羅玉立 劉小福 趙秀清 姜克云

(中國第二重型機械集團公司，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

(中國第二重型機械集團公司，四川618013)

某核電項目采用SA-705M Type 630 H1150(國標牌號0Cr17Ni4Cu4Nb)鋼制造密封部件，在生產過程中極易開裂。通過材料試驗、先行件的驗證性試驗研究，掌握了該鋼種的材料特點，成功生產出了核電密封部件。

SA-705M Type 630 H1150鋼；含銅鋼鍛件；裂紋

某核電項目反應堆泵用密封部件采用SA-705M Type 630 H1150(國標牌號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，被廣泛應用于壓力容器、飛行器和汽輪機葉片等領域。某核電項目采購規(guī)范要求Akv≥68 J，還要求側膨脹值及高溫力學性能等，而SA-705M標準規(guī)定僅為Akv≥41 J。同時由于該產品屬空心鍛件，材料利用率低，需采用16 t電渣鋼錠鍛制，鍛件重量達11 t，鍛件最大截面尺寸為?1 310 mm。之前國內生產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，無任何經驗可以借鑒。鋼錠噸位加大，極大地增加了該產品的生產難度。

1 技術要求及難點分析

SA-705M標準及采購規(guī)范對化學成分、力學性能等指標進行了嚴格的規(guī)定。

1.1 化學成分

SA-705M Type 630 H1150鋼化學成分要求見表1。

1.2 力學性能

力學性能及金相檢驗驗收指標見表2。

1.3 制造難點分析

1.3.1 技術要求高

核電項目采購規(guī)范嚴格規(guī)定了固溶溫度、時效溫度。根據SA-705M標準要求，在固溶溫度、時效溫度給定的條件下，如何確定更為精確、合理的熱處理參數保證強度指標和塑性指標難度相當大。

1.3.2 鍛件尺寸大

該材質鍛件重量超過10 t，鍛件最大截面超過?1 300 mm，如此大噸位鋼錠、大截面鍛件在國內尚屬首次制造，無任何經驗可以借鑒。

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含量達到了3%～5%。冶煉過程合金加入量大，冶煉需經VOD處理，冶煉時間長，對冶煉技術、生產組織、設備狀況等提出了相當高的要求。

表1 SA-705M Type 630 H1150鋼化學成分要求(質量分數，%)Table 1 Chemical compositions requirements for SA-705M Type 630 H1150 steel (mass fraction,%)

表2 力學性能及金相檢驗驗收指標Table 2 Acceptance index for mechanical properties and metallographic examination

1.3.4 變形及機加過程應力大、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，極易產生裂紋，且馬氏體轉變溫度低，這些都極大地增加了生產過程的控制難度。

2 內控成分的確定

從冶煉成分、合金元素對鍛造過程的影響、合金元素對鍛件強度及塑性的影響及合金元素對δ-鐵素體數量的影響等方面進行綜合考慮，再結合殘余及有害元素對鋼綜合性能的影響，在標準化學成分的基礎上確定了內控成分，以更加有利于產品后續(xù)制造過程的控制。

3 材料試驗研究

為了在產品投料前較好地掌握該材料物性參數，為生產積累經驗，采用1 t電渣鋼錠進行高溫擴散試驗、鍛造工藝試驗、材料力學性能試驗、熱處理工藝試驗等。該鋼錠采用真空感應爐→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

為了準確掌握該材料高溫塑性參數，做了該材料鑄態(tài)、均勻化處理態(tài)以及與30Cr1Mo1V的對比試驗，見圖1。同時還做了鑄態(tài)、均勻化處理態(tài)經不同溫度處理的沖擊試驗，見圖2。

3.2 熱處理工藝試驗及分析

依據SA—705M標準及采購規(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℃。在這種溫度參數被強制規(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、淬火冷卻介質等的研究，確定各參數變化對性能指標的影響。

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

為了清楚掌握力學性能與工藝參數之間的關系，進行了系列材料試驗，基本摸清了材料力學性能隨性能熱處理工藝參數的變化規(guī)律：隨著固溶溫度升高，小試樣強度、硬度值略有上升，沖擊值及側膨脹值有所下降。隨著固溶時間的延長，小試樣的強度、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無明顯影響，實際工件固溶時間可根據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

4 先行件的熱處理工藝試驗研究

在材料試驗中采用小試樣進行熱處理工藝試驗，從試驗結果可以看出工藝參數對各檢驗指標的影響程度規(guī)律性不強。為了確保產品力學性能一次合格，利用其中一種小規(guī)格件進行1:1的先行試驗。

密封部件鍛造完畢后進行鍛后熱處理，消除鍛造形變應力，調整組織。再按采購規(guī)范要求的固溶溫度、時效溫度進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，得到的結果差異較大。通過三次性能熱處理以及補充實驗，找到了最佳的性能熱處理工藝參數，力學性能、沖擊性能等各項指標均合格。先行件熱處理后殘余應力見表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力Table 4 Residual stress of the first piece after heat treatment

5 密封部件的生產過程及結果

5.1 冶煉

采用EAF→LF(VOD)→澆注自耗電極→電極精整→ESR的生產工藝流程。

EAF冶煉以快速熔化、脫P、脫C、氧化沸騰與升溫為重點，加強去P過程的換渣操作。LF爐加強脫O、脫S，精確控制化學成分，確?？煽卦鼐_到了內控要求。

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，同時分批加入少量脫氧劑。

從生產結果看，無論是LF后澆注的電極坯還是電渣重熔后的鋼錠，化學成分都達到了工藝要求。

5.2 鍛造

該材料易開裂，鍛造余量應合理控制。為了確保鍛造成功，鍛件采取實心鍛造。在鍛造過程中合理控制鍛造溫度、壓下量等參數，出現裂紋時及時清傷、返爐。在實際生產中鉗把端部凹心嚴重。當溫度降低壓下量稍大時，端部會產生放射狀裂紋。

5.3 性能熱處理

性能熱處理采用預備熱處理+固溶熱處理的方式進行。預備熱處理以細化晶粒和調整組織為目的。固溶處理時(見圖5)，采用1 040℃強制冷卻至室溫，并且嚴格控制工件出爐至強制冷卻的時間。時效過程嚴格控制保溫時間、保溫溫度等參數，確保力學性能、沖擊性能達到采購規(guī)范要求。密封部件熱處理各項性能結果見表6。夾雜物及晶粒度見表7。

從表6、表7可以看出：

(1)力學性能、晶粒度、硬度等指標一次合格。

(2)無論常溫力學性能還是高溫力學性能均高于標準要求，且有很大的富余量。

(3)沖擊全部≥70 J，部分超過100 J，遠遠高于標準要求(≥68 J)。

表6 密封部件熱處理后各項性能結果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

6 結論

通過材料試驗以及先行件的驗證性試驗研究，掌握了該材料的各項物性參數，基本摸清了力學性能隨固溶時間、時效時間等參數的變化規(guī)律，結合該材料晶粒細化難的問題，在性能熱處理時進行了特殊處理。密封部件性能熱處理后的力學性能、晶粒度、夾雜物等檢測指標一次檢驗合格。通過本項目的研究得到以下結論：

(1)鑄態(tài)和均質化熱處理狀態(tài)的高溫拉伸對比試驗及后續(xù)的生產均表明，均質化處理效果是該項目產品開發(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，熱應力和組織轉變應力特別大，因此制造過程中需采取必要的防裂措施。

(4)通過工藝試驗研究、先行件工藝試驗及產品生產，摸清了該材質強韌性指標隨固溶溫度、固溶時間、時效溫度、時效時間等參數的變化規(guī)律。

核電密封部件的成功制造，標志著二重已成功掌握了該材料制造的核心技術，可以替代進口實現國產化，并填補了國內制造空白，具有很好的經濟效益和社會效益。

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

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