趙俊民

(東北特殊鋼集團北滿特鋼鍛鋼公司，黑龍江161041)

隨著我國汽輪發(fā)電機行業(yè)的快速發(fā)展，對于汽輪發(fā)電機組用鋼材料及產(chǎn)品質(zhì)量的要求也不斷提高。1Mn18Cr18N鋼質(zhì)護環(huán)作為發(fā)電機的關鍵部件之一，因其所起的作用及受力狀態(tài)，要求具備超高的強度、良好的塑韌性、無磁性及優(yōu)良的抗應力腐蝕能力。根據(jù)用戶要求，在北滿特鋼公司試制300MW汽輪發(fā)電機組用1Mn18Cr18N鋼質(zhì)護環(huán)鍛件。該材料屬無磁性高錳奧氏體不銹鋼，可鍛溫度區(qū)間窄，高溫變形抗力較大，在鍛造過程中極易出現(xiàn)表面裂紋，因此制造難度非常大。對該鋼種進行分析研究，確定了其合理的生產(chǎn)試制工藝路線，經(jīng)過兩輪小批量的試制，成功地開發(fā)出1Mn18Cr18N鋼無磁性護環(huán)鍛件。

1 試制方案及生產(chǎn)工藝

1.1 工藝流程

針對以上難點，查閱了相關資料并借鑒以往生產(chǎn)的類似鋼種(Mn12Cr18NiSiN，18Mn12Cr18Ni2N)的經(jīng)驗，根據(jù)1Mn18Cr18N的鋼種特性，制定了如下生產(chǎn)工藝路線：電爐冶煉→爐外精煉→連鑄150 mm方電極坯料→電渣重熔→30 MN水壓機鍛造→空冷→粗加工→探傷→固溶處理→檢查、包裝、上交。

1.2 冶煉工藝

由于用戶對1Mn18Cr18N鍛件的內(nèi)部質(zhì)量要求極嚴，超聲波探傷不允許有超過當量直徑?1.6 mm以上的缺陷存在。為保證鍛件的內(nèi)部質(zhì)量，采用電爐冶煉、AOD精煉來純凈鋼液，并采用電渣重熔進一步提高鋼錠內(nèi)部質(zhì)量。另外該鋼種氮含量高達0.5%，因此控制鋼中的氮含量是冶煉過程的難點。在冶煉過程中加入氮化鉻的同時吹入氮氣，來保證鋼中的氮含量。電渣重熔時用提純渣工藝進行重熔，在重熔金屬電極時用氬氣或氮氣保護來穩(wěn)定鋼中的氮含量。電渣錠頭、尾取樣檢驗，化學成分全部滿足技術條件要求。1Mn18Cr18N鋼的化學成分要求和電渣錠化學成分檢驗結果見表1。

1.3 鍛造

1.3.1 鍛造工序

采用北滿特鋼鍛鋼公司30 MN水壓機進行鍛造。由于該鍛件內(nèi)部質(zhì)量要求高，采用兩次鐓粗工藝，綜合鍛比大于5。鍛造工序如下：鋼錠加熱→鐓粗→拔長、下料→鐓粗→沖孔→擴孔→芯棒拔長→平整等工序。護環(huán)鍛件毛坯如圖1所示。

表1 1Mn18Cr18N鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 The chemical composition of 1Mn18Cr18N steel (mass fraction, %)

圖1 1Mn18Cr18N護環(huán)鍛件毛坯圖Figure 1 The drawing for the retaining ring forging block of 1Mn18Cr18N steel

1.3.2 鋼錠加熱工藝及變形工藝

由于該鋼種合金含量高，導熱系數(shù)低，因此加熱時在低溫段應以緩慢的速度升溫，以降低熱應力，在高溫段保溫時間應足夠長，保證均勻透燒，以改善鋼錠的組織，減少偏析，降低熱加工時的變形抗力。

第一次試制加熱工藝曲線如圖2所示。

圖2 第一次試制加熱工藝曲線Figure 2 The heating curve for first trial manufacture

第一次試制時鍛造加熱溫度控制在1 160～1 180℃。鋼錠鐓粗時變形抗力很大，一次墩粗時壓下量只有150 mm左右，必須返爐加熱后再墩粗，這樣反復返爐加熱、墩粗，經(jīng)過8火次才鐓粗到尺。墩粗后在沖孔、擴孔、芯棒拔長變形過程中經(jīng)16火次才完成護環(huán)毛坯的鍛造。

第二次試制加熱工藝曲線如圖3所示。

優(yōu)化后的鍛造變形工藝如下：

第1火：電渣鋼錠整體鐓粗至?900 mm；

第2火：用上平、下V弧形砧鍛造，鍛至?750 mm時，切帽口和錠尾；

第3火：高度鐓粗至1 000 mm；

圖3 第二次試制加熱工藝曲線Figure 3 The heating curve for second trial manufacture

第4火：高度鐓粗至800 mm；

第5火：沖?350 mm的孔；

第6火：擴孔至?500 mm；

第7火：用芯棒拔長至1 100 mm；

第8火：擴孔至成品尺寸。

第二次試制時，根據(jù)首次試制的情況,為了進一步降低變形抗力,使鋼錠充分透燒。在充分研究該材質(zhì)特性基礎上，采用兩次預熱并合理制定預熱溫度、保溫時間，同時限速升溫促使鋼錠從表面至內(nèi)部加熱均勻且充分透燒。另外又將鍛造加熱溫度適當提高了20～30℃,并適當延長保溫時間以降低變形抗力。對鍛造工藝進行優(yōu)化，減少鍛造火次。經(jīng)過上述改進措施,在第二次試制過程中,從墩粗到鍛至成品只用了8火次。鍛后鍛件經(jīng)橫、縱波探傷檢驗，內(nèi)部無冶金及鍛造缺陷，全部合格。

1.4 粗加工序

粗加前測試鍛件表面硬度為280～290HBS，但在加工過程中產(chǎn)生強烈的加工硬化，硬度急劇上升，表面硬度達到450～500HBS左右。更換硬度較高、紅硬性好的切削刀具，順利完成切削加工。

1.5 固溶處理

固溶處理溫度為1 050℃，目的是使碳化物充分固溶得到均勻的奧氏體組織，提高工藝塑性。從生產(chǎn)數(shù)據(jù)得出保溫時間長或溫度偏高，則晶粒容易粗大。若在600～700℃保溫時間長則碳化物不能完全固溶，會降低固溶效果。固溶處理工序的關鍵是準確確定固溶前預熱溫度、固溶保溫溫度和保溫時間。

2 表面裂紋分析及控制措施

2.1 原因分析

在兩次試制生產(chǎn)時，鍛件表面都有裂紋產(chǎn)生，但裂紋深度較淺，在鍛造余量之內(nèi)。經(jīng)粗加工后，裂紋全部清除干凈。產(chǎn)生原因是1Mn18Cr18N鋼屬無磁高錳奧氏體不銹鋼，其中的錳、鉻含量達18%，氮含量更是高達0.5%以上，在鍛造時鍛件極易產(chǎn)生表面裂紋。

2.2 控制措施

為防止表面裂紋產(chǎn)生，在開始鍛造時要輕打，變形量要小。即合理采用小壓下量、多火次進行鍛造，同時準確控制終鍛溫度。通過采取上述措施并經(jīng)過變形過程的全程跟蹤，發(fā)現(xiàn)該鋼種雖然在鍛造過程中易出現(xiàn)裂紋，但裂紋并不向深處擴展，如果合理地控制始鍛和終鍛溫度，精心操作，能有效減輕表面裂紋，最終保證加工尺寸，合格上交。

3 結論

(1)經(jīng)過兩輪生產(chǎn)試制可以得出，采用電爐冶煉→爐外精煉→電渣重熔→鍛造的工藝路線是可行的，能夠生產(chǎn)出合格的1Mn18Cr18N汽輪機護環(huán)鍛件。

(2)鍛造加熱溫度采用1 190～1 210℃，終鍛溫度控制在900℃以上，綜合鍛比大于5。采用適當?shù)腻懺旃ば颍嗷鸫?、小壓下量進行鍛造。粗加工序選擇合適的刀具，并合理控制固溶處理制度，確保鍛件內(nèi)外質(zhì)量都能滿足用戶的技術要求。

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