控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿用1Cr13管材制造工藝

戚丹鴻， 米大為

（上海第一機(jī)床廠有限公司，上海 201308）

壓水堆核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種步進(jìn)式 的提升機(jī)構(gòu)，用于控制棒組件在堆芯內(nèi)提起、插入或保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，以?shí)現(xiàn)反應(yīng)性的控制。而驅(qū)動(dòng)桿組件作為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，主要功能是將控制棒組件與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接起來(lái)，全長(zhǎng)7253mm，中間外壁開有261個(gè)與鉤爪嚙合的齒槽，齒槽間距為15.9mm。驅(qū)動(dòng)桿為空心結(jié)構(gòu)，使用空心管材加工而成［1－2］。

由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率過(guò)程中鉤爪與驅(qū)動(dòng)桿之間不斷進(jìn)行嚙合、釋放運(yùn)動(dòng)，40年的設(shè)計(jì)壽命時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)考核實(shí)際使用壽命應(yīng)達(dá)到900萬(wàn)次以上；因此，選擇了既有一定的耐腐蝕性能，又具有一定的強(qiáng)度、韌性和加工成型性能的1Cr13（法國(guó)牌號(hào)：Z12C13）馬氏體不銹鋼材料。根據(jù)結(jié)構(gòu)需求，驅(qū)動(dòng)桿零件原材料使用厚壁、細(xì)長(zhǎng)管材，材料采購(gòu)毛坯圖如圖1所示。

圖1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿用1Cr13不銹鋼管材毛坯圖

由圖1可見，管材的徑壁比小于5，為典型的小口徑特厚壁無(wú)縫鋼管［3］，而馬氏體1Cr13不銹鋼在熱加工過(guò)程中管材表層較次表層冷卻速度快，使得馬氏體相變存在異步現(xiàn)象，管材中殘留一定的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，而在后續(xù)的冷熱交替加工中，容易因應(yīng)力集中而導(dǎo)致管材的表層產(chǎn)生裂紋并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法滿足訂貨要求［4］。驅(qū)動(dòng)桿用1Cr13不銹鋼管材長(zhǎng)期依靠從法國(guó)進(jìn)口。由于材料制造關(guān)鍵技術(shù)的封鎖，影響了我國(guó)核電設(shè)備制造完全國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程［5］。目前，國(guó)內(nèi)在此管材制造工藝方面的研究還處于初期階段。本文根據(jù)我國(guó)冶金制造企業(yè)的實(shí)際情況，提出了合理的1Cr13馬氏體不銹鋼厚壁管制造工藝方案，制造出完全滿足控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿用管材，催進(jìn)了核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

1 工藝方案

1.1 進(jìn)口管材制造工藝

冶煉［電弧爐＋真空吹氧脫硫精煉方法（Vacuum Oxygen Decarburization，VOD）＋電渣重熔］——開坯鍛造（φ165mm）——熱穿孔管坯（φ 160mm×φ5mm）——荒管多道次軋制［熱軋（平均變形率17.6%）＋酸洗］（φ45.6mm×φ21.3mm）——退火（800℃下保溫2h后空冷）——調(diào)質(zhì)熱處理——酸洗——矯直——去應(yīng)力熱處理——表面磨 削 加 工 （φ44.5mm×φ21.3mm）——性 能 檢測(cè)——超聲波探傷——包裝。

1.2 試制管材制造工藝

進(jìn)口管材通過(guò)多道次熱軋工藝可以有效地破壞鋼錠的鑄造組織，消除顯微組織缺陷，使鋼材組織密實(shí)，改善其力學(xué)性能。但熱軋對(duì)溫度控制要求嚴(yán)格，對(duì)軋機(jī)及附屬設(shè)備要求也較高，控制不當(dāng)容易造成晶粒粗大；另外材料表層與心部組織不一致，會(huì)產(chǎn)生熱裂紋，表面質(zhì)量控制較難等問題。而管材的制造如選用多道次冷軋＋再結(jié)晶退火的工藝，可以使管材產(chǎn)生較大的塑性變形，提高管材的屈服點(diǎn)，通過(guò)再結(jié)晶退火處理，可以細(xì)化晶粒，同時(shí)保證管材的表面質(zhì)量及尺寸。但冷軋容易造成表面應(yīng)力集中嚴(yán)重，而選用合適的變形率，即中間軋制道次的減徑與減壁配合比例，保證管材壁厚范圍內(nèi)的變形趨于一致，結(jié)合后續(xù)及時(shí)的退火處理，可以有效提高管材的綜合性能［3］。而管坯的質(zhì)量在管材的制造過(guò)程中起著決定性的作用，直接影響產(chǎn)品的成材率；因此，確定管坯分別采用熱穿孔和棒材鉆孔的方法制作。另外，對(duì)馬氏體不銹鋼管材的酸洗應(yīng)選用酸性較弱的酸，根據(jù)相關(guān)資料信息［6］，選用“硝酸140～150g／L、磷酸110～120g／L、水余量”溶液，室溫下保持5～10min后用水清洗表面的酸洗工藝。綜上所述，試制管材的制造工藝確定如下：

冶煉（電弧爐＋VOD＋電渣重熔）——開坯鍛造（φ100mm）——管坯制造（φ98mm×φ55mm）——荒管多道次軋制多道次［冷軋（平均變形率30%）＋再結(jié)晶退火＋酸洗］（φ46mm×φ21.3mm）——退火（800℃下保溫2h后空冷）——調(diào)質(zhì)熱處理——酸洗——矯直——去應(yīng)力熱處理——表面磨削加工（φ44.5mm×φ21.3mm）——性能檢測(cè)——超聲波探傷——包裝。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 化學(xué)成分

考慮到驅(qū)動(dòng)桿零件的實(shí)際使用工況，為了使得管材具有較好強(qiáng)度、韌性和較低的磁性能指標(biāo)，在材料的化學(xué)成分的控制上進(jìn)行了嚴(yán)格的要求，試制管材的化學(xué)成分如表1所示。

在鋼錠熔煉過(guò)程中，原料選用純度較高的鉻鐵、純鐵、金屬錳、硅鐵，盡可能地降低雜質(zhì)元素的含量。同時(shí)在滿足成分要求的情況下，對(duì)大部分元素進(jìn)行嚴(yán)格控制。為了提高鋼的硬度指標(biāo)，增加其耐磨性，在進(jìn)行回火后可以析出碳化物，起到沉淀強(qiáng)化，對(duì)C的含量控制其盡可能地接近規(guī)定上限，Ni作為奧氏體形成元素，可以擴(kuò)大奧氏體區(qū)，降低馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ms，增加鋼材的淬透性，控制Ni含量接近上限，使得材料組織中有少量的殘余奧氏體，改善材料的韌性指標(biāo)，Cr為鐵素體形成元素，組織中帶狀鐵素體相會(huì)降低材料韌性，同時(shí)增加材料的磁性能指標(biāo)，不利于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)備的使用功能，Cr的含量應(yīng)接近下限［7］。另外，通過(guò)2次精煉進(jìn)一步提純了鋼的成分，使得P和S等雜質(zhì)元素的含量都控制在一個(gè)較低的范圍內(nèi)。

2.2 制造分析

2.2.1 管坯制造

分別按照熱穿孔和機(jī)械鉆孔兩種方法制造管坯。采用熱穿孔方法制造的管坯緩慢冷卻后，經(jīng)過(guò)酸洗處理，管坯表面較好，組織均勻，為后續(xù)冷軋過(guò)程提供了一個(gè)良好的組織準(zhǔn)備。而采用機(jī)械鉆孔方法制造的管坯，在鉆孔過(guò)程中，由于1Cr13材料硬度較小，切削加工未能控制好鉆孔速度，鐵銷未及時(shí)排出，造成內(nèi)孔表面有螺旋狀劃傷；同時(shí)，由于管坯內(nèi)表面應(yīng)力集中而加工硬化嚴(yán)重，后經(jīng)珩磨處理，可以消除表面可見螺旋狀劃傷，但淺表層的細(xì)小裂紋無(wú)法消除，導(dǎo)致最終使用打孔管坯制造的管材合格率較低。因此，管坯采用熱穿孔方法制造較為理想，可以為管材最終批量生產(chǎn)提供較好的管坯。

2.2.2 成品熱處理

對(duì)管材成品進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，進(jìn)口管材熱處理工藝曲線如圖2所示，試制管材熱處理工藝曲線如圖3所示。

圖2 進(jìn)口1Cr13不銹鋼管材熱處理工藝曲線

圖3 試制1Cr13不銹鋼管材熱處理工藝曲線

進(jìn)口管材國(guó)外材料供應(yīng)商選用中頻感應(yīng)熱處理制度，感應(yīng)加熱處理具有工藝簡(jiǎn)單、工件的畸變量小、生產(chǎn)效率高、工藝過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)［8］。但感應(yīng)熱處理常用于表面熱處理，加熱層較薄，溫度參數(shù)要求較高，需要根據(jù)工件材料及尺寸厚度設(shè)計(jì)合理的感應(yīng)圈及頻率，根據(jù)我國(guó)鋼鐵制造企業(yè)現(xiàn)狀及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)超厚壁1Cr13不銹鋼管材使用中頻感應(yīng)熱處理欠佳。因此，選擇了長(zhǎng)桿件慣用熱處理設(shè)備（井式爐）進(jìn)行成品管材的熱處理，根據(jù)1Cr13不銹鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線及相關(guān)工藝資料［9］，管材分別選用950℃ 、980℃、1020℃保溫30min的工藝進(jìn)行淬火處理，淬火后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回火，回火溫度選用640℃保溫180min后出爐空冷。

2.3 組織性能分析

試制管材按照3種不同工藝進(jìn)行淬火后，組織如圖4所示。

圖4 不同淬火溫度下的顯微組織圖

由圖4可見，經(jīng)過(guò)淬火后，1Cr13不銹鋼組織主要由鐵素體＋馬氏體組成。隨著淬火溫度的增加，馬氏體板條不斷增大，同時(shí)伴隨著晶粒的長(zhǎng)大。在950℃淬火時(shí)，組織中存在一定的珠光體，碳化物未完全溶解于奧氏體中，故過(guò)冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變數(shù)量較少；在經(jīng)過(guò)980℃淬火后，材料的組織均勻，馬氏體體積分?jǐn)?shù)增大，馬氏體板條尺寸較小，邊界清晰，晶粒尺寸細(xì)小；在經(jīng)過(guò)1020℃淬火后，馬氏體板條增大，向著片長(zhǎng)馬氏體趨勢(shì)發(fā)展，晶粒也有所增大，導(dǎo)致材料的脆性增加。

成品管材按照工藝1、工藝2、工藝3進(jìn)行熱處理后，力學(xué)性能與進(jìn)口管材對(duì)照情況如表2所示。

由表2可見，3種工藝均可以使得材料的力學(xué)性能滿足技術(shù)要求，其中工藝1具有較高的伸長(zhǎng)率，抗拉強(qiáng)度富余量較少，主要是由于奧氏體化溫度較低、碳化物未完全溶解、馬氏體轉(zhuǎn)變不徹底造成；工藝2的各項(xiàng)性能指標(biāo)均與進(jìn)口管材指標(biāo)相當(dāng)，其屈服強(qiáng)度和硬度均優(yōu)于進(jìn)口管材，具有較高的沖擊韌性，材料組織均勻，晶粒度在7級(jí)以上，回火組織為保持馬氏體位相的回火索氏體，如圖5（a）所示為進(jìn)口管料最終成品狀態(tài)下的顯微組織，圖5（b）為試制管料最終成品狀態(tài)下的顯微組織；工藝3材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均有所下降，沖擊韌性降低較大，這主要是由于管材在此溫度下晶粒有長(zhǎng)大趨勢(shì)，馬氏體板條粗大，導(dǎo)致強(qiáng)度和韌性下降。

分別對(duì)進(jìn)口管材及按工藝2制造管材的磁性能檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由表3可見，按照工藝2制造的管材矯頑力Hc大于進(jìn)口管材，這主要是因?yàn)樵囍乒懿牡暮珻量高于進(jìn)口材料，在材料進(jìn)行回火時(shí)，隨著馬氏體的分解，碳化物析出量高于進(jìn)口材料，而碳化物為非鐵磁性，有高的矯頑力Hc和低的磁導(dǎo)率μ，使得材料磁化難度增加，另外，由于試制管材晶粒較細(xì)，擴(kuò)大了晶界面，增加了磁化阻力，同樣使得管材難以磁化，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、磁導(dǎo)率μ均低于進(jìn)口管材［10］，有利于設(shè)備實(shí)際使用。

表2 國(guó)內(nèi)試制與進(jìn)口1Cr13管材力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖5 成品管材顯微組織

表3 1Cr13管材磁性能測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）影響1Cr13馬氏體不銹鋼超厚壁管材成材率的主要因素為管坯的質(zhì)量及后續(xù)冷、熱加工變形量的大小。由于管材在熱加工過(guò)程中溫度控制不當(dāng)，管材表面與次表面發(fā)生相變不一致，冷加工過(guò)程中表面應(yīng)力集中，導(dǎo)致管材產(chǎn)生縱向裂紋引起不合格，冷軋管材平均單次變形比控制在30%左右最為理想，試制管材的平均晶粒度為7級(jí)。

（2）冷軋管材在經(jīng)過(guò)980℃，保溫30min淬火，再經(jīng)過(guò)640℃，保溫180min回火后，屈服強(qiáng)度和硬度均優(yōu)于進(jìn)口管材，具有較高的沖擊韌性，材料組織均勻，綜合性能得到了進(jìn)一步調(diào)高。

（3）1Cr13厚壁管材的管坯通過(guò)熱穿孔方法制造優(yōu)于通過(guò)機(jī)械鉆孔方法所做管坯，根據(jù)驅(qū)動(dòng)桿管材的實(shí)際使用要求，通過(guò)對(duì)鋼錠原材料冶煉化學(xué)成分C，Cr，Ni元素含量的控制，可以優(yōu)化最終管材的各項(xiàng)磁性參數(shù)，有利于零件的使用。

（4）通過(guò)制造工藝的設(shè)計(jì)，目前試制的管材在試驗(yàn)樣機(jī)上使用，性能優(yōu)于進(jìn)口管材的1Cr13馬氏體不銹鋼的厚壁管，推進(jìn)了我國(guó)核電站用材料的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

［1］廣東核電培訓(xùn)中心.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備［M］.北京：原子能出版社，2005.

［2］林誠(chéng)格.非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000［M］.北京：原子能出版社，2008.

［3］柳謀淵.金屬壓力加工工藝學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

［4］巴發(fā)海.1Cr13鋼閘板毛坯鍛件開裂原因分析［J］.金屬熱處理，2007，32（Suppl）：263－266.

［5］戴佩琨.壓水堆核電站核島主設(shè)備材料和焊接［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2009.

［6］林百春.不銹鋼表面處理：酸洗、鈍化與拋光［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，2006，21（3）：36－39.

［7］趙振業(yè).合金鋼設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

［8］薄鑫濤，郭海祥，袁鳳松.實(shí)用熱處理手冊(cè)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2009.

［9］劉建章.核結(jié)構(gòu)材料［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［10］孫 瑜.10號(hào)鋼磁性熱處理工藝研究［J］.機(jī)電元件，2006，22（2）：34－36.