一种铁素体不锈钢及其生产阀碟锻件的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种铁素体不锈钢及其生产阀碟锻件的制造方法，包括(1)制造电极棒，(2)电极棒经过除锈、打磨、清理后再经电渣重熔炉熔炼为电渣重熔钢锭，(3)电渣钢锭根据工艺要求将电渣钢锭的底部引弧板和冒口端不良材料锯掉获得坯料，搁置在加热炉内加热，(4)将获得的电渣钢锭进行锻造，采用三墩三拔变形锻造工艺，(5)将锻件进行锻后热处理，采用正火过冷和扩氢热处理工艺，(6)将经锻后热处理的锻件进行粗加工，(7)采用超声波对粗加工后的锻件进行探伤检测；(8)再次对锻件热处理，(9)再次进行粗加工并用超声波探伤和磁粉无损检测；(10)最后对取样锻件理化检测，理化检测合格后入库。本发明提高了高温强度、抗氧化抗腐蚀性并有良好的抗辐射性能和低温性能。
【专利说明】一种铁素体不锈钢及其生产阀碟锻件的制造方法
[【技术领域】]
[0001] 本发明涉及一种铁素体不锈钢13Cr9Mo2ColNiVNbNB钢及其生产阀碟锻件的制造 方法。
[【背景技术】]
[0002] 上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂研发燃气轮机新产品中的重要零件 阀碟。要求要有稳定的热强性能和良好的冲击性能，特别是要求零件在620°C时在应力 为210Mpa下高温持久强度的断裂时间彡500h，其伸长率彡15%。为此本公司开发研制 13Cr9MoColNiVNbNB钢，以满足阀碟锻件的技术要求。
[0003] 此种钢是本公司在美国ASME标准钢号10Cr*MolVNb钢的基础上研发的。在其原 来的化学成分上进行了调整加入了 Co、B、N合金元素以便提高高强度、抗氧化抗腐蚀性能 并由良好的抗辐射性能。从化学成分来看属于铁素体类型的耐热不锈钢具有更稳定的热强 性能和良好的冲击性能，许用应力高于奥氏体不锈钢。阀碟锻件技术要求很高，制造生产的 技术难度很大。
[
【发明内容】
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[0004] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，对13Cr9Mo2ColNiVNbNB铁素体不 锈钢的化学成分进行优化组合，提出最佳合金成分配比，也练出最佳成分的本钢种，用于生 产阀碟锻件；经特定工艺方法制造出燃气轮机的主要零件阀碟。使其综合性能符合上海电 气电站设备有限公司上海汽轮机厂采购规格书中的技术要求。
[0005] 为实现上述目的，设计一种铁素体不锈钢，其特征在于，对化学成分中合金元素组 分配比进行优化组合，获得最佳合金元素组分配比，所述最佳合金元素组分配比如下，以化 学成分重量的百分比计算：
[0006] C 含量：0. 12-0. 15 Al 含量：彡0.010 Si 含量：彡0. 10 N 含量：0. 015-0. 030 Mn 含量：0.30-0. 50 Nb 含量：0. 04-0. 06 P 含量：彡0.010 B 含量：80-IOOppm S 含量：<0.005 Cu 含量：<0.15 Cr 含量：9. 00-9. 40 As 含量：0. 020 Mo 含量：1.40-1.60 Sb 含量：0.0015 Ni 含量：0. 10-0. 20 Sn 含量：0. 015 Co 含量：0.90-1.10 V含量：0. 15-0. 25 Ippm=I X 10'
[0007] 其中，C含量在0. 13-0. 14内取值，0、11〇、附、(：〇、￥、吣含量取值接近上限，？、5含 量取值越低越好，有害元素 As、Sb、Sn含量取值越低越好。
[0008] 上述铁素体不锈钢生产阀碟锻件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009] (1)制造电极棒：将所述铁素体不锈钢置于真空自耗感应炉内，在真空条件下，通 过真空自耗感应炉的中频感应加热，使铁素体不锈钢熔融冶炼成钢水，并在真空条件下通 过钢锭模浇铸成电渣重熔的电极棒；由于真空自耗感应炉的炉料都是精料夹杂物很少并在 真空状态下熔炼有害气体在真空中被排出，因此电极棒材料的纯净度极高，气体含量极低。 [0010] ⑵将步骤⑴浇铸完成的电极棒，经过除锈、打磨、清理后再经电渣重熔炉熔炼 为电渣重熔钢锭，重熔时电渣重熔炉的电压设定为90V，功率设定为0. 42kw/cm，冷却水进 水口温度为常温，出水口温度彡90°C ;
[0011] ⑶将步骤⑵获得的电渣钢锭，根据工艺要求将电渣钢锭的底部引弧板和冒口 端不良材料锯掉获得坯料，搁置在加热炉内加热，加热起始温度为500°C，均温保持6h，以 彡80°C /h的速度升至850°C，均温保持2h，再次以彡80°C /h的速度升至1170°C ±10°C， 并均温保持2h后锻造；
[0012] (4)将步骤（3)获得的电渣钢锭进行锻造，采用三墩三拔变形锻造工艺，锻件的始 锻温度1160°C，终锻温度830°C，并在胎膜内成形；
[0013] (5)将步骤（4)中的锻件进行锻后热处理，采用正火过冷和扩氢热处理工艺，待料 初始温度彡700°c，以彡100°C /h的速率升温至1000°C ± KTC，均温240min，开炉门冷却至 680°C ±10°C，均温 360min，再次冷却至 310°C ±10°C，均温 240min，升温至 720°C ±10°C， 均温55h后，待炉冷至彡120°C后出炉空冷；
[0014] (6)将步骤（5)中经锻后热处理的锻件进行粗加工，表面的粗糙度要达到Rq 16. 3 ；
[0015] (7)采用超声波对粗加工后的锻件进行探伤检测；
[0016] (8)再次对锻件热处理，由淬火与高温回火两步组成，淬火：1100±10°C，保温4h， 油冷至〈80°C ;高温回火：第一次回火570°C，保温4h，空冷；第二次回火700°C，保温4h，空 冷；
[0017] (9)再次进行粗加工并用超声波探伤和磁粉无损检测；
[0018] (10)最后对取样锻件理化检测，理化检测合格后入库。
[0019] 坯料进炉时，搁置在加热炉炉膛底板的垫料上，从第二火起在高温1160°C下保温 时间以锻胚直径每毫米30秒计算。
[0020] 所述三墩三拔变形工艺步骤如下：
[0021] (1)下料，Φ400mmX 1140mm 电禮:钢淀；
[0022] (2)第一次镦粗，560_ 高；
[0023] (3)第一次拔长，Φ400mmX 1140mm ；
[0024] (4)第二次缴粗，560mm 高；
[0025] (5)第二次拔长，Φ 400mm X 1140mm ；
[0026] (6)第三次镦粗，560mm高；
[0027] (7)第三次拔长至Φ500ι?πιΧ 966mm，分料，头部长405mm，杆部长490mm ;
[0028] (8)末火次，拔长杆部至Φ 390mm，放入专用胎模镦锻；
[0029] (9)出模后镦粗杆部至锻件尺寸；
[0030] (10)修整，滚圆，锻至锻件所需尺寸。
[0031] 其中第一次拔长锻造比2. 4,第二次拔长锻造比2. 2,第三次拔长锻造比2. 1，第一 次镦粗锻造比2,第二次镦粗锻造比2. 1，第三次镦粗锻造比2. 2。
[0032] 本发明在10Cr9MolVnB钢的基础上加入Co、B、N多种合金元素，构成了 13Cr9M 〇2C〇lNiVNbNB的新钢种，提高了高温强度、抗氧化抗腐蚀性并有良好的抗辐射性能 和低温性能。为了保证强度要C元素含量取上限其原因每增加0. 01 % C元素含量其强度可 增加30Mpa，N也是增加强度的元素由于加入的量少，强度增加的不明显。化学成分的优化 是关键。此种钢的加热温度保温时间的参数是保证此种钢不断裂的前提合理的变形工艺、 一定的锻造比是保证锻件内部质量的关键，锻后热处理工艺是一定锻造比是保证锻件内部 质量的关键，锻后热处理的一次高温淬火和二次高温回火是确保锻件力学性能的关键，其 淬火温度、回火温度、保温时间的参数的确定是保证锻件质量的重要因素。本发明的阀碟 锻件经检验合格达到采购规范书中的各项指标和技术要求并已用于燃气轮机上。
[【专利附图】
【附图说明】]
[0033] 图1为本发明阀碟锻件粗加工图
[0034] 图2为本发明阀碟锻件图 [0035] 图3为本发明阀碟锻件的取样图
[0036] 图4为本发明阀碟锻件加热工艺曲线
[0037] 图5为本发明阀碟锻件锻造变形工艺流程图
[0038] 图6为本法阀碟锻件锻后热处理工艺曲线
[0039] 图7为本发明阀碟锻件最终热处理工艺曲线
[0040] 图8为本发明阀碟锻件制造生产流程图
[【具体实施方式】]
[0041] 实施例
[0042] 一，试制锻件的零件图号和名称，E195. 30. 60. 14+1阀碟，1505Kg ;
[0043] 二，钢锭熔炼工艺及试制锻件的原材料熔炼炉号及化学成分
[0044] 1，钢锭熔炼工艺：真空自耗十电渣重熔
[0045] 2,原材料熔炼炉号：391-394
[0046] 3,化学成分：
[0047] C :0· 12, Si 彡 0· 07, Mn :0· 45, P :0· 004, S :0· 002, Cr :9· 10, Mo :1· 50, Ni :0· 15， Co ：1. 17,V ：0. 20, Al ：0. ΟΙΟ,Ν ：0. 020, Nb ：0. 06, B ：70ppm,Cu ：0. 04, As ：0, 010, Sb ：0. 0010, Sn :0. 006, Ti :0. 010
[0048] 三，铁素体不锈钢生产阀碟锻件的制造方法
[0049] (1)制造电极棒：将所述铁素体不锈钢置于真空自耗感应炉内，在真空条件下，通 过真空自耗感应炉的中频感应加热，使铁素体不锈钢熔融冶炼成钢水，并在真空条件下通 过钢锭模浇铸成电渣重熔的电极棒；
[0050] (2)将步骤（1)浇铸完成的电极棒，经过除锈、打磨、清理后再经电渣重熔炉熔炼 为电渣重熔钢锭，重熔时电渣重熔炉的电压设定为90V，功率设定为0. 42kw/cm，冷却水进 水口温度为常温，出水口温度彡90°C ;
[0051] (3)将步骤⑵获得的电渣钢锭，根据工艺要求将电渣钢锭的底部引弧板和冒口 端不良材料锯掉获得坯料，搁置在加热炉内加热，坯料进炉时，搁置在加热炉炉膛底板的垫 料上，加热起始温度为500°C，均温保持6h，以> 80°C /h的速度升至850°C，均温保持2h， 再次以>80°C/h的速度升至1170°C ±10°C，并均温保持2h后锻造，从第二火起在高温 1160°C下保温时间以锻胚直径每毫米30秒计算；详见附图4 ;
[0052] (4)将步骤（3)获得的电渣钢锭进行锻造，采用三墩三拔变形锻造工艺，锻件的始 锻温度1160°C，终锻温度830°C，并在胎膜内成形；
[0053] 上述三墩三拔变形工艺步骤如下：
[0054] (a)下料，Φ 400mm X 1140mm 电禮:钢淀；
[0055] (b)第一次缴粗，560mm高；第一次缴粗锻造比2
[0056] (c)第一次拔长，Φ400ι?πιΧ 1140mm ;第一次拔长锻造比2. 4
[0057] (d)第二次镦粗，560mm高；第二次镦粗锻造比2. 1
[0058] (e)第二次拔长，Φ400ι?πιΧ 1140mm ;第二次拔长锻造比2· 2
[0059] (f)第三次镦粗，560mm高；第三次镦粗锻造比2. 2
[0060] (g)第三次拔长至Φ500ι?πιΧ 966mm，分料，头部长405mm，杆部长490mm ;第三次拔 长锻造比2. 1
[0061] (h)末火次，拔长杆部至Φ 390mm，放入专用胎模镦锻；
[0062] (i)出模后镦粗杆部至锻件尺寸；
[0063] (j)修整，滚圆，锻至锻件所需尺寸。
[0064] (5)将步骤（4)中的锻件进行锻后热处理，采用正火过冷和扩氢热处理工艺，参见 附图6,待料初始温度彡700°C，以彡100°C /h的速率升温至1000°C ±10°C，均温240min， 开炉门冷却至680°C ±10°C，均温360min，再次冷却至310°C ±10°C，均温240min，升温至 720°C ±10°C，均温55h后，待炉冷至彡120°C后出炉空冷；
[0065] (6)将步骤（5)中经锻后热处理的锻件进行粗加工，表面的粗糙度要达到Rq 16. 3,如图1所示；
[0066] (7)采用超声波对粗加工后的锻件进行探伤检测；
[0067] (8)再次对锻件热处理，由淬火与高温回火两步组成，参见附图7，
[0068] 淬火：1100±101：，保温411，油冷至〈801：;
[0069] 高温回火：第一次回火570°C，保温4h，空冷；
[0070] 第二次回火700°C，保温4h，空冷；
[0071] (9)再次进行粗加工并用超声波探伤和磁粉无损检测；
[0072] (10)图3所示，最后对取样锻件理化检测，理化检测合格后入库。
[0073] 从各组性能数据可以看出，常温力学性能和高温瞬时性能均合格。试制锻件的金 相组织、夹杂物、S -铁素体、晶粒度均合格达到釆购规格书的技术要求。
[0074] 1力学性能：
[0075] 屈服强度σ 〇· 2彡680_780Mpa，抗拉强度σ b彡950Mpa，断面收缩率σ彡13%， 延伸率Ψ彡40%，冲击值Akv彡24J，脆性转变温度FATT < 80°C，布氏硬度HB :250-300
[0076] 2高温瞬间性能：
[0077] 试验温度在600°C时，屈服强度σ 〇. 2彡345Mpa，抗拉强度σ b彡395Mpa，断面收 缩率σ > 18%，延伸率Ψ > 65%
[0078] 3高温持久强度
[0079] 试验温度在600°C时，应力在210Mpa下高温持久断裂时间彡500h，其伸长率 σ 彡 15%。
【权利要求】
1. 一种铁素体不锈钢，其特征在于，对化学成分中合金元素组分配比进行优化组合，获 得最佳合金元素组分配比，所述最佳合金元素组分配比如下，以化学成分重量的百分比计 算：
2. 根据权利要求1所述的一种铁素体不锈钢，其特征在于，C含量在0. 13-0. 14内取 值，Cr、Mo、Ni、Co、V、Nb含量取值接近上限，P、S含量取值越低越好，有害元素As、Sb、Sn含 量取值越低越好。
3. -种利用如权利要求1所述铁素体不锈钢生产阀碟锻件的制造方法，其特征在于， 包括以下步骤： (1) 制造电极棒：将所述铁素体不锈钢置于真空自耗感应炉内，在真空条件下，通过真 空自耗感应炉的中频感应加热，使铁素体不锈钢熔融冶炼成钢水，并在真空条件下通过钢 锭模浇铸成电渣重熔的电极棒； (2) 将步骤（1)浇铸完成的电极棒，经过除锈、打磨、清理后再经电渣重熔炉熔炼为电 渣重熔钢锭，重熔时电渣重熔炉的电压设定为90V，功率设定为0. 42kw/cm，冷却水进水口 温度为常温，出水口温度彡90°C ; (3) 将步骤（2)获得的电渣钢锭，根据工艺要求将电渣钢锭的底部引弧板和冒口端 不良材料锯掉获得坯料，搁置在加热炉内加热，加热起始温度为500°C，均温保持6h，以 彡80°C /h的速度升至850°C，均温保持2h，再次以彡80°C /h的速度升至1170°C ±10°C， 并均温保持2h后锻造； (4) 将步骤（3)获得的电渣钢锭进行锻造，采用三墩三拔变形锻造工艺，锻件的始锻温 度1160°C，终锻温度830°C，并在胎膜内成形； (5) 将步骤（4)中的锻件进行锻后热处理，采用正火过冷和扩氢热处理工艺，待料初 始温度彡700°C，以彡100°C /h的速率升温至1000°C ±10°C，均温240min，开炉门冷却至 680°C ±10°C，均温 360min，再次冷却至 310°C ±10°C，均温 240min，升温至 720°C ±10°C， 均温55h后，待炉冷至彡120°C后出炉空冷； (6) 将步骤（5)中经锻后热处理的锻件进行粗加工，表面的粗糙度要达到Rq 16.3; (7) 采用超声波对粗加工后的锻件进行探伤检测； (8) 再次对锻件热处理，由淬火与高温回火两步组成，淬火：1100± KTC，保温4h，油冷 至〈80°C ;高温回火：第一次回火570°C，保温4h，空冷；第二次回火700°C，保温4h，空冷； (9) 再次进行粗加工并用超声波探伤和磁粉无损检测； (10) 最后对取样锻件理化检测，理化检测合格后入库。
4. 根据权利要求3所述的铁素体不锈钢生产阀碟锻件的制造方法，其特征在于，坯料 进炉时，搁置在加热炉炉膛底板的垫料上，从第二火起在高温1160°C下保温时间以锻胚直 径每毫米30秒计算。
5. 根据权利要求3所述的铁素体不锈钢生产阀碟锻件的制造方法，其特征在于，所述 三墩三拔变形工艺步骤如下： (1) 下料，〇400mmX 1140mm 电禮:钢淀； (2) 第一次镦粗，560mm高； (3) 第一次拔长，O400mmX 1140mm ； (4) 第二次镦粗，560mm高； (5) 第二次拔长，O 400mm X 1140mm ； (6) 第三次镦粗，560mm高； (7) 第三次拔长至O 500mmX 966mm，分料，头部长405mm，杆部长490mm; (8) 末火次，拔长杆部至〇 390mm，放入专用胎模镦锻； (9) 出模后镦粗杆部至锻件尺寸； (10) 修整，滚圆，锻至锻件所需尺寸。
6. 根据权利要求5所述的铁素体不锈钢生产阀碟锻件的制造方法，其特征在于，其中 第一次拔长锻造比2. 4,第二次拔长锻造比2. 2,第三次拔长锻造比2. 1，第一次镦粗锻造比 2,第二次镦粗锻造比2. 1，第三次镦粗锻造比2. 2。
【文档编号】C22C38/60GK104498843SQ201410838495
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月26日 优先权日:2014年12月26日
【发明者】李国宪, 张汝祥, 周丽明, 周超 申请人:上海申江锻造有限公司