Z2CND18-12N.S阀门钢锻造工艺研究

于 英 李道志 王喜春

(东北特钢集团大连特钢锻压厂，辽宁116105)

随着我国核电事业的快速发展，对核电用钢的要求也在不断的提高。 Z2CND18-12N.S因具有优秀的耐晶间腐蚀性能和力学性能而用于制造核级阀门。Z2CND18-12N.S为单相的奥氏体不锈钢，没有相变，不能通过热处理增强其性能。并且由于其热锻过程中温降较大、可锻温度区间窄、变形抗力大、裂纹敏感性强等特点，生产难度极大。通过对该钢种的深入分析，参照相近牌号的生产数据和经验，制定出合理的锻造工艺。通过前期四支锻件的试制，成功地开发出了核级阀门用钢Z2CND18-12N.S产品。

1 试制工艺

Z2CND18-12N.S钢的化学成分如表1所示。根据钢的化学成分，可以看到它与316钢相似。碳含量低但没达到超低碳范围，可确保耐晶间腐蚀和必要的强度。适当的Cr/Ni当量比，可使钢中存有少量铁素体，并使其具有良好的综合性能。这样不仅能改善腐蚀抗力、焊接性能、可加工性，也可提高力学性能。而如果有较多的铁素体含量，则可以引起钢的脆化，相应地会恶化热加工性能。

参照以往316钢的生产经验，制定出Z2CND18-12N.S钢生产工艺路线为：电渣锭加热 → 35MN快锻机锻造 → 散放空冷 → 检验 → 粗加工 → 无损检测 → 检查、包装、交付。

锻件的规格为∅550 mm，长2 020 mm。在生产中选用9.6 t电渣锭(冷锭)(钢锭规格：∅930 mm/∅970 mm)。

表1 Z2CND18-12N.S钢的化学成分(质量分数，%)

1.1 加热

该钢合金含量高、导热系数低，并且在500～900℃温度区间加热和冷却控制不当，会析出含Cr高的金属间化合物和σ相，降低塑性。在实际操作中，加热时既要考虑快速通过该温度区间，又要考虑减小内外温差，降低热应力的影响。该钢种的加热曲线如图1所示。

图1 Z2CND18-12N.S钢加热工艺曲线Figure 1 The heating process curve of steel Z2CND18-12N.S

工艺规定在≤450℃温度范围内装炉，保温一定时间，然后以一定的速度升温到850℃+50℃，再控制速度升温至锻造温度进行保温。310系列不锈钢，在高温段会产生铁素体，所以在1 150～1 170℃的保温时间应充足，但不宜过长，保证均匀透烧即可。这样不仅可以减少铁素体的量，改善偏析，而且降低热加工时的变形抗力，防止晶粒粗大。

1.2 锻造

首先，锻造比确定为≥3。合理的锻造比不但能获得细小均匀的组织，还能够提高力学性能、抗晶间腐蚀性能，以及降低锻造变形难度。其次，为避免锻造开裂，又要满足锻造比的要求，必须采用小变形量的镦-拔变形过程，同时防止出现过大的拉应力，产生拉裂。工艺规定了每道次的压下量，根据温降速度确定了每火次的变形量、中间停锻温度、返炉加热温度和保温时间以及最后一火次的锻造比。锻造变形过程见表2。

表2 锻造变形过程

2 检验指标和结果

2.1 力学性能

为检验锻件最终热处理的性能，在锻件上取∅25 mm的试样做模拟热处理。热处理制度为固溶温度在1 050～1 150℃之间，保温30 min后水冷。试样的力学性能检验结果如表3所示。

2.2 敏化检验

声响试验：将试验后的试样落在金属检验平台上，发出清脆的金属声。

弯曲试验：将试验后的试样缓慢地弯曲90°，弯曲后试样拉伸面无裂纹。

2.3 晶粒度

按ASTM E112标准进行晶粒度评定，晶粒度为8级。

2.4 非金属夹杂物

按GB/T 10561的规定进行评定，钢中非金属夹杂物的检验数值见表4。

2.5 超声检测

按照GB/T 4162对锻材进行超声检测，指标达到A级。

3 分析与讨论

从这4支锻件的试制情况看，加热时控制≤450℃阶段的保温时间，控制450～900℃之间的加热速度，可以有效地减少钢锭在加热过程中的热应力。严格控制钢锭在1 150～1 170℃的保温时间，可避免产生过多的铁素体，避免对锻件性能产生不利影响。

表3 固溶后的力学性能检验结果

表4 非金属夹杂物检验结果

锻造过程中，采取镦拔工艺，不仅可以得到细晶粒，还能够满足严格的无损检测要求。要合理采用小压下量、多火次进行锻造，必须准确控制终锻温度。在锻造过程中，如果合理地控制始锻和终锻温度并精心操作，能有效避免和减轻表面裂纹，即使产生裂纹也不至于向深处扩展。

4 结语

(1)通过这4支锻件的试制成功，表明生产工艺路线是可行的，可以生产出满足技术要求的核级阀门钢。

(2)严格执行加热工艺，可以有效控制铁素体含量。采用锻比≥3，经镦-拔变形，小压下量、多火次的锻造工艺，可以生产出满足技术要求的锻件。

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