一种高温用奥氏体不锈钢大规格锻件铁素体消除技术的制作方法

1.本发明涉及不锈钢锻造技术领域，尤其涉及一种高温用奥氏体不锈钢大规格锻件铁素体消除技术。


背景技术：

2.随着我国综合国力的发展，伴随着问题就是我国有着巨大的能源缺口，导致国家对清洁能源的需求与日俱增，核电重型容器设备的自主制造有力的保证了国家能源安全。国内核电正向着更安全，更可靠，更高效的第四代核电堆型发展，新的堆型对设备材料及机械性能提出了更高的要求。目前第四代核电堆核心部件以高温用奥氏体不锈钢锻件为主。该部件处于液态钠冷却液中，高温运行过程中，铁素体将发生转变，产生钠腐蚀现象，使核电设备运行失稳，造成严重的核电事故。
3.传统奥氏体不锈钢为纯奥氏体组织，相对提高了镍当量，降低了铬当量，在晶间腐蚀敏化试验过程中易析出碳化物，形成贫铬区，降低了抗晶间腐蚀能力，造成晶间腐蚀的不合格。其次，不论选用何种冶炼工艺，钢液浇铸凝固过程中存在成分偏析，该偏析的存在使原材料中局部形成铁素体。对于大直径钢锭，不论电渣锭还是电炉锭，铸锭时局部凝固速率降低，偏析元素的偏析倾向增加，钢锭心部位置易形成铁素体，该铁素体在后续锻造过程中也很难消除。
4.同时对于高温用奥氏体不锈钢锻件，由于奥氏体钢组织中存在条带状铁素体，在锻造过程中，容易导致锻件边缘出现大量热裂纹。因此如何解决高温用奥氏体不锈钢锻件的铁素体含量问题，影响着核电设备的运行安全关键因素。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种高温用奥氏体不锈钢大规格锻件铁素体消除技术，其优点在于完全消除大钢锭在冶炼过程中因成分偏析、冷速不均等产生的铁素体，提高锻件的各方面属性，提高锻件的长时使用寿命。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种高温用奥氏体不锈钢大规格锻件铁素体消除技术，其特征在于，包括以下步骤：
8.步骤s1：原材料冶炼；
9.步骤s2：锻造加热，包括三个工步：(1)、锻件入炉预热；(2)、锻件匀速升温；(3)、锻件保温；
10.步骤s3：锻件锻造，锻造过程包括七个火次：
11.(1)第一火次：锻造温度为1200～1230℃，将钢锭依次轻滚外圆拔长、镦粗，保证终锻温度≥850℃，之后锻件加热保温；
12.(2)第二火次：将锻件拔长，锻造温度为1130～1160℃；
13.(3)第三火次：将钢锭镦粗，锻造温度为1130～1160℃；
14.(4)第四火次：将锻件拔长，锻造温度为1140～1160℃；
15.(5)第五火次：将钢锭镦粗，锻造温度为1140～1160℃；
16.(6)第六火次：将锻件拔长，锻造温度为1120～1160℃；
17.(7)第七火次：将钢锭先平板镦粗，再双面旋压镦粗，锻造温度为1120～1160℃；
18.步骤s4：热处理，包括工步：
19.(1)锻后入水处理：锻件完成锻造后，快速入水，转运时间≤90s，水冷至室温。
20.(2)对锻件进行机械粗加工；
21.(3)固溶过程；固溶过程保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～2.4min；保温结束后出炉快速转运入水，转运时间≤3min；
22.步骤s5：对锻件进行机械精加工。
23.进一步的，在步骤s2中，(1)、锻件入炉预热，保证锻件入炉温度≤500℃；(2)、锻件升温速率控制在＜150℃/h；(3)、分阶段进行保温，第一阶段保温温度为850℃；第二阶段保温温度为1230℃。
24.进一步的，在步骤s3的第一火次中，锻件的拔长比＞1.3；镦粗比＞2.0；锻件加热保温过程中，包括第一阶段加热：钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1230℃
±
15℃后保温≥90h，第二阶段加热：锻件降温至1160℃
±
15℃进行保温。
25.进一步的，在步骤s3的第二火次中，终锻温度≥850℃，fm法拔长，拔长比＞2.2。
26.进一步的，在步骤s3的第三火次中，终锻温度≥850℃，上下平板镦粗，镦粗比＞2.2。
27.进一步的，在步骤s3的第四火次中，终锻温度≥850℃，上下平砧法拔长，拔长比＞2.2。
28.进一步的，在步骤s3的第五火次中，终锻温度≥850℃，上下平板镦粗，镦粗比＞2.2。
29.进一步的，在步骤s3的第六火次中，终锻温度≥850℃，上下平砧法拔长，拔长比＞2.2。
30.进一步的，在步骤s3的第七火次中，终锻温度≥800℃，总镦粗比＞4.5。
31.一种高温用奥氏体不锈钢大规格锻件，。
32.通过采用上述技术方案，包括按重量百分比计数的元素：c：0.04～0.05％，mn：1.5～1.9％，p：≤0.002％，s≤0.003％，si：0.2～0.5％，cr：17.1～17.6％，ni：11.5～12.5％，mo：2.5～3.0％，cu：≤0.1％，b：≤0.0018％,v：0.03～0.05％,co：≤0.05％，nb+ta：≤0.15％，o：≤35ppm，h：≤5ppm，余量为fe及杂质。
33.综上所述，本发明具有以下有益效果：
34.1.锻造温度设置在在奥氏体相与高温铁素体相平衡温度点附近，进行长时间高温扩散，改善成分偏析的同时，使高温铁素体转变为奥氏体，有效消除铁素体，降低由于铁素体导致锻造开裂风险，并且由于体素体的消除，保证该材质锻件在高温运行工况下抗钠液腐蚀能力，进而大大提高了产品合格率。
35.2.本发明通过调整了c，cr，ni，si，v，mo，n含量，根据相图以及铬镍当量含量进行调整，尽可能保证原材料为纯奥氏体组织，通过ef+aod/vod+esr冶炼工艺，极大提高了钢锭的纯度，精确控制气体含量，有效提高产品综合力学性能。
36.3.本发明通过锻造高温长时加热步骤，有效减少了钢锭中自由铁素体组织，优化了钢锭的锻造性能；
37.4.本发明通过锻造高温长时加热，搭配多火次三向变形，可降低成分偏析，有效消除残余铁素体。
38.5.本发明的锻造包括七个火次过程，第一火次使得钢锭表面组织由铸态变为锻态，消除皮下缺陷，保证了钢锭的热加工性能。
39.6.本发明通过多火次大变形量锻造，以大锻比变形改善钢的内部质量，消除铸态组织。使得锻件内部组织均匀，消除锻件性能各向异性。
40.7.本发明通过控制火次间的加热及终锻温度，以及每火次的变形量使锻件晶粒度更加细化。锻件晶粒细化可提高各方面性能如提高韧性，增加抗疲劳性从而提高使用寿命；
41.8.本发明在性能热处理步骤中，通过高温固溶，使内部组织更加均匀，析出相充分固溶，提高锻件性能的同时，保证了抗晶间腐蚀性能。
附图说明
42.图1是高温用奥氏体不锈钢大规格锻件铁素体消除技术的步骤示意图；
43.图2是高温用奥氏体不锈钢平衡温度点模拟图。
44.图3是锻件的微观显微图。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的装置作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
46.实施例1：
47.一种高温用奥氏体不锈钢大规格锻件铁素体消除技术，如图1所示，包括以下步骤：
48.步骤s1：原材料冶炼。具体的，对原材料进行ef+aod/vod+esr的处理过程。锻件中各化学元素的成份重量百分比为：c：0.04～0.05％，mn：1.5～1.9％，p：≤0.002％，s≤0.003％，si：0.2～0.5％，cr：17.1～17.6％，ni：11.5～12.5％，mo：2.5～3.0％，cu：≤0.1％，b：≤0.0018％,v：0.03～0.05％,co：≤0.05％，nb+ta：≤0.15％，o：≤35ppm，h：≤5ppm，余量为fe及杂质。如图2所示，钢锭实际化学成分，利用jmat软件拟合相图，从相图中可计算出奥氏体相与高温铁素体相的平衡温度点。
49.步骤s2：锻造加热。具体包括以下工步：(1)、锻件入炉预热，保证锻件入炉温度≤500℃；(2)、锻件匀速升温，锻件升温速率控制在＜150℃/h；(3)、锻件分阶段进行保温，第
一阶段保温温度为850℃；第二阶段保温温度为1230℃，每个保温阶段的保温时间与钢锭厚度正相关，每100mm厚度的钢锭加热1.5～2h。
50.步骤s3：锻件锻造，锻造过程包括七个火次：
51.(1)第一火次：锻造温度为1200℃，将钢锭依次轻滚外圆拔长、镦粗，保证终锻温度≥850℃，锻件的拔长比＞1.3；镦粗比＞2.0。之后锻件加热保温，包括第一阶段加热：钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1230℃
±
15℃后保温≥90h，第二阶段加热：锻件降温至1160℃
±
15℃进行保温，第二阶段加热时间与钢锭厚度正相关，每100mm厚度的钢锭加热1.5～2h。
52.(2)第二火次：将锻件拔长，锻造温度为1130℃，终锻温度≥850℃，fm法拔长，拔长比＞2.2。
53.(3)第三火次：将钢锭镦粗，锻造温度为1130℃，终锻温度≥850℃，上下平板镦粗，镦粗比＞2.2。
54.(4)第四火次：将锻件拔长，锻造温度为1140℃，终锻温度≥850℃，上下平砧法拔长，拔长比＞2.2。
55.(5)第五火次：将钢锭镦粗，锻造温度为1140℃，终锻温度≥850℃，上下平板镦粗，镦粗比＞2.2。
56.(6)第六火次：将锻件拔长，锻造温度为1120℃，终锻温度≥850℃，上下平砧法拔长，拔长比＞2.2。
57.(7)第七火次：将钢锭先平板镦粗，再双面旋压镦粗，锻造温度为1120℃，终锻温度≥800℃，总镦粗比＞4.5。
58.步骤s4：热处理，包括工步：
59.(1)锻后入水处理：锻件完成锻造后，快速入水，保证锻件出炉到入水的间隔时间≤3min；冷却水的水温≤30℃，锻件在流动水中冷却，转运时间≤90s，水冷至室温。
60.(2)对锻件进行机械粗加工。
61.(3)固溶过程；固溶过程保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～2.4min；保温结束后出炉快速转运入水，转运时间≤3min。
62.步骤s5：对锻件进行机械精加工。
63.实施例2：
64.与实施例1不同的步骤在于：
65.步骤s3：锻件锻造，锻造过程包括七个火次：
66.(1)第一火次：锻造温度为1220℃，将钢锭依次轻滚外圆拔长、镦粗，保证终锻温度≥850℃，之后锻件加热保温；
67.(2)第二火次：将锻件拔长，锻造温度为1140℃。
68.(3)第三火次：将钢锭镦粗，锻造温度为1140℃。
69.(4)第四火次：将锻件拔长，锻造温度为1150℃。
70.(5)第五火次：将钢锭镦粗，锻造温度为1150℃。
71.(6)第六火次：将锻件拔长，锻造温度为1140℃。
72.(7)第七火次：将钢锭先平板镦粗，再双面旋压镦粗，锻造温度为1140℃。
73.实施例3：
74.与实施例1不同的步骤在于：
75.步骤s3：锻件锻造，锻造过程包括七个火次：
76.(1)第一火次：锻造温度为1230℃，将钢锭依次轻滚外圆拔长、镦粗，保证终锻温度≥850℃，之后锻件加热保温；
77.(2)第二火次：将锻件拔长，锻造温度为1160℃。
78.(3)第三火次：将钢锭镦粗，锻造温度为1160℃。
79.(4)第四火次：将锻件拔长，锻造温度为1160℃。
80.(5)第五火次：将钢锭镦粗，锻造温度为1160℃。
81.(6)第六火次：将锻件拔长，锻造温度为1160℃。
82.(7)第七火次：将钢锭先平板镦粗，再双面旋压镦粗，锻造温度为1160℃。
83.锻件综合力学检测：
84.实验组：从实施例中随机抽取两个样品作为实验组。标准：asme sa-965。
85.1、冲击测试：结果见表1。
[0086][0087]
表1
[0088]
2、硬度检测：结果见表2。
[0089][0090]
表2
[0091]
3、室温性能检测：结果见表3。
[0092] 屈服强度抗拉强度断后伸长率断面收缩率验收要求≥226mpa≥515mpa3535实验组1285.8567.868.583.0实验组2288.7570.967.583.0
[0093]
表3
[0094]
4、350℃性能检测：结果见表4。
[0095]
[0096][0097]
表4
[0098]
4、450℃性能检测：结果见表5。
[0099] 屈服强度抗拉强度断后伸长率断面收缩率验收要求≥121mpa≥410mpa
‑‑
实验组1164.7464.453.076.0实验组2159.3464.453.076.0
[0100]
表5
[0101]
4、550℃性能检测：结果见表6。
[0102] 屈服强度抗拉强度断后伸长率断面收缩率验收要求≥116mpa≥396mpa
‑‑
实验组1148.3441.353.073.0实验组2156.6445.956.575.0
[0103]
表6
[0104]
4、580℃性能检测：结果见表7。
[0105] 屈服强度抗拉强度断后伸长率断面收缩率验收要求≥114mpa≥376mpa
‑‑
实验组1156.8428.453.575.0实验组2152.2422.056.076.0
[0106]
表7
[0107]
锻件微观检测：
[0108]
放大倍数：300倍。
[0109]
结论：如图3所示，300倍电子显微镜下，铁素体含量0％，并且在合金组织中没有见到开裂。
[0110]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0111]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。