1Mn18Cr18N钢无磁性护环锻件的试制

赵俊民

(东北特殊钢集团北满特钢锻钢公司，黑龙江161041)

随着我国汽轮发电机行业的快速发展，对于汽轮发电机组用钢材料及产品质量的要求也不断提高。1Mn18Cr18N钢质护环作为发电机的关键部件之一，因其所起的作用及受力状态，要求具备超高的强度、良好的塑韧性、无磁性及优良的抗应力腐蚀能力。根据用户要求，在北满特钢公司试制300MW汽轮发电机组用1Mn18Cr18N钢质护环锻件。该材料属无磁性高锰奥氏体不锈钢，可锻温度区间窄，高温变形抗力较大，在锻造过程中极易出现表面裂纹，因此制造难度非常大。对该钢种进行分析研究，确定了其合理的生产试制工艺路线，经过两轮小批量的试制，成功地开发出1Mn18Cr18N钢无磁性护环锻件。

1 试制方案及生产工艺

1.1 工艺流程

针对以上难点，查阅了相关资料并借鉴以往生产的类似钢种(Mn12Cr18NiSiN，18Mn12Cr18Ni2N)的经验，根据1Mn18Cr18N的钢种特性，制定了如下生产工艺路线：电炉冶炼→炉外精炼→连铸150 mm方电极坯料→电渣重熔→30 MN水压机锻造→空冷→粗加工→探伤→固溶处理→检查、包装、上交。

1.2 冶炼工艺

由于用户对1Mn18Cr18N锻件的内部质量要求极严，超声波探伤不允许有超过当量直径∅1.6 mm以上的缺陷存在。为保证锻件的内部质量，采用电炉冶炼、AOD精炼来纯净钢液，并采用电渣重熔进一步提高钢锭内部质量。另外该钢种氮含量高达0.5%，因此控制钢中的氮含量是冶炼过程的难点。在冶炼过程中加入氮化铬的同时吹入氮气，来保证钢中的氮含量。电渣重熔时用提纯渣工艺进行重熔，在重熔金属电极时用氩气或氮气保护来稳定钢中的氮含量。电渣锭头、尾取样检验，化学成分全部满足技术条件要求。1Mn18Cr18N钢的化学成分要求和电渣锭化学成分检验结果见表1。

1.3 锻造

1.3.1 锻造工序

采用北满特钢锻钢公司30 MN水压机进行锻造。由于该锻件内部质量要求高，采用两次镦粗工艺，综合锻比大于5。锻造工序如下：钢锭加热→镦粗→拔长、下料→镦粗→冲孔→扩孔→芯棒拔长→平整等工序。护环锻件毛坯如图1所示。

表1 1Mn18Cr18N钢化学成分(质量分数，%)Table 1 The chemical composition of 1Mn18Cr18N steel (mass fraction, %)

图1 1Mn18Cr18N护环锻件毛坯图Figure 1 The drawing for the retaining ring forging block of 1Mn18Cr18N steel

1.3.2 钢锭加热工艺及变形工艺

由于该钢种合金含量高，导热系数低，因此加热时在低温段应以缓慢的速度升温，以降低热应力，在高温段保温时间应足够长，保证均匀透烧，以改善钢锭的组织，减少偏析，降低热加工时的变形抗力。

第一次试制加热工艺曲线如图2所示。

图2 第一次试制加热工艺曲线Figure 2 The heating curve for first trial manufacture

第一次试制时锻造加热温度控制在1 160～1 180℃。钢锭镦粗时变形抗力很大，一次墩粗时压下量只有150 mm左右，必须返炉加热后再墩粗，这样反复返炉加热、墩粗，经过8火次才镦粗到尺。墩粗后在冲孔、扩孔、芯棒拔长变形过程中经16火次才完成护环毛坯的锻造。

第二次试制加热工艺曲线如图3所示。

优化后的锻造变形工艺如下：

第1火：电渣钢锭整体镦粗至∅900 mm；

第2火：用上平、下V弧形砧锻造，锻至∅750 mm时，切帽口和锭尾；

第3火：高度镦粗至1 000 mm；

图3 第二次试制加热工艺曲线Figure 3 The heating curve for second trial manufacture

第4火：高度镦粗至800 mm；

第5火：冲∅350 mm的孔；

第6火：扩孔至∅500 mm；

第7火：用芯棒拔长至1 100 mm；

第8火：扩孔至成品尺寸。

第二次试制时，根据首次试制的情况,为了进一步降低变形抗力,使钢锭充分透烧。在充分研究该材质特性基础上，采用两次预热并合理制定预热温度、保温时间，同时限速升温促使钢锭从表面至内部加热均匀且充分透烧。另外又将锻造加热温度适当提高了20～30℃,并适当延长保温时间以降低变形抗力。对锻造工艺进行优化，减少锻造火次。经过上述改进措施,在第二次试制过程中,从墩粗到锻至成品只用了8火次。锻后锻件经横、纵波探伤检验，内部无冶金及锻造缺陷，全部合格。

1.4 粗加工序

粗加前测试锻件表面硬度为280～290HBS，但在加工过程中产生强烈的加工硬化，硬度急剧上升，表面硬度达到450～500HBS左右。更换硬度较高、红硬性好的切削刀具，顺利完成切削加工。

1.5 固溶处理

固溶处理温度为1 050℃，目的是使碳化物充分固溶得到均匀的奥氏体组织，提高工艺塑性。从生产数据得出保温时间长或温度偏高，则晶粒容易粗大。若在600～700℃保温时间长则碳化物不能完全固溶，会降低固溶效果。固溶处理工序的关键是准确确定固溶前预热温度、固溶保温温度和保温时间。

2 表面裂纹分析及控制措施

2.1 原因分析

在两次试制生产时，锻件表面都有裂纹产生，但裂纹深度较浅，在锻造余量之内。经粗加工后，裂纹全部清除干净。产生原因是1Mn18Cr18N钢属无磁高锰奥氏体不锈钢，其中的锰、铬含量达18%，氮含量更是高达0.5%以上，在锻造时锻件极易产生表面裂纹。

2.2 控制措施

为防止表面裂纹产生，在开始锻造时要轻打，变形量要小。即合理采用小压下量、多火次进行锻造，同时准确控制终锻温度。通过采取上述措施并经过变形过程的全程跟踪，发现该钢种虽然在锻造过程中易出现裂纹，但裂纹并不向深处扩展，如果合理地控制始锻和终锻温度，精心操作，能有效减轻表面裂纹，最终保证加工尺寸，合格上交。

3 结论

(1)经过两轮生产试制可以得出，采用电炉冶炼→炉外精炼→电渣重熔→锻造的工艺路线是可行的，能够生产出合格的1Mn18Cr18N汽轮机护环锻件。

(2)锻造加热温度采用1 190～1 210℃，终锻温度控制在900℃以上，综合锻比大于5。采用适当的锻造工序，多火次、小压下量进行锻造。粗加工序选择合适的刀具，并合理控制固溶处理制度，确保锻件内外质量都能满足用户的技术要求。

[1] 邱绍岐，等.电炉炼钢原理及工艺.冶金工业出版社，1996.

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