CN104907470B - 13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锻件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锻件的制造方法，包含以下步骤：⑴原材料钢锭检验；⑵钢锭加热；⑶钢锭的开坯及下料；⑷锻造；⑸锻后热处理；⑹锻件尺寸检验及标识；⑺一次粗加工及检验和标识；⑻第一次超声波探伤；⑼正回火热处理；⑽力学性能热处理；⑾二次粗加工及检验和标识；⑿第二次超声波探伤；⒀割取试样；⒁力学性能测试和金相组织检查；⒂产品检验。本发明提供了利用13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢材制造超超临界汽轮机组零部件，如阀碟、阀座、阀杆的锻造方法，加工工艺合理，锻件合格率高，避免了以前无谓的浪费；为我国设计、制造超超临界汽轮机组做了基础技术的储备，其经济效益非常明显。
Description
技术领域
本发明涉及锻造工艺技术领域，具体地说，是一种新型铁素体不锈钢（13Cr9Mo2Co1NiVNbNB）锻件的制造方法。
背景技术
CO2排放引起的环境问题日益为全世界所关注，而采用和发展超临界技术是目前各国减少CO2排放的一个重要的、行之有效的措施。提高蒸汽温度可使汽轮机的效率得到有效提升，降低煤耗和CO2排放。欧洲和日本为采用和发展超临界技术相继开发出了620～630℃超超临界耐热钢材料。我国现在也在设计、制造再热蒸汽温度为620℃的超超临界汽轮机组。这方面，更高的蒸汽参数对电站用钢提出了更为苛刻的要求，只有获得具有足够蠕变强度的合适的材料，如13Cr9Mo2Co1NiVNbNB铁素体不锈钢，才能完成超超临界汽轮机组的设计与制造，实现效率增长。
13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢属含硼含氮钢，其能耐620℃高温、长时蠕变强度、具有良好的抗氧化性能和工艺性能，能用于百万等级超超临界汽轮机组的重要零部件的生产和应用。但是，13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢材的钢种成分复杂、合金元素众多、冶炼难度大，而且该材料的裂纹倾向大，可焊性差，用其制造锻件的方法不易掌握。
我国之前没有13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢材，对其锻造和热处理等生产制造工艺同样是几乎不了解。而采用以前常规的生产制造工艺对13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢材进行生产加工，造成锻件晶粒度粗大，不仅无法保证锻件内部的质量、锻件组织的均匀性，而且也无法满足零部件应对长时间在高温、氧化、高负荷、交变应力等恶劣环境中运行而需要的常温力学性能、金相组织、高温抗拉、持久性等各项性能要求。在用13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢材制造超超临界汽轮机组零部件，如阀碟、阀座、阀杆的过程中，造成了大量无谓的浪费。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锻件的制造方法，用此方法可使利用13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢材制造超超临界汽轮机组零部件，如阀碟、阀座、阀杆得以顺利完成：13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锭经充分锻造变形、锻后热处理及性能热处理，使之锻件能够满足超超临界汽轮机组零部件技术规范的各项要求，且加工工艺合理，锻件合格率高，避免了之前无谓的浪费。
为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案。
一种13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锻件的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
（1）原材料钢锭检验
对采用的13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锭进行原材料检验；
（2）钢锭加热
对13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锭进行加热，其处理步骤为：
将钢锭置于≤600℃的加热炉中保温，保温时间不少于2小时；
以≤50±10℃/小时的速度加热，使钢锭缓速加热至900±20℃，加热时间不少于6小时；
再以≤70±10℃/小时的速度加热，使钢锭缓速加热至1160±20℃，加热时间不少于3.8小时；
在钢锭达到1160±20℃后进行保温，保温时间不少于3.5小时；
通过加热处理使13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锭达到所要求的始锻温度；
（3）钢锭的开坯及下料
①将13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锭加热至奥氏体组织状态进行镦拔变形；
②采用斩刀热斩切的方法按锻造工艺的规定对钢锭进行下料；
（4）锻造
始锻温度为1160℃，终锻温度为850℃；每次的加热时间≥1小时；
对锻坯进行2～3次镦拔，使锻造比达到工艺所需的≥3.5；
末二火次锻造，采用末二火次对锻坯进行分料，对各个截面预留≥30%的变形量以保证最后火次各截面的变形量；
最后火次锻造，将锻坯温度控制在1180℃并保证热透；
（5）锻后热处理
对锻坯进行退火热处理，其步骤为：
①将锻件热装炉至650℃±10℃，保温时间3～5小时；
②升温速度不限，升温至860℃±10℃，均热后，保温3～4小时；
③打开炉门空冷至300℃±10℃，保温5～8小时；
④升温速度不限，升温至650℃±10℃，保温50小时；
⑤以≤50℃/小时的速度炉冷至400℃时，再以≤20℃/小时的速度炉冷至≤200℃时，之后空冷至室温；
（6）锻件尺寸检验及标识
按锻造工艺规定检验锻件的各档尺寸并对锻件做标识；
（7）一次粗加工及检验和标识
按一次粗加工工艺规定对锻件进行车削加工，检验各档尺寸并做标识；
（8）第一次超声波探伤（UT）
对一次粗加工后的锻件进行超声波探伤，超声波探伤按EN10308-3质量等级3的规定进行；
（9）正回火热处理
对一次粗加工后的锻件进行正回火热处理，其步骤为：
①锻件加热至1000℃±20℃后，保温≥6小时；
②将锻件空冷至室温；
③将锻件再重新加热至700℃±20℃，保温8小时；
④然后将锻件炉冷至室温；
通过正回火热处理可以得到细于6级以上的晶粒；
（10）力学性能热处理
对正回火热处理后的锻件进行力学性能热处理，其步骤为：
①淬火，将锻件加热至1100℃±20℃，保温4小时；
②然后将锻件油冷至＜80℃；
③一次回火，将锻件加热至570℃±20℃，保温4小时；
④然后将锻件空冷至室温；
⑤二次回火，将锻件加热至700℃±20℃，保温4小时；
⑥然后将锻件空冷至室温；
（11）二次粗加工及检验和标识
按二次粗加工工艺规定对锻件进行车削加工，检验各档尺寸并做标识；
（12）第二次超声波探伤（UT）
对二次粗加工后的锻件进行超声波探伤，超声波探伤按EN10308-3质量等级3的规定进行；
（13）割取试样
按二次粗加工工艺规定割取力学性能试样；
（14）力学性能测试和金相组织检查
常温力学性能测试：按粗加工图的要求在指定部位割取试样进行力学性能测试，测试包括：屈服强度、抗拉强度、延伸率、收缩率、恰贝（V型缺口）冲击功、硬度等；
高温力学性能测试：测试高温瞬时力学性能和高温持久强度；
金相组织检查：检查夹杂物和晶粒度；
（15）产品检验缴库
检验合格后，产品即告完成并缴库。
进一步，采用本发明的制造方法锻造阀碟，在步骤（4）锻造的过程中，阀碟的杆部应采用拔长工序，阀碟的头部应采用胎模进行局部镦粗。
进一步，采用本发明的制造方法锻造阀座，在步骤（4）锻造的过程中，应采用马杠扩孔工序，对阀座锻坯各截面进行充分的锻造变形，直至将阀座锻坯锻至设定的锻件尺寸。
本发明13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锻件的制造方法的积极效果是：
（1）提供了利用13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢材制造超超临界汽轮机组零部件，如阀碟、阀座、阀杆的锻造方法，且加工工艺合理，锻件合格率高，避免了之前无谓的浪费。
（2）为我国设计、制造超超临界汽轮机组做了基础技术的储备，其经济效益非常明显。
（3）有利于我国超超临界汽轮机组的生产和应用，有利于我国CO2的减排。
（4）有利于中国企业进入国际市场，提高中国产品在国际市场的竞争能力。
附图说明
图1为本发明13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锻件的制造方法的流程框图。
图2为步骤（2）钢锭加热的工艺规范图。
图3为步骤（9）正回火热处理的工艺图。
图4为步骤（10）力学性能热处理的工艺图。
图5为步骤（4）阀碟锻件的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图给出本发明13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锻件的制造方法的具体实施方式，但是应该指出，本发明的实施不限于以下的实施方式。
实施例1
一种13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锻件的制造方法，包含以下步骤（参见图1）：
（1）原材料钢锭检验
对采用的13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锭进行原材料检验，包括对化学成分的复验和钢锭表面的检查。
（2）钢锭加热（参见图2）
对13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锭进行加热，其处理步骤为：
将钢锭置于≤600℃的加热炉中保温，保温时间不少于2小时。
以≤50±10℃/小时的速度加热，使钢锭缓速加热至900±20℃，加热时间不少于6小时。
再以≤70±10℃/小时的速度加热，使钢锭缓速加热至1160±20℃，加热时间不少于3.8小时。
在钢锭达到1160±20℃后进行保温，保温时间不少于3.5小时。
通过“钢锭加热”处理使13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锭达到所要求的始锻温度。
（3）钢锭的开坯及下料
①将13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锭加热至奥氏体组织状态进行镦拔变形。
②采用斩刀热斩切的方法按锻造工艺的规定对钢锭进行下料。
（4）锻造
始锻温度为1160℃，终锻温度为850℃；每次的加热时间≥1小时。
对锻坯进行2～3次镦拔，使锻造比达到工艺所需的≥3.5。
末二火次锻造，采用末二火次对锻坯进行分料，对各个截面预留≥30%的变形量以保证最后火次各截面的变形量。
最后火次锻造，将锻坯温度控制在1180℃，可适当提高20℃并保证热透。
若是锻造阀碟，阀碟的杆部应采用拔长工序，阀碟的头部应采用胎模进行局部镦粗（参见图5）。
若是锻造阀座，应采用马杠扩孔工序，对阀座锻坯各截面进行充分的锻造变形，直至将阀座锻坯锻至设定的锻件尺寸。
（5）锻后热处理
对锻坯进行退火热处理，其步骤为：
①将锻件热装炉至650℃±10℃，保温时间3～5小时。
②升温速度不限，升温至860℃±10℃，均热后，保温3～4小时。
③打开炉门空冷至300℃±10℃，保温5～8小时。
④升温速度不限，升温至650℃±10℃，保温50小时。
⑤以≤50℃/小时的速度炉冷至400℃时，再以≤20℃/小时的速度炉冷至≤200℃时，之后空冷至室温。
（6）锻件尺寸检验及标识
按锻造工艺规定检验锻件的各档尺寸并对锻件做标识。
（7）一次粗加工及检验和标识
按一次粗加工工艺规定对锻件进行车削加工，检验各档尺寸并做标识。
（8）第一次超声波探伤（UT）
对一次粗加工后的锻件进行超声波探伤，超声波探伤按EN10308-3质量等级3的规定进行。
（9）正回火热处理
对一次粗加工后的锻件进行正回火热处理，其步骤为：
①锻件加热至1000℃±20℃后，保温≥6小时。
②将锻件空冷至室温。
③锻件再重新加热至700℃±20℃，保温8小时。
④然后将锻件炉冷至室温（“炉冷”的含义是：在锻件保温结束后，关闭炉门，切断热处理炉电源，锻件在热处理炉膛内随着炉温一起冷却至室温）（参见图3）。
通过步骤（9）的正回火热处理可以得到细于6级以上的晶粒。
（10）力学性能热处理 （参见图4）
对正回火热处理后的锻件进行力学性能热处理，其步骤为：
①淬火，将锻件加热至1100℃±20℃，保温4小时。
②然后将锻件油冷至＜80℃。
③一次回火，将锻件加热至570℃±20℃，保温4小时。
④然后将锻件空冷至室温。
⑤二次回火，将锻件加热至700℃±20℃，保温4小时。
⑥然后将锻件空冷至室温。
（11）二次粗加工及检验和标识
按二次粗加工工艺规定对锻件进行车削加工，检验各档尺寸并做标识。
（12）第二次超声波探伤（UT）
对二次粗加工后的锻件进行超声波探伤，超声波探伤按EN10308-3质量等级3的规定进行。
（13）割取试样
按二次粗加工工艺规定割取力学性能试样。
（14）力学性能测试和金相组织检查
常温力学性能测试：按粗加工图的要求在指定部位割取试样进行力学性能测试，测试包括：屈服强度、抗拉强度、延伸率、收缩率、恰贝（V型缺口）冲击功、硬度。具体的力学性能测试值见表1。
表1. 力学性能测试值
，
注：*为3个冲击试样的平均值，允许其中一个试样冲击功低于规定值，但不应低于17J。
高温力学性能测试：测试高温瞬时力学性能和高温持久强度。具体的力学性能测试值见表2和表3。
表2. 高温瞬时力学性能测试值
。
表3. 高温持久强度测试值
。
金相组织检查：检查夹杂物和晶粒度
锻件的平均晶粒度应不粗于3.0 级，与平均晶粒度的偏差不超过2 级。
锻件的A、B、C、D、DS 五种类型夹杂物均不应超过2.5 级。
（15）产品检验缴库
检验合格后，产品即告完成并缴库。
在本发明的实施中获知：
（1）锻造工艺和热处理工艺对13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢的性能影响很大，由于13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢的变形抗力大，锻造时需要多火次，锻造温度过高会导致晶粒粗化。
（2）锻造过程中，锻件毛坯的加热温度、保温时间和变形率是关系到锻件质量的重要因素。
（3）锻造过程中的正回火热处理可获得铁素体加碳化物的均匀组织，可使晶粒度进一步细化，能确保随后力学性能热处理奥氏体化时碳化物能充分溶解。
对实施例1加工的13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锻件的测试：
按SQB44.35-2014技术标准，采用实施例1步骤（14）的测试方法对实施例1加工的13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢阀座及阀碟锻件进行了测试。
测试结果如下：
表4.实施例1加工的13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢阀座及阀碟锻件的力学性能
。
表5.实施例1加工的13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢阀座及阀碟锻件的高温瞬时力学性能
。
表6.实施例1加工的13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢阀座及阀碟锻件的高温持久强度
。
表7.实施例1加工的13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢阀座及阀碟锻件的夹杂物及晶粒度等级
。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明制造方法的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锻件的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
（1）原材料钢锭检验
对采用的13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锭进行原材料检验；
（2）钢锭加热
对13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锭进行加热，其处理步骤为：
将钢锭置于≤600℃的加热炉中保温，保温时间不少于2小时；
以≤50±10℃/小时的速度加热，使钢锭缓速加热至900±20℃，加热时间不少于6小时；
再以≤70±10℃/小时的速度加热，使钢锭缓速加热至1160±20℃，加热时间不少于3.8小时；
在钢锭达到1160±20℃后进行保温，保温时间不少于3.5小时；
通过加热处理使13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锭达到所要求的始锻温度；
（3）钢锭的开坯及下料
① 将13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锭加热至奥氏体组织状态进行镦拔变形；
② 采用斩刀热斩切的方法按锻造工艺的规定对钢锭进行下料；
（4）锻造
始锻温度为1160℃，终锻温度为850℃；每次的加热时间≥1小时；
对锻坯进行2～3次镦拔，使锻造比达到工艺所需的≥3.5；
末二火次锻造，采用末二火次对锻坯进行分料，对各个截面预留≥30%的变形量以保证最后火次各截面的变形量；
最后火次锻造，将锻坯温度控制在1180℃并保证热透，
（5）锻后热处理
对步骤（4）锻造所得的锻件进行退火热处理，其步骤为：
① 将锻件热装炉至650℃±10℃，保温时间3～5小时；
② 升温速度不限，升温至860℃±10℃，均热后，保温3～4小时；
③ 打开炉门空冷至300℃±10℃，保温5～8小时；
④ 升温速度不限，升温至650℃±10℃，保温50小时；
⑤ 以≤50℃/小时的速度炉冷至400℃时，再以≤20℃/小时的速度炉冷至≤200℃时，之后空冷至室温；
（6）锻件尺寸检验及标识
按锻造工艺规定检验锻件的各档尺寸并对锻件做标识；
（7）一次粗加工及检验和标识
按一次粗加工工艺规定对锻件进行车削加工，检验各档尺寸并做标识；
（8）超声波探伤（UT）
对一次粗加工后的锻件进行超声波探伤，超声波探伤按EN10308-3质量等级3的规定进行；
（9）正回火热处理
对一次粗加工后的锻件进行正回火热处理，其步骤为：
① 锻件加热至1000℃±20℃后，保温≥6小时；
② 将锻件空冷至室温；
③ 将锻件再重新加热至700℃±20℃，保温8小时；
④ 然后将锻件炉冷至室温；
通过正回火热处理可以得到细于6级以上的晶粒；
（10）力学性能热处理
对正回火热处理后的锻件进行力学性能热处理，其步骤为：
① 淬火，将锻件加热至1100℃±20℃，保温4小时；
② 然后将锻件油冷至＜80℃；
③ 一次回火，将锻件加热至570℃±20℃，保温4小时；
④ 然后将锻件空冷至室温；
⑤ 二次回火，将锻件加热至700℃±20℃，保温4小时；
⑥ 然后将锻件空冷至室温；
（11）二次粗加工及检验和标识
按二次粗加工工艺规定对锻件进行车削加工，检验各档尺寸并做标识；
（12）超声波探伤（UT）
对二次粗加工后的锻件进行超声波探伤，超声波探伤按EN10308-3质量等级3的规定进行；
（13）割取试样
按二次粗加工工艺规定割取力学性能试样；
（14）力学性能测试和金相组织检查
常温力学性能测试：按粗加工图的要求在指定部位割取试样进行力学性能测试，测试包括：屈服强度、抗拉强度、延伸率、收缩率、恰贝（V型缺口）冲击功、硬度等；
高温力学性能测试：测试高温瞬时力学性能和高温持久强度；
金相组织检查：检查夹杂物和晶粒度；
（15）产品检验缴库
检验合格后，产品即告完成并缴库。
2.根据权利要求1所述的13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锻件的制造方法，其特征在于，在步骤（4）锻造的过程中，超超临界汽轮机组的阀碟的杆部应采用拔长工序，阀碟的头部应采用胎模进行局部镦粗。
3.根据权利要求1所述的13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢锻件的制造方法，其特征在于，在步骤（4）锻造的过程中，超超临界汽轮机组的阀座应采用马杠扩孔工序，对阀座锻坯各截面进行充分的锻造变形，直至将阀座锻坯锻至设定的锻件尺寸。
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