阀体锻件制造工艺的研究

1、概述
    用于特殊工况的阀体锻件其使用安全等级为核一级,质保一级,设计使用寿命达30年。因此要求阀体用高性能不锈钢锻件,应该具有高纯度、低缺陷、低偏析、细晶粒和优良的高温机械性能以及良好的耐蚀性,同时具有一定比例的α相存在。但是,现有奥氏体钢的力学性能无法满足制造工艺的技术要求,所以研究其制造工艺是非常重要的。
2、冶炼
    阀体锻件对钢的化学成分有严格的要求(表1)。选用镍板的钴含量应<0.050%,对基本炉料严格控制微量元素Zn、Sn、Sb、Bi和As〔1〕,以保证钢的高温强度和防止低熔点共晶相而引起的热脆性。将电弧炉熔化后的钢液转入 VOD 炉精炼。冶炼中, 真空缶的压力为 0.13×10³～0.2×10³Pa ,根据不同熔炼期碳含量变化相应调整氧的吹入量。氧的吹入量控制在600～400nm3/h。在钢液中的碳接近0.05%时停止吹氧,通入氩气搅拌,促进钢液中[C]和[O]反应,使钢液中的[C]小于0.04%,钢液中的氮随着氩气泡的形成而一同逸出钢液,从而达到降氮效果。用氧浓差电极测定钢中[O]含量为0.038%,将造渣材料CaO、CaF和还原剂Si-Ca先后加入钢液中, 在还原结束时钢液中加入铝终脱氧,经15min 脱氧后测定钢液中[O]含量是为0.002%。在VOD炉冶炼中达到了降碳脱氧和去除钢液中氮的效果。在浇注中采用了防护与滤渣相关措施铸成4t重的八角锭。对VOD炉冶炼的钢锭取样分析(表2),钢锭的化学成分满足工艺要求。

3 　锻造
    由于含钛的奥氏体不锈钢在浇注时钢液的流动性较差,影响钢锭的表面质量 , 也给锻造带来一定困难。阀体锻件用的奥氏体不锈钢要求具有4%～12%的α相,由于α和γ两种相的高温形变抗力不同,在锻造过程中如果锻造温度和锻比控制不当很容易在相界产生内部裂纹而使锻件报废。所以选择合理的锻造温度与锻比尤为重要。

    锻造前,将钢锭表面打磨光亮装炉加热。在高温下长时间加热(图1)使合金元素充分进行动态迁移,使钢锭的化学成分趋向均匀, 避免锻后合金成分偏析,以保证α相的稳定性和锻件机械性能的均匀性。铁素体的存在能引起α- γ之间的相间隔强化,提高钢的抗拉强度和屈服强度〔2〕。在锻造加热中游离的铁素体会促进钢中α相增加〔3〕,同时钢中的α相将有一部分转变成γ相〔4〕。奥氏体不锈钢的晶粒尺寸也是影响屈服强度的重要因素,其强化规律遵循Hall-Petch公式,屈服强度与晶粒直径D- 1/ 2成正比。经分析, 在锻造中采用形变与再结晶工艺(图2),分5火次锻成阀体锻件,总锻比>6,终锻温度≥900℃,水冷。

4 　试样测试
    金相试样和力学性能试样均取自经过1 050℃×5h固溶处理水冷后的本体件上。试样经抛光和化学试剂腐蚀后在金相显微镜下观察金相组织及夹杂物。金相检验依据 GB/T 13305-1991《奥氏体不锈钢中α-相面积含量金相测定法》、GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》和GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定法》评定。锻件金相试样在显微镜下观察有少量氧化物存在 , 仅在个别微区存在弥散分布的微量Ti(N、C)细小夹杂物 , 因此锻件具有较高的纯净度,而且组织均匀,晶粒度达6级(图3)。

　　由于在冶炼时将钢液中的氧控制在较低水平 ,结合浇注过程中采用防护与滤渣相关措施,减少了生成氧化物的可能性 , 因此在金相显微镜下观察有少量氧化物的存在。钢液中钛的存在易与氮或碳结合生成微量的Ti(N、C)细小夹杂物(图4,表3)。

　　晶间腐蚀试样经650℃±10℃的敏化处理,保温2h后空冷。依据GB 4334 1 5-2000《不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法》进行晶间腐蚀试验,试样经腐蚀后双面冷弯180°,放大10倍观察弯曲表面无晶间腐蚀裂纹。
　　标准拉伸试样是在AG- 5000A和DCS-25T试验机上进行拉伸测试,标准冲击试样是在JB-30B试验机上进行试验。试样在高温及室温下的机械性能见表4,阀体锻件对机械性能要求见表 5 。

　　通过对阀体进行100%的超声波探伤和液体渗透探伤均未发现大于Φ1.6mm当量的缺陷,质量完全达到了核工程的技术要求。

5 结语
    经过大量的试验,研制出高性能的0Cr18Ni10Ti钢制造的阀体锻件,该锻件由于采用形变与再结晶工艺,使锻造中产生的大量位错得以保留,为获得均匀的组织和细小的晶粒创造了有利条件。另外,在制造工艺中除了从原材料控制微量元素Zn、Sn、Sb、Bi和As外,应对钢中间隙元素C、N和O加以限制。在浇注时采取防护及滤渣等工艺防止氧化物的产生和夹杂物进入钢中,保证了锻件具有高纯度和较高的综合性能,验证了冶金工艺和锻造工艺的合理性。
参考文献
〔1〕唐纳德·皮克纳.不锈钢手册〔M〕.北京: 机械工业出版社,1990.
〔2〕Journal of the Iron and Steel Institute , July 1969.
〔3〕中国机械工程学会锻造学会.锻压手册 第一卷〔M〕.北京: 机械工业出版社,1990.
〔4〕美国金属学会.金属手册,第九版,第三卷〔M〕.北京:机械工业出版社 , 1990.
〔5〕Journal of the Iron and Steel Institute , October , 1971.