CN107937828B - F6nm马氏体不锈钢筒体锻件及热处理方法 - Google Patents

F6nm马氏体不锈钢筒体锻件及热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种既能满足高强度、高耐低温冲击韧性，又能避免导致裂纹产生，同时在锻造时避免钢锭开裂报废的F6NM马氏体不锈钢筒体锻件及热处理方法，质量百分数：C≤0.04、Si0.30～0.50、Mn0.70～1.00、Cr11.5～13.0、Ni3.5～4.5、Mo0.50～0.70、V0.04～0.1、P≤0.020、S≤0.010。优点：成分优化后的F6NM马氏体不锈钢筒体锻件，采取分段式等温缓慢加热，严格控制装炉温度、加热速度和保温时间，锻造时严格按照新锻造工艺执行，热处理采取550℃等温加热，1000℃空淬，690℃、630℃、590℃三次回火的特殊热处理工艺。生产后产品检验尺寸都符合客户图纸要求，试样取样送第三方检测，机械性能均满足了指标要求，后经过多次生产，其机械性能都很稳定，大大降低了F6NM马氏体不锈钢生产报废的风险。

Description

F6NM马氏体不锈钢筒体锻件及热处理方法
技术领域
本发明涉及一种用于直径大于953mm、长度大于1385mm的F6NM马氏体不锈钢筒体，要求它既能满足高强度、高耐低温冲击韧性，又能避免导致裂纹产生，同时在锻造时避免钢锭开裂报废的F6NM马氏体不锈钢筒体锻件及热处理方法，属不锈钢筒体锻件制造领域。
背景技术
F6NM材料是美国材料与试验学会ASTM A336/A336M-09《高温承压部件用合金钢锻件标准》中的材料，它属于马氏体不锈钢，其化学成分中含有13％Cr、4％Ni，相当于国内牌号0Cr13Ni4Mo。
F6NM材料是一种用于制造大型铸锻件的新型马氏体不锈钢。在环保日益严格的今天，全球的需求量越来越大，与2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2等马氏体不锈钢比较，其具有较高的强度和韧性、良好的耐腐蚀性以及良好的可焊性，因此近年来广泛运用于核电工程构件、石油化工、海洋设备、高压泵、军工等领域。但是，F6NM马氏体不锈钢导热性差，装炉温度过高或者升温过快，会产生较大的内应力，出现细小的裂纹，经过锻打后会扩大裂纹导致报废，并且F6NM马氏体不锈钢热处理会产生逆转奥氏体组织，回火温度对性能的影响很大，机械性能难以控制。
发明内容
设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种既能满足高强度、高耐低温冲击韧性，又能避免导致裂纹产生，同时在锻造时避免钢锭开裂报废的F6NM马氏体不锈钢筒体锻件及热处理方法。
设计方案：为了实现上述设计目的。本申请在研发过程中发现，要想实现本申请的设计目的，必须解决好一下几个问题。
一、技术难题：
1、解决常规的化学成分无法同时稳定满足筒体锻件的高强度、高耐低温冲击韧性的问题。
2、解决由于F6NM马氏体不锈钢导热性差，装炉温度过高或升温不均匀会因内外温差过大而导致裂纹产生问题，以及保温时间不足会导致锻打时温差过大而开裂的问题。
3、解决F6NM马氏体不锈钢锻造温度范围区间小，钢锭塑性差，锻造时非常容易开裂，报废率较高的问题，以及终锻温度和变形量直接影响产品晶粒度和性能热处理效果的问题。
4、解决F6NM马氏体不锈钢热处理会产生逆转奥氏体组织，并且逆转奥氏体量难以控制的问题，以及回火温度直接影响产品强度和低温冲击的稳定性的问题。
二、为了解决上述技术难题，本申请从材优成分的优化、加热工艺优化、锻造工艺优化及热处理工艺设计协同达到上述技术难题的解决。
1、材料优化：为了使F6NM马氏体不锈钢筒体锻件的高强度、耐腐蚀性稳定性达到客户要求指标，对化学成分在满足ASTM A336/A336M-09《高温承压部件用合金钢锻件标准》标准基础上进行了材料的优化。
(1)碳(C)：是工业用钢的主要元素之一，钢的性能与组织在很大程度上决定于碳在钢中的含量及其分布的形式，在不锈钢中碳的影响尤为显著。碳在不锈钢中对组织的影响主要表现在两方面，一方面碳是稳定奥氏体的元素，并且作用的程度很大(约为镍的30倍)，另一方面由于碳和铬的亲和力很大，与铬形成—系列复杂的碳化物。为了克服F6NM马氏体不锈钢的晶间腐蚀，可以将钢的含碳量降低到0.04％以下。
(2)硅(Si)：是形成铁素体的元素，在一般不锈钢中为常存杂质元素。因此将含量控制在0.30～0.50％。
(3)锰(Mn)：在钢中稳定奥氏体的作用,增加奥氏体的稳定性，抑制奥氏体的分解，使高温下形成的奥氏体得以保持到常温。
因此将含量控制在0.70～1.00％。
(4)磷(P)：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏，因此将P含量控制在0.020％以下。
(5)硫(S)：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造时造成裂纹。硫还降低钢的耐腐蚀性，因此将S含量控制在0.010％以下。
(6)铬(Cr)：铬是一种决定不锈钢性属的元素，铬作为合金元素以后，促使其内部的矛盾运动向有利于抵抗腐蚀破坏的方面发展。提高含铬量，做到既满足硬度与耐磨性的要求，又兼顾—定的耐腐蚀功能，因此将Cr含量控制在11.5～13.0％。
(7)镍(Ni)：镍是优良的耐腐蚀材料，作为合金元素在不锈钢中的作用，在于它使高铬钢的组织发生变化，从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得改善。因此将Ni含量控制在3.5～4.5％。
(8)微量元素V能起到细化锻件的晶粒和提高强韧性作用，它们主要表现在在加热过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒长大，并通过它们的碳氮化合物的应变诱导析出，对材料进行沉淀强化。因此添加V含量0.04～0.1％
综上所述，优化后的化学成分如下表所示：(质量分数％)
优化后的化学成分(质量分数％)
C Si Mn P S
≤0.04 0.30～0.50 0.70～1.00 ≤0.020 ≤0.010
Cr Ni Mo V
11.5～13.0 3.5～4.5 0.50～0.70 0.04～0.1
2.加热工艺优化：常规的加热工艺会导致钢锭升温不均匀而产生应力裂纹。严格控制装炉温度小于400℃，加热采用多段等温式缓慢加热，升温速度小于60℃/h,分别在650℃和850℃进行等温，减小钢锭内外温差，延长始锻温度的保温时间，使钢锭温度充分得到均匀奥氏体化。创新后加热工艺设计如图1所示。
3.锻造工艺优化：锻造前将专用砧座、冲头和芯棒等工装进行预热，避免温差大而产生裂纹；钢锭始锻温度为1220℃，终锻温度为850℃，由于合金元素高，铸态钢锭塑性差，始锻变形量不大于50mm，防止开裂，采用专用冲头和芯棒进行锻打，提高锻造质量，减小产品余量，缩短锻造时间。终锻变形量必须大于12％～20％，且终锻温度控制再850℃，终锻变形量过小或终锻温度过高会造成粗晶或有害组织吸出，影响热处理性能和探伤不合格。
4.热处理工艺设计：根据客户要求的机械性能，其特征是高强度和高耐低温冲击性能。
F6NM的淬火温度为950～1050℃，其空淬和油淬得到的都是马氏体，且差异不大，故选用1000℃空冷淬火，加热时采用550℃等温升温，且升温速度≤80℃/h；经500℃～700℃回火，组织均为板条马氏体，550℃一下为淬火马氏体，560℃～690℃回火马氏体逐渐变小，达到700℃时出现区域性马氏体，故第一次回火温度设为690℃，使之得到细小的板条马氏体，690℃回火后具有较高的强度，但低温冲击韧性较低，且不稳定；观察550℃～690℃逆转奥氏体吸出的量，630℃时达到最高值，逆转奥氏体可以降低屈强比，提高低温冲击韧性，故第二次回火温度设为630℃；为了稳定逆转奥氏体，进行第三次回火，第三次回火温度设为590℃，因为回火温度接近Ac1，从消除应力使组织充分回复、再结晶与时效析出的作用来看，可以使组织得到更加稳定化，有利于锻件的使用寿命。创新后热处理工艺曲线如图2所示。
技术方案1：一种F6NM马氏体不锈钢筒体锻件，质量百分数：C≤0.04、Si0.30～0.50、Mn0.70～1.00、Cr11.5～13.0、Ni3.5～4.5、Mo0.50～0.70、V0.04～0.1、P≤0.020、S≤0.010。
技术方案2：一种F6NM马氏体不锈钢筒体锻件的锻造方法，锻造前将专用砧座、冲头和芯棒等工装进行预热，避免温差大而产生裂纹；钢锭始锻温度为1220℃，终锻温度为850℃，由于合金元素高，铸态钢锭塑性差，始锻变形量不大于50mm，防止开裂，采用专用冲头和芯棒进行锻打，提高锻造质量，减小产品余量，缩短锻造时间；终锻变形量必须大于12％～20％，且终锻温度控制再850℃，终锻变形量过小或终锻温度过高会造成粗晶或有害组织吸出，影响热处理性能和探伤不合格。
技术方案3：一种F6NM马氏体不锈钢筒体锻件的热处理方法，其特征是：F6NM的淬火温度为950～1050℃，其空淬和油淬得到的都是马氏体，且差异不大，故选用1000℃空冷淬火，加热时采用550℃等温升温，且升温速度≤80℃/h；经500℃～700℃回火，组织均为板条马氏体，550℃一下为淬火马氏体，560℃～690℃回火马氏体逐渐变小，达到700℃时出现区域性马氏体，故第一次回火温度设为690℃，使之得到细小的板条马氏体，690℃回火后具有较高的强度，但低温冲击韧性较低，且不稳定；观察550℃～690℃逆转奥氏体吸出的量，630℃时达到最高值，逆转奥氏体可以降低屈强比，提高低温冲击韧性，故第二次回火温度设为630℃；为了稳定逆转奥氏体，进行第三次回火，第三次回火温度设为590℃，因为回火温度接近Ac1，从消除应力使组织充分回复、再结晶与时效析出的作用来看，可以使组织得到更加稳定化，有利于锻件的使用寿命。
本发明与背景技术相比，经过大量的资料查询和多次反复试验，成分优化后的F6NM马氏体不锈钢筒体锻件，采取分段式等温缓慢加热，严格控制装炉温度、加热速度和保温时间，锻造时严格按照新锻造工艺执行，热处理采取550℃等温加热，1000℃空淬，690℃、630℃、590℃三次回火的特殊热处理工艺。生产后产品检验尺寸都符合客户图纸要求，试样取样送第三方检测，机械性能均满足了指标要求，后经过多次生产，其机械性能都很稳定，大大降低了F6NM马氏体不锈钢生产报废的风险。
试制钢锭化学成分表
炉号 C Si Mn P S
110-65003 0.035 0.36 0.76 0.016 0.003
110-65004 0.034 0.35 0.75 0.016 0.004
炉号 Cr Ni Mo V
110-65003 12.32 4.22 0.55 0.05
110-65004 12.29 4.18 0.54 0.06
机械性能检验数据表
Figure BDA0001491495240000071
附图说明
图1是F6NM马氏体不锈钢筒体锻件加热工艺示意图。
图2是F6NM马氏体不锈钢筒体锻件热处理工艺示意图。
具体实施方式
实施例1：参照附图1和2。选用两炉钢锭进行制。
1、化学成分如下表所示---钢锭化学成分表。
炉号 C Si Mn P S
110-65003 0.035 0.36 0.76 0.016 0.003
110-65004 0.034 0.35 0.75 0.016 0.004
炉号 Cr Ni Mo V
110-65003 12.32 4.22 0.55 0.05
110-65004 12.29 4.18 0.54 0.06
2、加热工艺采用分段式等温缓慢加热，严格控制装炉温度、加热速度和保温时间，具体工艺如图2所示。
3.锻造前将专用砧座、冲头和芯棒等工装进行预热，避免温差大而产生裂纹；钢锭始锻温度为1220℃，终锻温度为850℃，由于合金元素高，铸态钢锭塑性差，始锻变形量不大于50mm，防止开裂，采用专用冲头和芯棒进行锻打，提高锻造质量，减小产品余量，缩短锻造时间。终锻变形量必须大于12％～20％，且终锻温度控制再850℃，终锻变形量过小或终锻温度过高会造成粗晶或有害组织吸出，影响热处理性能和探伤不合格。具体的锻造实施过程如下：
筒体锻件重5.72t，选用8.5t梅花锭进行锻造生产，锻件毛坯尺寸图如下；始锻温度1220±20℃；终锻温度850±20℃；锻造分4火次完工；体总锻造比5.0。
第一火，钢锭出炉后轻压表面，倒棱，冒口与锭身一起轻压，保证压下量不大于50mm，并错去水口端浇注口，返炉加热；
第二火，钢锭热错冒口，继续控制压下量不大于50mm，返炉加热；
第三火，坯料镦粗至H＝700mm，冲孔￠400mm,返炉加热；
第四火，将￠380mm芯棒***空心坯件中拔长至￠1030mm后，号印分料，加大压下量至100mm拔长，压台阶并滚圆至工艺尺寸完工。
4、热处理工艺：采用淬火+三次回火进行热处理，稳定产品机械性能和产品使用寿命。热处理工艺曲线如图2所示。
5、机械性能检验数据如下表所示---机械性能检验数据表：
Figure BDA0001491495240000081
6、经探伤，两件F6NM马氏体不锈钢筒体锻件的内在质量都满足ASTMA388超声波探伤规范要求。
需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种F6NM马氏体不锈钢筒体锻件，其特征是质量百分数：C≤0.04、Si0.30～0.50、Mn0.70～1.00、Cr11.5～13.0、Ni3.5～4.5、Mo0.50～0.70、Ｖ0.04～0.1、P≤0.020、S≤0.010，余量为Fe；其锻造方法：严格控制装炉温度小于400℃，加热采用多段等温式缓慢加热，升温速度小于60℃/h,分别在650℃和850℃进行等温，减小钢锭内外温差，延长始锻温度的保温时间，使钢锭温度充分得到均匀奥氏体化；锻造前将专用砧座、冲头和芯棒工装进行预热，避免温差大而产生裂纹；钢锭始锻温度为1220℃，终锻温度为850℃，由于合金元素高，铸态钢锭塑性差，始锻变形量不大于50mm，防止开裂，采用专用冲头和芯棒进行锻打，提高锻造质量，减小产品余量，缩短锻造时间；终锻变形量必须为12%～20%，且终锻温度控制在850℃，终锻变形量过小或终锻温度过高会造成粗晶或有害组织吸出，影响热处理性能和探伤不合格；
其热处理方法为：采用1000℃空冷淬火，加热时采用550℃等温升温，且升温速度≤80℃/h；第一次回火温度设为690℃，使之得到细小的板条马氏体；第二次回火温度设为630℃；为了稳定逆转奥氏体，进行第三次回火，第三次回火温度设为590℃，可以使组织得到更加稳定化，有利于锻件的使用寿命。
2.根据权利要求1所述的F6NM马氏体不锈钢筒体锻件，其特征是：C0.035、Si0.36、Mn0.76、Cr12.32、Ni4.22、Mo0.55、V 0.05、P 0.016、S0.003。
3.根据权利要求1所述的F6NM马氏体不锈钢筒体锻件，其特征是：C0.034、Si0.35、Mn0.75、Cr12.29、Ni4.18、Mo0.54、V 0.06、P 0.016、S0.004。
4.根据权利要求2所述的F6NM马氏体不锈钢筒体锻件，其特征是：抗拉强度Rm 850MPa；屈服强度ReH 693 MPa；伸长率A 22.0%；断面收缩率Z71.9%；冲击韧性AKv-73℃三点取值190 J、188 J、198 J。
5.根据权利要求3所述的F6NM马氏体不锈钢筒体锻件，其特征是：抗拉强度Rm 845MPa；屈服强度ReH 690 MPa；伸长率A 23.0%；断面收缩率Z 72.5%；冲击韧性AKv-73℃三点取值192 J、190 J、194 J。
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