1Mn18Cr18N鋼無(wú)磁性護(hù)環(huán)鍛件的試制

趙俊民

(東北特殊鋼集團(tuán)北滿特鋼鍛鋼公司，黑龍江161041)

隨著我國(guó)汽輪發(fā)電機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組用鋼材料及產(chǎn)品質(zhì)量的要求也不斷提高。1Mn18Cr18N鋼質(zhì)護(hù)環(huán)作為發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件之一，因其所起的作用及受力狀態(tài)，要求具備超高的強(qiáng)度、良好的塑韌性、無(wú)磁性及優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕能力。根據(jù)用戶要求，在北滿特鋼公司試制300MW汽輪發(fā)電機(jī)組用1Mn18Cr18N鋼質(zhì)護(hù)環(huán)鍛件。該材料屬無(wú)磁性高錳奧氏體不銹鋼，可鍛溫度區(qū)間窄，高溫變形抗力較大，在鍛造過(guò)程中極易出現(xiàn)表面裂紋，因此制造難度非常大。對(duì)該鋼種進(jìn)行分析研究，確定了其合理的生產(chǎn)試制工藝路線，經(jīng)過(guò)兩輪小批量的試制，成功地開發(fā)出1Mn18Cr18N鋼無(wú)磁性護(hù)環(huán)鍛件。

1 試制方案及生產(chǎn)工藝

1.1 工藝流程

針對(duì)以上難點(diǎn)，查閱了相關(guān)資料并借鑒以往生產(chǎn)的類似鋼種(Mn12Cr18NiSiN，18Mn12Cr18Ni2N)的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)1Mn18Cr18N的鋼種特性，制定了如下生產(chǎn)工藝路線：電爐冶煉→爐外精煉→連鑄150 mm方電極坯料→電渣重熔→30 MN水壓機(jī)鍛造→空冷→粗加工→探傷→固溶處理→檢查、包裝、上交。

1.2 冶煉工藝

由于用戶對(duì)1Mn18Cr18N鍛件的內(nèi)部質(zhì)量要求極嚴(yán)，超聲波探傷不允許有超過(guò)當(dāng)量直徑?1.6 mm以上的缺陷存在。為保證鍛件的內(nèi)部質(zhì)量，采用電爐冶煉、AOD精煉來(lái)純凈鋼液，并采用電渣重熔進(jìn)一步提高鋼錠內(nèi)部質(zhì)量。另外該鋼種氮含量高達(dá)0.5%，因此控制鋼中的氮含量是冶煉過(guò)程的難點(diǎn)。在冶煉過(guò)程中加入氮化鉻的同時(shí)吹入氮?dú)猓瑏?lái)保證鋼中的氮含量。電渣重熔時(shí)用提純?cè)に囘M(jìn)行重熔，在重熔金屬電極時(shí)用氬氣或氮?dú)獗Ｗo(hù)來(lái)穩(wěn)定鋼中的氮含量。電渣錠頭、尾取樣檢驗(yàn)，化學(xué)成分全部滿足技術(shù)條件要求。1Mn18Cr18N鋼的化學(xué)成分要求和電渣錠化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

1.3 鍛造

1.3.1 鍛造工序

采用北滿特鋼鍛鋼公司30 MN水壓機(jī)進(jìn)行鍛造。由于該鍛件內(nèi)部質(zhì)量要求高，采用兩次鐓粗工藝，綜合鍛比大于5。鍛造工序如下：鋼錠加熱→鐓粗→拔長(zhǎng)、下料→鐓粗→沖孔→擴(kuò)孔→芯棒拔長(zhǎng)→平整等工序。護(hù)環(huán)鍛件毛坯如圖1所示。

表1 1Mn18Cr18N鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of 1Mn18Cr18N steel (mass fraction, %)

圖1 1Mn18Cr18N護(hù)環(huán)鍛件毛坯圖Figure 1 The drawing for the retaining ring forging block of 1Mn18Cr18N steel

1.3.2 鋼錠加熱工藝及變形工藝

由于該鋼種合金含量高，導(dǎo)熱系數(shù)低，因此加熱時(shí)在低溫段應(yīng)以緩慢的速度升溫，以降低熱應(yīng)力，在高溫段保溫時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)，保證均勻透燒，以改善鋼錠的組織，減少偏析，降低熱加工時(shí)的變形抗力。

第一次試制加熱工藝曲線如圖2所示。

圖2 第一次試制加熱工藝曲線Figure 2 The heating curve for first trial manufacture

第一次試制時(shí)鍛造加熱溫度控制在1 160～1 180℃。鋼錠鐓粗時(shí)變形抗力很大，一次墩粗時(shí)壓下量只有150 mm左右，必須返爐加熱后再墩粗，這樣反復(fù)返爐加熱、墩粗，經(jīng)過(guò)8火次才鐓粗到尺。墩粗后在沖孔、擴(kuò)孔、芯棒拔長(zhǎng)變形過(guò)程中經(jīng)16火次才完成護(hù)環(huán)毛坯的鍛造。

第二次試制加熱工藝曲線如圖3所示。

優(yōu)化后的鍛造變形工藝如下：

第1火：電渣鋼錠整體鐓粗至?900 mm；

第2火：用上平、下V弧形砧鍛造，鍛至?750 mm時(shí)，切帽口和錠尾；

第3火：高度鐓粗至1 000 mm；

圖3 第二次試制加熱工藝曲線Figure 3 The heating curve for second trial manufacture

第4火：高度鐓粗至800 mm；

第5火：沖?350 mm的孔；

第6火：擴(kuò)孔至?500 mm；

第7火：用芯棒拔長(zhǎng)至1 100 mm；

第8火：擴(kuò)孔至成品尺寸。

第二次試制時(shí)，根據(jù)首次試制的情況,為了進(jìn)一步降低變形抗力,使鋼錠充分透燒。在充分研究該材質(zhì)特性基礎(chǔ)上，采用兩次預(yù)熱并合理制定預(yù)熱溫度、保溫時(shí)間，同時(shí)限速升溫促使鋼錠從表面至內(nèi)部加熱均勻且充分透燒。另外又將鍛造加熱溫度適當(dāng)提高了20～30℃,并適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間以降低變形抗力。對(duì)鍛造工藝進(jìn)行優(yōu)化，減少鍛造火次。經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)措施,在第二次試制過(guò)程中,從墩粗到鍛至成品只用了8火次。鍛后鍛件經(jīng)橫、縱波探傷檢驗(yàn)，內(nèi)部無(wú)冶金及鍛造缺陷，全部合格。

1.4 粗加工序

粗加前測(cè)試鍛件表面硬度為280～290HBS，但在加工過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化，硬度急劇上升，表面硬度達(dá)到450～500HBS左右。更換硬度較高、紅硬性好的切削刀具，順利完成切削加工。

1.5 固溶處理

固溶處理溫度為1 050℃，目的是使碳化物充分固溶得到均勻的奧氏體組織，提高工藝塑性。從生產(chǎn)數(shù)據(jù)得出保溫時(shí)間長(zhǎng)或溫度偏高，則晶粒容易粗大。若在600～700℃保溫時(shí)間長(zhǎng)則碳化物不能完全固溶，會(huì)降低固溶效果。固溶處理工序的關(guān)鍵是準(zhǔn)確確定固溶前預(yù)熱溫度、固溶保溫溫度和保溫時(shí)間。

2 表面裂紋分析及控制措施

2.1 原因分析

在兩次試制生產(chǎn)時(shí)，鍛件表面都有裂紋產(chǎn)生，但裂紋深度較淺，在鍛造余量之內(nèi)。經(jīng)粗加工后，裂紋全部清除干凈。產(chǎn)生原因是1Mn18Cr18N鋼屬無(wú)磁高錳奧氏體不銹鋼，其中的錳、鉻含量達(dá)18%，氮含量更是高達(dá)0.5%以上，在鍛造時(shí)鍛件極易產(chǎn)生表面裂紋。

2.2 控制措施

為防止表面裂紋產(chǎn)生，在開始鍛造時(shí)要輕打，變形量要小。即合理采用小壓下量、多火次進(jìn)行鍛造，同時(shí)準(zhǔn)確控制終鍛溫度。通過(guò)采取上述措施并經(jīng)過(guò)變形過(guò)程的全程跟蹤，發(fā)現(xiàn)該鋼種雖然在鍛造過(guò)程中易出現(xiàn)裂紋，但裂紋并不向深處擴(kuò)展，如果合理地控制始鍛和終鍛溫度，精心操作，能有效減輕表面裂紋，最終保證加工尺寸，合格上交。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)兩輪生產(chǎn)試制可以得出，采用電爐冶煉→爐外精煉→電渣重熔→鍛造的工藝路線是可行的，能夠生產(chǎn)出合格的1Mn18Cr18N汽輪機(jī)護(hù)環(huán)鍛件。

(2)鍛造加熱溫度采用1 190～1 210℃，終鍛溫度控制在900℃以上，綜合鍛比大于5。采用適當(dāng)?shù)腻懺旃ば?，多火次、小壓下量進(jìn)行鍛造。粗加工序選擇合適的刀具，并合理控制固溶處理制度，確保鍛件內(nèi)外質(zhì)量都能滿足用戶的技術(shù)要求。

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