羅玉立 劉小福 趙秀清 姜克云
(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司,四川618013)
核電用大型含銅鋼鍛件研制
羅玉立 劉小福 趙秀清 姜克云
(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司,四川618013)
某核電項(xiàng)目采用SA-705M Type 630 H1150(國標(biāo)牌號0Cr17Ni4Cu4Nb)鋼制造密封部件,在生產(chǎn)過程中極易開裂。通過材料試驗(yàn)、先行件的驗(yàn)證性試驗(yàn)研究,掌握了該鋼種的材料特點(diǎn),成功生產(chǎn)出了核電密封部件。
SA-705M Type 630 H1150鋼;含銅鋼鍛件;裂紋
某核電項(xiàng)目反應(yīng)堆泵用密封部件采用SA-705M Type 630 H1150(國標(biāo)牌號0Cr17Ni4Cu4Nb)鋼制造,屬低碳、高鉻、高銅的馬氏體沉淀硬化型不銹鋼。由于該鋼種具有優(yōu)良的綜合性能,被廣泛應(yīng)用于壓力容器、飛行器和汽輪機(jī)葉片等領(lǐng)域。某核電項(xiàng)目采購規(guī)范要求Akv≥68 J,還要求側(cè)膨脹值及高溫力學(xué)性能等,而SA-705M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定僅為Akv≥41 J。同時由于該產(chǎn)品屬空心鍛件,材料利用率低,需采用16 t電渣鋼錠鍛制,鍛件重量達(dá)11 t,鍛件最大截面尺寸為?1 310 mm。之前國內(nèi)生產(chǎn)的這種材料的最大鋼坯只有2 t,最大鍛件直徑僅?500 mm左右,無任何經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。鋼錠噸位加大,極大地增加了該產(chǎn)品的生產(chǎn)難度。
SA-705M標(biāo)準(zhǔn)及采購規(guī)范對化學(xué)成分、力學(xué)性能等指標(biāo)進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定。
1.1 化學(xué)成分
SA-705M Type 630 H1150鋼化學(xué)成分要求見表1。
1.2 力學(xué)性能
力學(xué)性能及金相檢驗(yàn)驗(yàn)收指標(biāo)見表2。
1.3 制造難點(diǎn)分析
1.3.1 技術(shù)要求高
核電項(xiàng)目采購規(guī)范嚴(yán)格規(guī)定了固溶溫度、時效溫度。根據(jù)SA-705M標(biāo)準(zhǔn)要求,在固溶溫度、時效溫度給定的條件下,如何確定更為精確、合理的熱處理參數(shù)保證強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)難度相當(dāng)大。
1.3.2 鍛件尺寸大
該材質(zhì)鍛件重量超過10 t,鍛件最大截面超過?1 300 mm,如此大噸位鋼錠、大截面鍛件在國內(nèi)尚屬首次制造,無任何經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。
1.3.3 超低碳、高合金含量,冶煉難度大
超低碳馬氏體沉淀硬化不銹鋼Cr、Ni、Cu等合金含量高,特別是Cu含量達(dá)到了3%~5%。冶煉過程合金加入量大,冶煉需經(jīng)VOD處理,冶煉時間長,對冶煉技術(shù)、生產(chǎn)組織、設(shè)備狀況等提出了相當(dāng)高的要求。
表1 SA-705M Type 630 H1150鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical compositions requirements for SA-705M Type 630 H1150 steel (mass fraction,%)
表2 力學(xué)性能及金相檢驗(yàn)驗(yàn)收指標(biāo)Table 2 Acceptance index for mechanical properties and metallographic examination
1.3.4 變形及機(jī)加過程應(yīng)力大、裂紋傾向大
Cu元素在該合金鋼中屬易熔相,在高溫狀態(tài)會聚集于晶界處,形成脆性區(qū)域,極易產(chǎn)生裂紋,且馬氏體轉(zhuǎn)變溫度低,這些都極大地增加了生產(chǎn)過程的控制難度。
從冶煉成分、合金元素對鍛造過程的影響、合金元素對鍛件強(qiáng)度及塑性的影響及合金元素對δ-鐵素體數(shù)量的影響等方面進(jìn)行綜合考慮,再結(jié)合殘余及有害元素對鋼綜合性能的影響,在標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分的基礎(chǔ)上確定了內(nèi)控成分,以更加有利于產(chǎn)品后續(xù)制造過程的控制。
為了在產(chǎn)品投料前較好地掌握該材料物性參數(shù),為生產(chǎn)積累經(jīng)驗(yàn),采用1 t電渣鋼錠進(jìn)行高溫擴(kuò)散試驗(yàn)、鍛造工藝試驗(yàn)、材料力學(xué)性能試驗(yàn)、熱處理工藝試驗(yàn)等。該鋼錠采用真空感應(yīng)爐→澆注自耗電極→電極精整→電渣重熔→退火的工藝流程。
3.1 高溫塑性試驗(yàn)
為了準(zhǔn)確掌握該材料高溫塑性參數(shù),做了該材料鑄態(tài)、均勻化處理態(tài)以及與30Cr1Mo1V的對比試驗(yàn),見圖1。同時還做了鑄態(tài)、均勻化處理態(tài)經(jīng)不同溫度處理的沖擊試驗(yàn),見圖2。
3.2 熱處理工藝試驗(yàn)及分析
依據(jù)SA—705M標(biāo)準(zhǔn)及采購規(guī)范要求,性能熱處理采用固溶+時效的熱處理模式,固溶溫度為1 040±15℃,時效溫度為620±10℃。在這種溫度參數(shù)被強(qiáng)制規(guī)定的情況下,如何才能滿足采購規(guī)范規(guī)定的力學(xué)性能、沖擊性能等要求,是我們思考的一個重要問題。通過對固溶時高溫保溫時間、時效處理保溫時間、淬火冷卻介質(zhì)等的研究,確定各參數(shù)變化對性能指標(biāo)的影響。
圖1 30Cr1MoV和0Cr17Ni4Cu4Nb斷面收縮率對比Figure1 Comparison of reduction of area between 30Cr1MoV and 0Cr17Ni4Cu4Nb
圖2 經(jīng)不同溫度處理后鑄態(tài)與鍛態(tài)沖擊性能對比Figure2 Comparison of impact performances under casting and forging states after different temperature treatments
為了清楚掌握力學(xué)性能與工藝參數(shù)之間的關(guān)系,進(jìn)行了系列材料試驗(yàn),基本摸清了材料力學(xué)性能隨性能熱處理工藝參數(shù)的變化規(guī)律:隨著固溶溫度升高,小試樣強(qiáng)度、硬度值略有上升,沖擊值及側(cè)膨脹值有所下降。隨著固溶時間的延長,小試樣的強(qiáng)度、硬度及沖擊值無明顯變化。因此,固溶時間的長短,對小試樣的性能指標(biāo)無明顯影響,實(shí)際工件固溶時間可根據(jù)截面厚度確定加熱保溫時間。隨著回火溫度的增加,材料的強(qiáng)度略有下降,沖擊值略有上升,隨著時效保溫時間的延長,其強(qiáng)度及硬度值明顯下降。
3.3 夾雜物、組織及晶粒度
部分試樣的夾雜物、組織及晶粒度見表3。試樣1-2、試樣4-1顯微組織與夾雜物分別見圖3和圖4。
表3 夾雜物、組織及晶粒度Table 3 Inclusion, microstructure and grain size
圖3 試樣1-2顯微組織與夾雜物Figure3 Microstructure and inclusion of specimen 1-2
圖4 試樣4-1顯微組織與夾雜物Figure 4 Microstructure and inclusion of specimen 4-1
在材料試驗(yàn)中采用小試樣進(jìn)行熱處理工藝試驗(yàn),從試驗(yàn)結(jié)果可以看出工藝參數(shù)對各檢驗(yàn)指標(biāo)的影響程度規(guī)律性不強(qiáng)。為了確保產(chǎn)品力學(xué)性能一次合格,利用其中一種小規(guī)格件進(jìn)行1:1的先行試驗(yàn)。
密封部件鍛造完畢后進(jìn)行鍛后熱處理,消除鍛造形變應(yīng)力,調(diào)整組織。再按采購規(guī)范要求的固溶溫度、時效溫度進(jìn)行固溶處理和時效處理。
先行件在性能熱處理中,固溶保溫時間和時效保溫時間不同,得到的結(jié)果差異較大。通過三次性能熱處理以及補(bǔ)充實(shí)驗(yàn),找到了最佳的性能熱處理工藝參數(shù),力學(xué)性能、沖擊性能等各項(xiàng)指標(biāo)均合格。先行件熱處理后殘余應(yīng)力見表4。先行件熱處理后的性能見表5。
表4 先行件熱處理后殘余應(yīng)力Table 4 Residual stress of the first piece after heat treatment
5.1 冶煉
采用EAF→LF(VOD)→澆注自耗電極→電極精整→ESR的生產(chǎn)工藝流程。
EAF冶煉以快速熔化、脫P(yáng)、脫C、氧化沸騰與升溫為重點(diǎn),加強(qiáng)去P過程的換渣操作。LF爐加強(qiáng)脫O、脫S,精確控制化學(xué)成分,確??煽卦鼐_(dá)到了內(nèi)控要求。
表5 先行件熱處理后的性能Table 5 Performance of the first piece after heat treatment
圖5 密封部件熱處理工藝曲線Figure 5 Heat treatment process curve of sealing element
在ESR階段嚴(yán)格控制電流、電壓,形成高溫、高堿度的熔渣。確保獲得穩(wěn)定的熔化速度,重熔過程中采用吹氬保護(hù),同時分批加入少量脫氧劑。
從生產(chǎn)結(jié)果看,無論是LF后澆注的電極坯還是電渣重熔后的鋼錠,化學(xué)成分都達(dá)到了工藝要求。
5.2 鍛造
該材料易開裂,鍛造余量應(yīng)合理控制。為了確保鍛造成功,鍛件采取實(shí)心鍛造。在鍛造過程中合理控制鍛造溫度、壓下量等參數(shù),出現(xiàn)裂紋時及時清傷、返爐。在實(shí)際生產(chǎn)中鉗把端部凹心嚴(yán)重。當(dāng)溫度降低壓下量稍大時,端部會產(chǎn)生放射狀裂紋。
5.3 性能熱處理
性能熱處理采用預(yù)備熱處理+固溶熱處理的方式進(jìn)行。預(yù)備熱處理以細(xì)化晶粒和調(diào)整組織為目的。固溶處理時(見圖5),采用1 040℃強(qiáng)制冷卻至室溫,并且嚴(yán)格控制工件出爐至強(qiáng)制冷卻的時間。時效過程嚴(yán)格控制保溫時間、保溫溫度等參數(shù),確保力學(xué)性能、沖擊性能達(dá)到采購規(guī)范要求。密封部件熱處理各項(xiàng)性能結(jié)果見表6。夾雜物及晶粒度見表7。
從表6、表7可以看出:
(1)力學(xué)性能、晶粒度、硬度等指標(biāo)一次合格。
(2)無論常溫力學(xué)性能還是高溫力學(xué)性能均高于標(biāo)準(zhǔn)要求,且有很大的富余量。
(3)沖擊全部≥70 J,部分超過100 J,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求(≥68 J)。
表6 密封部件熱處理后各項(xiàng)性能結(jié)果Table 6 Various performance results of sealing element after heat treatment
表7 夾雜物及晶粒度Table 7 Inclusion and grain size
通過材料試驗(yàn)以及先行件的驗(yàn)證性試驗(yàn)研究,掌握了該材料的各項(xiàng)物性參數(shù),基本摸清了力學(xué)性能隨固溶時間、時效時間等參數(shù)的變化規(guī)律,結(jié)合該材料晶粒細(xì)化難的問題,在性能熱處理時進(jìn)行了特殊處理。密封部件性能熱處理后的力學(xué)性能、晶粒度、夾雜物等檢測指標(biāo)一次檢驗(yàn)合格。通過本項(xiàng)目的研究得到以下結(jié)論:
(1)鑄態(tài)和均質(zhì)化熱處理狀態(tài)的高溫拉伸對比試驗(yàn)及后續(xù)的生產(chǎn)均表明,均質(zhì)化處理效果是該項(xiàng)目產(chǎn)品開發(fā)成功的決定性因素。
(2)必須對該鋼鍛造溫度范圍進(jìn)行精確控制,每趟壓下量不宜過大,終鍛溫度不能過低,并且要及時入爐。
(3)該鋼是馬氏體沉淀硬化型不銹鋼,熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力特別大,因此制造過程中需采取必要的防裂措施。
(4)通過工藝試驗(yàn)研究、先行件工藝試驗(yàn)及產(chǎn)品生產(chǎn),摸清了該材質(zhì)強(qiáng)韌性指標(biāo)隨固溶溫度、固溶時間、時效溫度、時效時間等參數(shù)的變化規(guī)律。
核電密封部件的成功制造,標(biāo)志著二重已成功掌握了該材料制造的核心技術(shù),可以替代進(jìn)口實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,并填補(bǔ)了國內(nèi)制造空白,具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
編輯 杜青泉
Development on Large Steel Forgings Containing Copper Used for Nuclear Power
LuoYuli,LiuXiaofu,ZhaoXiuqing,JiangKeyun
The sealing element is made by SA-705M Type 630 H1150 steel (international steel grade 0Cr17Ni4Cu4Nb) in a nuclear power project, and it is easily cracked during production. By researching on material test and confirmatory test for first piece, the features of the steel material are grasped to produce the nuclear sealing element successfully.
SA-705M Type 630 H1150 steel; steel forging containing copper; crack
2014—01—15
TG156
B