CN114273574B - 一种控制大规格易偏析奥氏体不锈钢棒材组织均匀性的锻造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制大规格易偏析奥氏体不锈钢棒材组织均匀性锻造方法，属于金属压力加工领域。锻造棒材原料选用3吨级双联冶炼钢锭。钢锭在达到始锻温度1180‑1220℃后，先进行加热均温处理，保温时间2‑4h。然后采用墩粗方式进行开坯锻造，镦粗变形量为30‑40％，然后捋直，单次压下量为40‑60mm。终锻温度≥1000℃。开坯后，进行多次镦拔锻造，次数为3‑5次，单次墩粗变形量为35‑45％。拔长锻造时，单次压下量为60‑100mm。锻造结束后进行高温热处理，温度1120‑1160℃的，时间12‑30h。本发明所得锻造棒材组织均匀性较好、消除细晶带和带状分布碳化物，且可有效改善后续变形产品组织。
Description
技术领域
本发明涉及金属压力加工技术领域，具体涉及一种控制大规格易偏析奥氏体不锈钢棒材组织均匀性的锻造方法。
背景技术
奥氏体不锈钢是作为一种常见的不锈钢，在多种腐蚀介质中具有优异的耐蚀性，可在中温或腐蚀环境下长期服役，且综合力学性能良好，因此在工业、装饰、医疗行业中具有广泛的应用，制备工艺也比较成熟稳定。然而，在一些特殊行业中，如核电、火电、航空、航天行业等，则对奥氏体不锈钢的组织和性能提出了非常严格的要求。而且常常在奥氏体不锈钢中添加一些微量元素，如Ti、Nb等稳定化元素。或是提高一些关键微量元素的含量，如C、N等。这些关键易偏析元素的添加导致奥氏体不锈钢冷热变形过程中的组织均匀性难于控制，增加了部件的制造难度。这主要是因为大规格奥氏体不锈钢铸锭尺寸大、元素偏析严重，在锻造过程中易出现粗晶、混晶、或是细晶带和带状分布碳化物缺陷。更为严重的是，这种不均匀的锻造组织会逐级向下级制造工序中的部件组织中遗传，最终导致部件组织不均匀、难以控制等问题。因此，锻造组织的均匀性对制备出合格的核级、航空航天级别的奥氏体不锈钢部件非常关键。
目前消除大规格易偏析奥氏体不锈钢棒材细晶带、条带状组织、粗晶及混晶问题主要采用长时间的高温均匀化处理，温度多在1200℃以上，时间多在24h-50h左右，能源消耗大，且钢锭在热处理过程中由于高温氧化的原因损耗大。锻造工序往往采用快锻机联合径锻机生产，成本高、工序复杂、过程难于控制、容易产生组织不均缺陷。可见，寻求一种操作简单、成本可控、工艺可控、组织可控的锻造工艺势在必行。
发明内容
针对现有制备大规格易偏析奥氏体不锈钢锻造棒材存在的组织不均匀问题，本发明的目的是提供一种控制大规格奥氏体不锈钢棒材组织均匀性的锻造方法，通过对大规格易偏析奥氏体不锈钢棒材锻造温度、变形方式、单次压下量、热处理等工艺参数的改进，最终锻造的奥氏体不锈钢棒材组织均匀性高，且消除了粗晶、混晶、细晶带和带状分布碳化物，有效改善了后续变形部件的组织均匀性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种控制大规格易偏析奥氏体不锈钢棒材组织均匀性的锻造方法，该方法使用锻压机进行锻造，锻造过程包括如下步骤：
1)原料选择：选择3吨级双联冶炼钢锭作为锻造奥氏体不锈钢棒材的原料；
2)均温处理：在炉温600℃以下将钢锭装入加热炉，升温至900-950℃范围内保温2-4h，再升温至1180-1220℃保温，保温时间2-4h；
3)初次锻造变形：经步骤2)均温处理后的坯料出炉进行锻造开坯，锻造开坯方式为镦粗变形，镦粗变形量为30-40％，然后拔长捋直，捋直过程中单次压下量为40-60mm，终锻温度大于950℃；
4)多次镦粗拔长：经步骤3)处理后的坯料进行多次镦粗拔长锻造，镦粗拔长次数为2-4次，单次镦粗变形量为35-45％；拔长锻造时，单次压下量为60-100mm，终锻温度大于950℃；
5)拔长整形：最后一道锻造方式为拔长整形，单道次压下量为60-100mm，终锻温度大于950℃；
6)高温热处理：经步骤(5)锻造完成后的坯料进行高温热处理，处理温度为1120-1160℃，处理时间12-30h。
步骤1)中，所述双联冶炼钢锭的化学成分中含有Ti、Nb、C和N元素中的一种或几种。
步骤1)中，所述双联冶炼钢锭为真空自耗重熔或者保护气氛电渣重熔钢锭，钢锭规格Φ400-1000mm。
步骤3)-步骤5)锻造时，锻造沿着坯料轴线方向进行。
步骤3)初次锻造变形后以及步骤4)中每次镦粗拔长锻造后均将钢锭回炉进行加热，加热温度为1180-1220℃，加热时间不少于1.5h。
步骤6)中坯料在高温热处理后，冷却方式为水冷。
本发明最终得到的锻造棒材的规格为Φ210-330mm。
本发明的优点如下：
1、大规格易偏析奥氏体不锈钢采用高温结合镦粗拔长的锻造变形方式。该条件下合金铸态枝晶容易破碎，有利于元素的扩散，消除枝晶间元素偏析，避免带状分布碳化物的析出，从而消除细晶带。同时加大单次压下量强化锻坯芯部发生强烈再结晶，消除粗晶和混晶缺陷。
2、锻造结束后，采用高温热处理的方式对锻锭进行长时间固溶处理，在1120-1160℃条件下，合金中元素扩散速度快，且锻锭组织较铸态钢锭组织细小，晶界增多，元素扩散渠道增加。且形变能进一步促进元素的扩散，同时强化热变形组织的再结晶行为，有利于均匀奥氏体不锈钢锻造棒材的成分与组织。
附图说明
图1为实施例1中Φ210mm锻造钢锭典型微观组织；其中：(a)1/2半径位置；(b)中心位置。
图2为实施例2中Φ330mm锻造钢锭典型微观组织；其中：(a)1/2半径位置；(b)中心位置。
图3为实施例3中Φ210mm锻造钢锭典型微观组织；其中：(a)1/2半径位置；(b)中心位置。
具体实施方式
以下结合实施例详述本发明。
实施例1
本实施例为含Ti奥氏体不锈钢Φ210mm棒材的锻造，过程如下：
设备：3000T快锻机。
原料：锻造原料采用Φ510mm真空感应结合真空自耗重熔的双真空冶炼钢锭。
加热均温处理：锻前钢锭于300℃放入煤气炉加热，每小时升温速率为100℃/h，到达900℃保温3h后继续升温至1180℃，保温2h开始锻造。
锻造开坯：钢锭的开坯采用镦粗方式，将Φ510mm自耗锭从高度1490mm镦粗至高度1030mm锻坯，镦粗变形量为31％。然后捋直至1355mm，捋直过程中单道次压下量为40mm，终锻温度1020℃。钢锭捋直后回炉加热，回炉加热1.5h，加热温度1180℃。
第二次镦粗拔长：将坯料从高度1355mm镦粗至874mm，镦粗变形量35％。然后将镦粗后的坯料拔长锻造成Φ520mm圆棒，锻造沿坯料轴向方向施加外力变形，单道次压下量为60mm，回炉加热2.0h，加热温度1180℃。
第三次镦粗拔长：将坯料从高度1400mm镦粗至854mm锻坯，镦粗变形量39％。锻造沿坯料轴线方向施加外力变形，单道次压下量为70mm，然后将镦粗后的坯料拔长锻造至Φ340mm的圆棒，然后回炉加热，保温时间不少于1.5h。
第四次拔长整形：最后一道由Φ340mm的圆棒锻成Φ210mm圆棒，单道次压下量为70mm，总变形量为62％，终锻温度980℃。
高温热处理：锻造完成后，钢锭进入高温炉进行高温热处理，温度为1120℃的，热处理时间12h，冷却方式为水冷。
本实施例锻造的含Ti奥氏体不锈钢棒材组织检测结果如图1，图中可以看出，未出现粗晶、混晶、或是细晶带和带状分布碳化物缺陷。
实施例2
本实施例为含Ti奥氏体不锈钢Φ330mm棒材的锻造，过程如下：
设备：锻造设备为3000T快锻机。
原料：锻造原料采用Φ510mm真空感应结合真空自耗重熔的双真空冶炼钢锭锻造。
加热均温处理：锻前钢锭于300℃放入煤气炉加热，每小时升温速率为100℃/h，到达950℃保温3h后继续升温至1200℃，保温4h开始锻造。
锻造开坯：钢锭的变形采用镦粗工艺，将Φ510mm自耗锭从高度1540mm镦粗至高度1050mm锻棒，镦粗变形量为32％，然后捋直至1370mm，单道次压下量为60mm，终锻温度1000℃。捋直后回炉加热，回炉加热2.0h，加热温度1200℃。
第二次镦粗拔长：将坯料从高度1370mm镦粗至934mm锻坯，镦粗变形量32％。锻造沿坯料横截面对角线方向施加外力变形，单道次压下量为60mm。然后将镦粗后的坯料拔长锻造成Φ550mm圆棒，回炉加热1.5h，加热温度1200℃。
第三次镦粗拔长：将坯料从高度1320mm镦粗至874mm，镦粗变形量34％。锻造沿坯料轴线方向施加外力变形，单道次压下量为100mm，然后将镦粗后的坯料拔长回原长，回炉加热1.5h，加热温度1200℃。
第四次镦粗拔长：将坯料从高度1310mm镦粗至804mm锻坯，镦粗变形量39％。锻造沿坯料轴线方向施加外力变形，单道次压下量为100mm，然后将镦粗后的坯料拔长锻造成Φ480mm的圆棒。
第五次拔长整形：Φ480mm的圆棒回炉加热保温时间不少于1.5h，温度1200℃。最后一道由Φ480mm的圆棒锻成Φ330mm圆棒，单道次压下量为100mm，总变形量为53％，终锻温度980℃。
高温热处理：锻造完成后，钢锭进入高温炉进行高温热处理，温度为1120℃的，热处理时间15h，冷却方式为水冷。
本实施例锻造的Ti奥氏体不锈钢棒材组织检测结果如图2，图中可以看出，未出现粗晶、混晶、或是细晶带和带状分布碳化物缺陷。
实施例3
含Nb奥氏体不锈钢Φ210mm棒材的锻造。
设备：锻造设备为3000T快锻机。
原料：锻造原料采用Φ510mm真空感应结合真空自耗重熔的双真空冶炼钢锭锻造。
加热均温处理：锻前钢锭于300℃放入煤气炉加热，每小时升温速率为100℃/h，到达950℃保温4h后继续升温至1220℃，保温4h开始锻造。
锻造开坯：铸锭的开坯采用镦粗工艺，将Φ510mm自耗锭从高度1500mm镦粗至高度940mm锻棒，镦粗变形量为28％，然后捋直至1355mm，单道次压下量为50mm，终锻温度1000℃。捋直后回炉加热，回炉加热2.0h，加热温度1220℃。
第二次镦粗拔长：将坯料从高度1355mm镦粗至874mm锻坯，镦粗变形量35.5％。锻造沿坯料轴线方向施加外力变形，单道次压下量为80mm，然后将镦粗后的坯料拔长锻造成Φ540mm圆棒，回炉加热2.0h，加热温度1220℃。
第三次镦粗拔长：将坯料从高度1340mm镦粗至780mm锻坯，镦粗变形量42％。锻造沿坯料轴线方向施加外力变形，单道次压下量为100mm，然后将镦粗后的坯料拔长锻造成Φ345mm的圆棒。
第四次拔长整形：Φ345mm的圆棒回炉加热保温时间不少于1.5h，温度1220℃。最后一道由Φ345mm的圆棒锻成Φ210mm圆棒，单道次压下量为100mm，总变形量为63％，终锻温度1010℃。
高温热处理：锻造完成后，钢锭进入高温炉进行高温热处理，温度为1180℃的，热处理时间24h，冷却方式为水冷。
本实施例锻造的含Nb奥氏体不锈钢棒材组织检测结果如图3，图中可以看出，未出现粗晶、混晶、或是细晶带和带状分布碳化物缺陷。
Claims (6)
1.一种控制大规格易偏析奥氏体不锈钢棒材组织均匀性的锻造方法，其特征在于：该方法使用锻压机进行锻造，锻造过程包括如下步骤：
1)原料选择：选择3吨级双联冶炼钢锭作为锻造奥氏体不锈钢棒材的原料；所述双联冶炼钢锭的化学成分中含有Ti、Nb、C和N元素中的一种或几种；
2)均温处理：在炉温600℃以下将钢锭装入加热炉，升温至900-950℃范围内保温2-4h，再升温至1180-1220℃保温，保温时间2-4h；
3)初次锻造变形：经步骤2)均温处理后的坯料出炉进行锻造开坯，锻造开坯方式为镦粗变形，镦粗变形量为30-40％，然后拔长捋直，捋直过程中单次压下量为40-60mm，终锻温度大于950℃；
4)多次镦粗拔长：经步骤3)处理后的坯料进行多次镦粗拔长锻造，镦粗拔长次数为2-4次，单次镦粗变形量为35-45％；拔长锻造时，单次压下量为60-100mm，终锻温度大于950℃；
5)拔长整形：最后一道锻造方式为拔长整形，单道次压下量为60-100mm，终锻温度大于950℃；
6)高温热处理：经步骤5)锻造完成后的坯料进行高温热处理，处理温度为1120-1160℃，处理时间12-30h。
2.按照权利要求1所述的控制大规格易偏析奥氏体不锈钢棒材组织均匀性的锻造方法，其特征在于：步骤1)中，所述双联冶炼钢锭为真空自耗重熔或者保护气氛电渣重熔钢锭，钢锭规格Φ400-1000mm。
3.按照权利要求1所述的控制大规格易偏析奥氏体不锈钢棒材组织均匀性的锻造方法，其特征在于：步骤3)-步骤5)锻造时，锻造沿着坯料轴线方向进行。
4.按照权利要求1所述的控制大规格易偏析奥氏体不锈钢棒材组织均匀性的锻造方法，其特征在于：步骤3)初次锻造变形后以及步骤4)中每次镦粗拔长锻造后均将坯料回炉进行加热，加热温度为1180-1220℃，加热时间不少于1.5h。
5.按照权利要求1所述的控制大规格易偏析奥氏体不锈钢棒材组织均匀性的锻造方法，其特征在于：步骤6)中坯料在高温热处理后，冷却方式为水冷。
6.按照权利要求1所述的控制大规格易偏析奥氏体不锈钢棒材组织均匀性的锻造方法，其特征在于：最终得到的锻造棒材的规格为Φ210-330mm。
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