CN113106206B - 紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢锻件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢锻件的制造方法，包括锻造工序，其步骤为：a、将钢坯加热至1100至1300℃；b、将钢坯镦粗至高度H≥H0/2，再拔长至长度L≥L0，将拔长后钢坯回炉保温2～4小时；c、将回炉后的钢坯出炉再镦粗至H≥H0/2，再拔长至长度L＝L0，将拔长后的钢坯再次回火保温2～4小时；d、将回炉后的钢坯出炉再拔长至锻件成品长度；其中H0为钢坯原高度，L0为钢坯原长度。本方法采用二镦二拔(+FM法)成材，锻制后的钢坯未发生开裂等质量缺陷，探伤合格率达95％以上，且退火热处后锻件的布氏硬度值≤260，钢坯性能稳定，满足紧固件用钢坯的要求。解决现有马氏体不锈钢在锻制过程中容易产生开裂的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢锻件的制造方法，属于耐热钢生产制造技术领域。
背景技术
紧固件被称为“工业之米”，是应用最广泛的基础零件之一。是传递载荷的重要连接节点，其可靠性与整个装备或结构的安全可靠运行密切相关。随着汽轮机蒸汽参数的不断提高，汽轮机高温螺栓要求采用使用温度更高的材料制造。传统的高温合金存在热膨胀系数高、缺口敏感性高等缺点，不适合制造汽轮机高温螺栓材料。综合力学性能和成本等因素，现选择该良的12％Cr钢或新12％Cr钢作为超超临界机组的高温螺栓材料。
1Cr11Ni2W2MoV钢是原苏联50年代末研制成功的马氏体不锈钢，牌号为961。1Cr11Ni2W2MoV钢是在低碳的12％Cr钢中加入大量的W，Mo，V等缩小奥氏体相区的铁素体形成的元素，使其具有马氏体相变硬化能力，而得到的一种新型的马氏体耐热不锈钢。该钢种具有良好的韧性和抗氧化性能等综合力学性能，在淡水和湿空气中有较好的耐蚀性，广泛用作超临界和超超临界汽轮机高温螺栓材料。
马氏体不锈钢对冷却速度特别敏感，锻后空冷会出现马氏体，内应力较大，容易产生裂纹。故这类钢锻后应缓冷，然后空冷。在模锻过程中，要防止冷却模具的介质(如水)喷到锻体上而引起开裂。马氏体不锈钢锻件锻后要及时进行退火，消除内应力，以免在以后酸洗或存放过程中产生开裂。故马氏体不锈钢必须通过锻造方案获得期望的组织并经退火消除应力后达到理想的性能要求，而现有的马氏体不锈钢主要在锻造过程中易产生裂纹。且现有技术只阐述了锻造工艺中锻造温度和热处温度等对钢坯力学性能的影响，对锻制钢坯的具体镦粗和拔长工艺，以及变形工艺中的控制要点未进行详细阐述。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是马氏体不锈钢内部质量和外表面质量难控制，且锻制过程中产生开裂，影响最终产品质量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢锻件的制造方法，包括锻造工序，其步骤如下：
a、将钢坯加热至1100至1300℃；
b、将钢坯镦粗至高度H≥H0/2，再拔长至长度L≥L0，将拔长后钢坯回炉保温2～4小时；
c、将回炉后的钢坯出炉再镦粗至H≥H0/2，再拔长至长度L＝L0，将拔长后的钢坯再次回火保温2～4小时；
d、将回炉后的钢坯出炉再拔长至锻件成品长度；
其中H0为钢坯原高度，L0为钢坯原长度。
其中，上述方法中将步骤a中钢锭加热到700±10℃，保温4～6小时；再以40～60℃/h的加热速度加热到1180±10℃后保温4～7小时出炉。
进一步，上述方法中所述步骤a中钢坯在开锻前25～35分钟，将钢坯加热温度提高至1150至1250℃。
其中，上述方法中步骤b和c中锻造时开始要轻压，压下量按加热温度高低确定，且钢坯温度接近1050℃时，压下量应减少。
其中，上述方法中步骤b和c中应确保开锻温度≥1050℃，终锻温度≥860℃；若终锻温度≤860℃时，步骤d中须将钢坯再次进行加热，加热温度1180±10℃，保温1.5h～2h后拔长到成品规格。
其中，上述方法中将步骤d制得的锻件成品进行退火，具体步骤如下：
e、将锻件成品按20～50℃/h的加热速率加热到500±10℃，在此温度保温1h后，随炉缓冷至200℃后出炉空冷至锻件成品温度≤150℃；
f、将空冷后的锻件成品按≤80℃/h加热至炉温为700±10℃，保温时间不低于18小时；
g、将锻件成品按≤50℃/h降温至400℃后出炉空冷。
其中，上述方法中所述步骤a中的钢坯的化学成分按重量百分比计为：C 0.12～0.15、Si 0.10～0.50、Mn 0.25～0.60、Cr 10.8～11.50、Ni 1.45～1.70、W 1.60～1.80、Mo0.38～0.45、V 0.19～0.25、余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步，上述方法中所述步骤a中的钢坯原材料主要包括本钢返回料和/或本钢相似的合金返回料和工业纯铁，且钢坯原料的返回料比例≤45％。
进一步，上述方法中在钢坯冶炼过程中，要边熔化边加入渣料，渣料配比为CaO:CaF2＝1.5:1，且炉料熔化不小于90％时，向炉中加入精料Mn和Fe-V并调整熔渣，确保渣料的充分熔化。
进一步，上述方法中冶炼出的钢坯应采用罩冷进行缓冷冷却，且缓冷时间不小于48小时。
本发明的有益效果是：本方法通过冶炼、浇铸、电渣重熔、加热、锻造、退火热处理等优化工艺制造出的紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢锻件圆钢，直径Φ550～600mm。锻制后的钢坯未发生开裂等质量缺陷，按GB/T6402-20083级要求进行超声波探伤检验，探伤合格率达95％以上，且连续稳定运行，改善效果显著。退火热处后试样的布氏硬度值≤260，钢坯性能稳定，满足紧固件用钢坯的要求。同时为超临界汽轮机高温紧固件提供国产化原材料，替代进口和高附加值的高温合金产品，降低了生产成本，将创造出明显的经济效益。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
本发明的的技术方案是：紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢锻件的制造方法，包括锻造工序，其步骤如下：
a、将钢坯加热至1100至1200℃；
b、将钢坯镦粗至高度H≥H0/2，再拔长至长度L≥L0，将拔长后钢坯回炉保温2～4小时；
c、将回炉后的钢坯出炉再镦粗至H≥H0/2，再拔长至长度L＝L0，将拔长后的钢坯再次回火保温2～4小时；
d、将回炉后的钢坯出炉再拔长至锻件成品长度；
其中H0为钢坯原高度，L0为钢坯原长度。本领域技术人员能够理解的是，本方法采用二镦二拔的锻造方法可细化锻件的晶体组织，反复镦拔有利于破碎材料中的粗大和网状碳化物，可以得到较均匀的力学性能和适中的晶粒度。本方法两次将钢坯镦粗至高度H≥H0/2，通过镦粗可以破坏铸态树枝状组织，拔长前的镦粗，不仅可以提高拔长比，还可以减小锻件力学性能的异向性。通过镦粗和拔长工序，能够改善坯料内部的疏松或孔洞等缺陷，以获得均质致密的微观组织，从而提升锻件的塑性和力学性能。故本方法优选先将钢坯加热至1100至1300℃，满足初锻要求，将钢坯镦粗至高度H≥H0/2，再拔长至长度L≥L0，将拔长后钢坯回炉保温2～4小时；将回炉后的钢坯出炉再镦粗至H≥H0/2，再拔长至长度L＝L0，将拔长后的钢坯再次回火保温2～4小时；将回炉后的钢坯出炉再拔长至锻件成品长度即可制得最终产品。
优选的，上述方法中将步骤a中钢锭加热到700±10℃，保温4～6小时；再以40～60℃/h的加热速度加热到1180±10℃后保温4～7小时出炉。本领域技术人员能够理解的是，钢的加热是锻造前的最基本工序，其质量好坏将直接影响锻件的产量、质量和成本等技术经济指标。本方法优选将步骤a中钢锭加热到700±10℃，保温4～6小时；再以40～60℃/h的加热速度加热到1180±10℃后保温4～7小时出炉，保证整个锻造质量，同时可避免产生裂纹。且本方法钢锭采用连续加热曲线进行加热，其目的是使钢锭内外表面温度保持一致，同时防止因加热过快而导致钢锭内部产生应力裂纹。钢锭装入加热炉进行加热，加热以料温为准，工艺规范中的加热温度都是指料温，计算机显示的温度即为工艺温度；预热段温度不得高于工艺要求的最高装炉温度。
优选的，上述方法中所述步骤a中钢坯在开锻前25～35分钟，将钢坯加热温度提高至1150至1200℃。本领域技术人员能够理解的是，本方法只是进一步优选步骤a中钢坯在开锻前25～35分钟，将钢坯加热温度提高至1150至1250℃，使得钢坯的热塑性较好，可有效避免初锻产生裂纹。
优选的，上述方法中步骤b和c中锻造时开始要轻压，压下量按加热温度高低确定，且钢坯温度接近1050℃时，压下量应减少。本领域技术人员能够理解的是，锻造时开始要轻压，防止锻件开裂。压下量按加热温度高低确定，通常是根据现场测温，如果钢坯温度接近1050℃时，则压下量适当减少。一般温度较低时，压下量减少，这也是为了预防开裂。如果发现有锻造裂纹，应立即清除，以防扩展。芯轴扩孔时，转动要均匀，每次压下量要均匀，以保证变形分布均匀，减少混晶现象。当锻件温度低于终锻温度时，必须停止锻造。
优选的，上述方法中步骤b和c中应确保开锻温度≥1050℃，终锻温度≥860℃；若终锻温度≤860℃时，步骤d中须将钢坯再次进行加热，加热温度1180±10℃，保温1.5h～2h后拔长到成品规格。本领域技术人员能够理解的是，为了保证整个锻造工艺的质量，本方法优选步骤b和c中应确保开锻温度≥1050℃，终锻温度≥860℃；同时进一步限定若终锻温度≤860℃时，步骤d中须将钢坯再次进行加热，加热温度1180±10℃，保温1.5h～2h后拔长到成品规格，从而保证最终产品的质量。
优选的，上述方法中将步骤d制得的锻件成品进行退火，具体步骤如下：
e、将锻件成品按20～50℃/h的加热速率加热到500±10℃，在此温度保温1h后，随炉缓冷至200℃后出炉空冷至锻件成品温度≤150℃；
f、将空冷后的锻件成品按≤80℃/h加热至炉温为700±10℃，保温时间不低于18小时；
g、将锻件成品按≤50℃/h降温至400℃后出炉空冷。本领域技术人员能够理解的是，由于钢材在热轧或锻造后，在冷却过程中因表面和心部冷却速度不同，造成内外温差会产生残余应力。本方法为防止大规格耐热钢1Cr11Ni2W2MoV锻造后变形开裂，锻造后应及时进行去应力退火热处理，故优选采用上述分级冷却，并进一步优选将锻件成品按20～50℃/h的加热速率加热到500±10℃，在此温度保温1h后，随炉缓冷至200℃后出炉空冷至锻件成品温度≤150℃；将空冷后的锻件成品按≤80℃/h加热至炉温为700±10℃，保温时间不低于18小时；将锻件成品按≤50℃/h降温至400℃后出炉空冷，使得制得的锻件成品的布氏硬度≤260。
优选的，上述方法中所述步骤a中的钢坯的化学成分按重量百分比计为：C 0.12～0.15、Si 0.10～0.50、Mn 0.25～0.60、Cr 10.8～11.50、Ni 1.45～1.70、W 1.60～1.80、Mo0.38～0.45、V 0.19～0.25、余量为Fe和不可避免的杂质。本领域技术人员能够理解的是，本方法控制碳含量使得制得钢坯为低碳钢，同时Mn、Mn、Ni的控制主要为了提高耐腐蚀性，而加入W，Mo，V等缩小奥氏体相区的铁素体形成的元素。
优选的，上述方法中所述步骤a中的钢坯原材料主要包括本钢返回料和/或本钢相似的合金返回料和工业纯铁，且钢坯原料的返回料比例≤45％。本领域技术人员能够理解的是，为了降低成本，本方法优选钢坯的原材料，同时进一步限定返回料的比例。
优选的，上述方法中在钢坯冶炼过程中，要边熔化边加入渣料，渣料配比为CaO:CaF2＝1.5:1，且炉料熔化不小于90％时，向炉中加入精料Mn和Fe-V并调整熔渣，确保渣料的充分熔化。本领域技术人员能够理解的是，为了保证钢坯出钢质量，本方法优选限定渣料配比，同时为了保证渣料充分融化，进一步限定炉料熔化不小于90％时，向炉中加入精料Mn和Fe-V并调整熔渣。
优选的，上述方法中冶炼出的钢坯应采用罩冷进行缓冷冷却，且缓冷时间不小于48小时。本领域技术人员能够理解的是，钢坯在冷却过程中，为防止因心部和外表面温降速率的差异而产生热应力开裂，钢坯应采用罩冷进行缓冷冷却，且缓冷时间不小于48小时。实际采用对电极棒进行电渣重熔。本方法对非真空感应炉冶炼浇注后的电极棒进行电渣重熔的主要目的是解决大钢锭冶炼过程中产生的疏松、偏析以及夹杂物聚集等质量问题，从而提高钢的纯净度。
实施例1
采用本方法生产的Φ550mm的紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢钢坯，包括步骤有冶炼、电渣重熔、锻造、退火热处理。
该方法通过冶炼和电渣重熔后得到的Φ730mm钢坯，该钢坯的化学成分按重量百分比为：C：0.14、Si：0.40、Mn：0.35、Cr：11.50、Ni：1.55、W：1.70、Mo：0.40、V：0.22以及余量的Fe和不可避免的杂质。
锻造：本发明锻造采用两轻一重，直接拔长成型工艺。采用二镦二拔(+FM法)成材，开锻温度为1100℃，终锻温度为900℃。镦粗采用上下弧形托盘，拔长采用上下500mm平砧锻造。镦粗高度为H0/2(H0为钢锭原高度)，拔长至L0(L0为钢坯原长度)，第一次拔长的压下量为80mm，第二次拔长的压下量为100mm，最后锻成大方，中心压实。采用该方法生产成Φ550mm的锻件圆钢。
退火：为消除锻件内部因锻造产生的残余应力和组织应力，并确保钢锭试样的布氏硬度≤260，须对该发明锻制后的圆钢进行退火热处理。将锻件按升温速率40℃/h加热到500℃，保温1h后，随炉缓冷至料温200℃后出炉空冷至料温150℃；将降温后的钢锭按70℃/h加热至炉温为700℃，保温时间19小时后，按50℃/h降温至400℃后出炉空冷。
采用该方法生产的Φ500mm的锻件圆钢，钢坯表面良好，按GB/T6402-20083级要求进行超声波探伤检验，探伤合格率达95％以上，且连续稳定运行，改善效果显著，且试样布氏硬度值为252。
实施例2
采用本方法生产的Φ600mm的紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢钢坯，包括步骤有冶炼、电渣重熔、锻造、退火热处理。
该方法通过冶炼和电渣重熔后得到的Φ730mm钢坯，该钢坯的化学成分按重量百分比为：C：0.14、Si：0.40、Mn：0.35、Cr：11.50、Ni：1.55、W：1.70、Mo：0.40、V：0.22以及余量的Fe和不可避免的杂质。
锻造：本发明锻造采用两轻一重，直接拔长成型工艺。采用二镦二拔(+FM法)成材，开锻温度为1150℃，终锻温度为950℃。镦粗采用上下弧形托盘，拔长采用上下500mm平砧锻造。镦粗高度为H02/3(H0为钢锭原高度)，拔长至L0(L0为钢坯原长度)，第一次拔长的压下量为90mm，第二次拔长的压下量为110mm，最后锻成大方，中心压实。采用该方法生产成Φ600mm的锻件圆钢。
退火：为消除锻件内部因锻造产生的残余应力和组织应力，并确保钢锭试样的布氏硬度≤260，须对该发明锻制后的圆钢进行退火热处理。将锻件按升温速率30℃/h加热到500℃，保温1h后，随炉缓冷至料温200℃后出炉空冷至料温150℃；将降温后的钢锭按60℃/h加热至炉温为700℃，保温时间22小时后，按40℃/h降温至300℃后出炉空冷。
采用该方法生产的Φ600mm的锻件圆钢，钢坯表面良好，按GB/T6402-20083级要求进行超声波探伤检验，探伤合格率达95％以上，且连续稳定运行，改善效果显著，且试样布氏硬度值为250。
综上，实施1和实施2制得的锻件产品均未发生开裂等质量缺陷，且探伤合格率达95％以上，退火热处后试样的布氏硬度值≤260，钢坯性能稳定，满足紧固件用钢坯的要求。该方法实施后，为超超临界汽轮机高温紧固件提供国产化原材料，替代进口和高附加值的高温合金产品，将创造出明显的经济效益。
Claims (8)
1.紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢锻件的制造方法，其特征在于：包括锻造工序，其步骤如下：
a、将钢坯加热至1100至1300℃；
b、将钢坯镦粗至高度H≥H0/2，再拔长至长度L≥L0，将拔长后钢坯回炉保温2～4小时；
c、将回炉后的钢坯出炉再镦粗至H≥H0/2，再拔长至长度L＝L0，将拔长后的钢坯再次回火保温2～4小时；
d、将回炉后的钢坯出炉再拔长至锻件成品长度；
其中H0为钢坯原高度，L0为钢坯原长度；步骤b和c中锻造时开始要轻压，压下量按加热温度高低确定，且钢坯温度接近1050℃时，压下量应减少；步骤b和c中应确保开锻温度≥1050℃，终锻温度≥860℃；若终锻温度≤860℃时，步骤d中须将钢坯再次进行加热，加热温度1180±10℃，保温1.5h～2h后拔长到成品规格。
2.根据权利要求1所述的紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢锻件的制造方法，其特征在于：将步骤a中钢锭加热到700±10℃，保温4～6小时；再以40～60℃/h的加热速度加热到1180±10℃后保温4～7小时出炉。
3.根据权利要求2所述的紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢锻件的制造方法，其特征在于：所述步骤a中钢坯在开锻前25～35分钟，将钢坯加热温度提高至1150至1250℃。
4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢锻件的制造方法，其特征在于：将步骤d制得的锻件成品进行退火，具体步骤如下：
e、将锻件成品按20～50℃/h的加热速率加热到500±10℃，在此温度保温1h后，随炉缓冷至200℃后出炉空冷至锻件成品温度≤150℃；
f、将空冷后的锻件成品按≤80℃/h加热至炉温为700±10℃，保温时间不低于18小时；
g、将锻件成品按≤50℃/h降温至400℃后出炉空冷。
5.根据权利要求1所述的紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢锻件的制造方法，其特征在于：所述步骤a中的钢坯的化学成分按重量百分比计为：C 0.12～0.15、Si 0.10～0.50、Mn0.25～0.60、Cr 10.8～11.50、Ni 1.45～1.70、W 1.60～1.80、Mo 0.38～0.45、V 0.19～0.25、余量为Fe和不可避免的杂质。
6.根据权利要求5所述的紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢锻件的制造方法，其特征在于：所述步骤a中的钢坯原材料主要包括本钢返回料和/或本钢相似的合金返回料和工业纯铁，且钢坯原料的返回料比例≤45％。
7.根据权利要求5所述的紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢锻件的制造方法，其特征在于：在钢坯冶炼过程中，要边熔化边加入渣料，渣料配比为CaO:CaF2＝1.5:1，且炉料熔化不小于90％时，向炉中加入精料Mn和Fe-V并调整熔渣，确保渣料的充分熔化。
8.根据权利要求5所述的紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢锻件的制造方法，其特征在于：冶炼出的钢坯应采用罩冷进行缓冷冷却，且缓冷时间不小于48小时。
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