大型不銹鋼鍛件的質(zhì)量保證

李雅平

中國原子能科學(xué)研究院 北京 102413

大型鍛件制造業(yè)是國家裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，也是關(guān)系到國家安全和國家經(jīng)濟(jì)命脈不可或缺的戰(zhàn)略性行業(yè)，同時也是衡量一個國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。大型鍛件的國產(chǎn)化，對于大幅降低關(guān)重設(shè)備建造成本，提高關(guān)重設(shè)備制造水平和國際競爭力具有重要意義。

大型不銹鋼鍛件多應(yīng)用于核電領(lǐng)域的核心部件，形大體重，使用環(huán)境惡劣，產(chǎn)品質(zhì)量要求嚴(yán)格。同時，生產(chǎn)數(shù)量少，難以實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，質(zhì)量保證技術(shù)明顯區(qū)別于批量化大規(guī)模生產(chǎn)的小型鍛件。因此，大型不銹鋼鍛件制造過程的質(zhì)量保證十分重要。

1 大型不銹鋼鍛件的生產(chǎn)特點(diǎn)

大型不銹鋼鍛件的生產(chǎn)制造存在“工藝環(huán)節(jié)多，制造周期長”特點(diǎn)，最終產(chǎn)品質(zhì)量受眾多因素的影響，是一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程。高品質(zhì)大型不銹鋼鍛件的生產(chǎn)主要包括材料技術(shù)、煉鋼技術(shù)、鍛造技術(shù)、熱處理技術(shù)等基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。每個技術(shù)環(huán)節(jié)由若干配套參數(shù)所組成，例如鍛造技術(shù)包括始鍛溫度、變形量、終鍛溫度、加熱溫度、加熱時間、砧寬比、翻料和走砧方式等參數(shù)，各參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響。大型不銹鋼鍛件各技術(shù)環(huán)節(jié)涉及的內(nèi)容和項(xiàng)目與小型鍛件相同，其主要差別在于以下方面：①裝備配套能力要求高；②全流程工藝技術(shù)方案難度大；③進(jìn)行材料基礎(chǔ)共性技術(shù)研究的必要性。

3 影響大型不銹鋼鍛件質(zhì)量的因素

3.1 裝備配套能力

大型鍛件的生產(chǎn)流程長，包括煉鋼、鍛造、熱處理和機(jī)加工等。其中，鍛造能力是核心，煉鋼、熱處理、機(jī)加工設(shè)備能力的往往都需要匹配鍛造工序的裝備能力?！肮び破涫拢叵壤淦鳌?，對于變形抗力大的高合金不銹鋼大型鍛件來說，裝備配套能力顯得尤為重要。為保證大型不銹鋼鍛件的最終產(chǎn)品質(zhì)量，首先應(yīng)優(yōu)先選用大噸位壓機(jī)。目前國內(nèi)壓機(jī)最大壓力1.85萬噸，位居世界首位。我國自由鍛壓機(jī)的等級和數(shù)量，已躍居世界前列。另外，國內(nèi)各大重機(jī)廠也已完成大型鍛造操作機(jī)、加熱爐、熱處理爐等配套裝備的升級改造。從裝備配套能力上來說，我國已遠(yuǎn)超日本JSW、法國CREUSOT、韓國DOOSAN，成為世界自由鍛件生產(chǎn)大國，具備生產(chǎn)大型不銹鋼鍛件的前提條件[1]。

3.2 全流程工藝技術(shù)方案

3.2.1 煉鋼技術(shù)

獲取純凈化、大尺寸的不銹鋼錠是保證大型不銹鋼鍛件成品均勻性的重要因素之一。大型不銹鍛件可以采用實(shí)心鋼錠、空心鋼錠和電渣重熔鋼錠制備，三種鋼錠的制備工藝過程不同，技術(shù)難點(diǎn)也各不相同。根據(jù)AP1000主管道國產(chǎn)化研制的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)反饋，國內(nèi)制造廠制備的電渣重熔鋼錠略勝一籌[2]。特別指出，日本JSW在上世紀(jì)八十年代采用大型鋼包精煉技術(shù)配套二次真空脫氣方法，制造了“文殊”快堆用超大型304不銹鋼鍛件（外徑9米，壁厚330mm）。

3.2.2 鍛造技術(shù)

眾所周知，合金元素含量高的不銹鋼材料可鍛溫度區(qū)間窄，變形抗力大，裂紋敏感性強(qiáng)。因此，為實(shí)現(xiàn)“成形和改性”的工藝目標(biāo)，大型不銹鋼鍛造技術(shù)對工藝細(xì)節(jié)的要求更為嚴(yán)格，應(yīng)有效利用工藝仿真的計算結(jié)果。通過采取改變鋼錠形狀、使用新型保溫方式（液體保溫材料）、合理控制變形量（先輕壓后重壓）、設(shè)計專用工裝輔具等措施，可以有效控制大型不銹鋼材質(zhì)的鍛造開裂，主管道異形件成形，晶粒粗大等問題。

3.2.3 熱處理技術(shù)

熱處理是決定產(chǎn)品各項(xiàng)性能的重要環(huán)節(jié)。對于沒有相變，無法通過固溶熱處理細(xì)化晶粒的大型不銹鋼鍛件來說，大型熱處理爐溫度的均勻性、工件出爐到入水時間、起吊和急冷過程的變形量，淬火介質(zhì)穩(wěn)定性等過程控制是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

3.3 材料基礎(chǔ)共性技術(shù)的研究

3.3.1 成分優(yōu)化

化學(xué)成分是決定產(chǎn)品性能的重要因素，隨著C和N等間隙元素含量的增加，奧氏體不銹鋼強(qiáng)度增高，但是韌性顯著下降。同時，δ-鐵素體的析出傾向也與C、N元素的配比有關(guān)，影響長時性能。因此，C、N元素的匹配和δ-鐵素體的控制是奧氏體不銹鋼成分優(yōu)化的關(guān)鍵。同時，化學(xué)成分直接影響大型不銹鋼鍛件的可鍛性。合金元素對奧氏體不銹鋼的高溫塑性有很大的影響，銅、錫、銻、砷、硫、磷是不利于后續(xù)鍛造性能的元素，應(yīng)嚴(yán)格控制。

依據(jù)成分優(yōu)化的結(jié)果，在大型不銹鋼鍛件的工程實(shí)踐中應(yīng)采用合適的煉鋼工藝路線，嚴(yán)格控制原材料和冶金輔料。在滿足高純凈化大型不銹鋼錠冶煉質(zhì)量要求的前提下，綜合考慮煉鋼工藝路線的經(jīng)濟(jì)性。

3.3.2 工藝設(shè)計與仿真

大型不銹鋼鍛件價格高，生產(chǎn)周期長，一旦報廢損失慘重。利用計算機(jī)工藝設(shè)計與仿真技術(shù)可以在不增加資金投入的前提下，進(jìn)行多工藝參數(shù)優(yōu)選，降低制造風(fēng)險，確保大型不銹鋼鍛件的制造成功。

工藝設(shè)計與仿真是大型不銹鋼鍛件工程實(shí)踐中變形方式、參數(shù)確定（變形量、變形溫度）、輔具結(jié)構(gòu)設(shè)計、操作方式等工藝細(xì)節(jié)確定的輸入條件，將直接影響后續(xù)產(chǎn)品制造的成敗，應(yīng)符合“真實(shí)性、完整性、系統(tǒng)性、一致性”的質(zhì)量要求。

4 結(jié)語

對于大型不銹鋼鍛件的質(zhì)量保證來說，“擁有配套裝備能力是前提，確定全流程工藝參數(shù)是關(guān)鍵，掌握材料基礎(chǔ)特性是基礎(chǔ)”。同時，大型不銹鋼鍛件的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，不可預(yù)見因素多，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測”均應(yīng)處于良好狀態(tài)，才能保證最終產(chǎn)品質(zhì)量。