Z2CND18-12N.S閥門(mén)鋼鍛造工藝研究

于 英 李道志 王喜春

(東北特鋼集團(tuán)大連特鋼鍛壓廠，遼寧116105)

隨著我國(guó)核電事業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)核電用鋼的要求也在不斷的提高。 Z2CND18-12N.S因具有優(yōu)秀的耐晶間腐蝕性能和力學(xué)性能而用于制造核級(jí)閥門(mén)。Z2CND18-12N.S為單相的奧氏體不銹鋼，沒(méi)有相變，不能通過(guò)熱處理增強(qiáng)其性能。并且由于其熱鍛過(guò)程中溫降較大、可鍛溫度區(qū)間窄、變形抗力大、裂紋敏感性強(qiáng)等特點(diǎn)，生產(chǎn)難度極大。通過(guò)對(duì)該鋼種的深入分析，參照相近牌號(hào)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，制定出合理的鍛造工藝。通過(guò)前期四支鍛件的試制，成功地開(kāi)發(fā)出了核級(jí)閥門(mén)用鋼Z2CND18-12N.S產(chǎn)品。

1 試制工藝

Z2CND18-12N.S鋼的化學(xué)成分如表1所示。根據(jù)鋼的化學(xué)成分，可以看到它與316鋼相似。碳含量低但沒(méi)達(dá)到超低碳范圍，可確保耐晶間腐蝕和必要的強(qiáng)度。適當(dāng)?shù)腃r/Ni當(dāng)量比，可使鋼中存有少量鐵素體，并使其具有良好的綜合性能。這樣不僅能改善腐蝕抗力、焊接性能、可加工性，也可提高力學(xué)性能。而如果有較多的鐵素體含量，則可以引起鋼的脆化，相應(yīng)地會(huì)惡化熱加工性能。

參照以往316鋼的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，制定出Z2CND18-12N.S鋼生產(chǎn)工藝路線為：電渣錠加熱 → 35MN快鍛機(jī)鍛造 → 散放空冷 → 檢驗(yàn) → 粗加工 → 無(wú)損檢測(cè) → 檢查、包裝、交付。

鍛件的規(guī)格為?550 mm，長(zhǎng)2 020 mm。在生產(chǎn)中選用9.6 t電渣錠(冷錠)(鋼錠規(guī)格：?930 mm/?970 mm)。

表1 Z2CND18-12N.S鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.1 加熱

該鋼合金含量高、導(dǎo)熱系數(shù)低，并且在500～900℃溫度區(qū)間加熱和冷卻控制不當(dāng)，會(huì)析出含Cr高的金屬間化合物和σ相，降低塑性。在實(shí)際操作中，加熱時(shí)既要考慮快速通過(guò)該溫度區(qū)間，又要考慮減小內(nèi)外溫差，降低熱應(yīng)力的影響。該鋼種的加熱曲線如圖1所示。

圖1 Z2CND18-12N.S鋼加熱工藝曲線Figure 1 The heating process curve of steel Z2CND18-12N.S

工藝規(guī)定在≤450℃溫度范圍內(nèi)裝爐，保溫一定時(shí)間，然后以一定的速度升溫到850℃+50℃，再控制速度升溫至鍛造溫度進(jìn)行保溫。310系列不銹鋼，在高溫段會(huì)產(chǎn)生鐵素體，所以在1 150～1 170℃的保溫時(shí)間應(yīng)充足，但不宜過(guò)長(zhǎng)，保證均勻透燒即可。這樣不僅可以減少鐵素體的量，改善偏析，而且降低熱加工時(shí)的變形抗力，防止晶粒粗大。

1.2 鍛造

首先，鍛造比確定為≥3。合理的鍛造比不但能獲得細(xì)小均勻的組織，還能夠提高力學(xué)性能、抗晶間腐蝕性能，以及降低鍛造變形難度。其次，為避免鍛造開(kāi)裂，又要滿足鍛造比的要求，必須采用小變形量的鐓-拔變形過(guò)程，同時(shí)防止出現(xiàn)過(guò)大的拉應(yīng)力，產(chǎn)生拉裂。工藝規(guī)定了每道次的壓下量，根據(jù)溫降速度確定了每火次的變形量、中間停鍛溫度、返爐加熱溫度和保溫時(shí)間以及最后一火次的鍛造比。鍛造變形過(guò)程見(jiàn)表2。

表2 鍛造變形過(guò)程

2 檢驗(yàn)指標(biāo)和結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

為檢驗(yàn)鍛件最終熱處理的性能，在鍛件上取?25 mm的試樣做模擬熱處理。熱處理制度為固溶溫度在1 050～1 150℃之間，保溫30 min后水冷。試樣的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

2.2 敏化檢驗(yàn)

聲響試驗(yàn)：將試驗(yàn)后的試樣落在金屬檢驗(yàn)平臺(tái)上，發(fā)出清脆的金屬聲。

彎曲試驗(yàn)：將試驗(yàn)后的試樣緩慢地彎曲90°，彎曲后試樣拉伸面無(wú)裂紋。

2.3 晶粒度

按ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行晶粒度評(píng)定，晶粒度為8級(jí)。

2.4 非金屬夾雜物

按GB/T 10561的規(guī)定進(jìn)行評(píng)定，鋼中非金屬夾雜物的檢驗(yàn)數(shù)值見(jiàn)表4。

2.5 超聲檢測(cè)

按照GB/T 4162對(duì)鍛材進(jìn)行超聲檢測(cè)，指標(biāo)達(dá)到A級(jí)。

3 分析與討論

從這4支鍛件的試制情況看，加熱時(shí)控制≤450℃階段的保溫時(shí)間，控制450～900℃之間的加熱速度，可以有效地減少鋼錠在加熱過(guò)程中的熱應(yīng)力。嚴(yán)格控制鋼錠在1 150～1 170℃的保溫時(shí)間，可避免產(chǎn)生過(guò)多的鐵素體，避免對(duì)鍛件性能產(chǎn)生不利影響。

表3 固溶后的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

表4 非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果

鍛造過(guò)程中，采取鐓拔工藝，不僅可以得到細(xì)晶粒，還能夠滿足嚴(yán)格的無(wú)損檢測(cè)要求。要合理采用小壓下量、多火次進(jìn)行鍛造，必須準(zhǔn)確控制終鍛溫度。在鍛造過(guò)程中，如果合理地控制始鍛和終鍛溫度并精心操作，能有效避免和減輕表面裂紋，即使產(chǎn)生裂紋也不至于向深處擴(kuò)展。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)這4支鍛件的試制成功，表明生產(chǎn)工藝路線是可行的，可以生產(chǎn)出滿足技術(shù)要求的核級(jí)閥門(mén)鋼。

(2)嚴(yán)格執(zhí)行加熱工藝，可以有效控制鐵素體含量。采用鍛比≥3，經(jīng)鐓-拔變形，小壓下量、多火次的鍛造工藝，可以生產(chǎn)出滿足技術(shù)要求的鍛件。

[1] 呂炎.鍛件缺陷分析與對(duì)策.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999,8.

[2] 劉助柏等.大鍛件形變新理論新工藝.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009,1.

[3] 喬文浩.核級(jí)316奧氏體不銹鋼鍛管研制. 核科學(xué)與工程，1996.

[4] 趙俊民. 1Mn18Cr18N鋼無(wú)磁性護(hù)環(huán)鍛件的試制.大型鑄鍛件，2010.