度），测试结果如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
综上，按本发明工艺锻造的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒不会开裂；无明显组织缺陷，组织均匀性好，组织状态良好；力学性能好。
本具体实施方式仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读了本发明的说明书之后所做的任何改变，只要在本发明权利要求书的范围内，都将受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1.电渣重熔：在高压气氛中对30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢粗坯进行电渣重熔处理，制得30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢圆钢锭；
S2.加热：先将圆钢锭预热至600-700℃，然后保温，保温时间不小于2小时，再加热至1100-1220℃后对钢锭进行保温，保温时间不小于3小时；其中，以不超过80℃/h的升温速度加热至1100-1220℃；
S3.锻造准备：修磨锻造工装，使其与钢锭接触的表面平滑无毛刺，棱角部位圆弧光滑过渡；并将锻造工装预热至150℃以上；
S4.锻造：不镦粗直接拔长，采用“八边四方”法进行拔长，对圆钢锭先压四个面至要求尺寸，然后将工件旋转45℃压四个面至要求尺寸，不改变旋转方向再将工件旋转45℃压四个面至要求尺寸，如此循环往复，直至将坯料锻至最终需要的尺寸；最后再滚圆精整至成品要求尺寸；其中，每次锻打时工件表面温度不低于950℃，当温度不满足要求时停锻回炉重新加热；每道次锻打的变形量不得大于70mm；
S5. 红送退火。
2.根据权利要求1所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺，其特征在于：步骤S1中，所述的高压气氛是指通过将氮气充入密闭空间得到的压力在11Bar以上的高压氮气气氛。
3.根据权利要求1所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺，其特征在于：步骤S5中，退火工艺过程如下：将锻后棒料加热到850-900℃保温2.5-3.5h，后随炉降温至700-750℃保温3.5-4.5h，保温结束后关火随炉降温至低于600℃出炉空冷。
4.根据权利要求1所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺，其特征在于：步骤S1中，制得的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢圆钢锭尺寸为￠400mm-640mm，步骤S4中，滚圆精整后工件尺寸为￠160-300mm。
5.根据权利要求1-4任一所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的锻造生产工艺，其特征在于：所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢按质量百分比计包括以下组分：C 0.28-0.34%，Si 0.30-0.80%，Mn 0.30-0.60%，S≤0.01%，P≤0.02%，Cr 14.5-16%，Mo 0.95-1.1%，N 0.35-0.44%，Ni≤0.30%，Al≤0.035%，Ti≤0.003%，Cu≤0.25%，O≤0.0025%，余量为铁及不可避免杂质。
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