高性能 630（S17400）不銹鋼板材生產(chǎn)工藝研究

丁五洲*，嚴(yán) 平，楊 哲，楊芙蓉

（寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721014）

UNS N17400(630)是馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，可以通過變動(dòng)熱處理工藝來調(diào)整性能，馬氏體相變和時(shí)效處理形成沉淀硬化相是其主要強(qiáng)化原因。固溶處理產(chǎn)生馬氏體相變，再經(jīng)過時(shí)效處理沉淀析出細(xì)小、彌散的富Cu相，強(qiáng)度較高，同時(shí)該合金具備耐腐屬性。因此多用于既要求耐腐蝕性又要求高強(qiáng)度的部件，適用于制作海上平臺(tái)、航天渦輪機(jī)葉片、核乏料容器罐外殼、軸類、燃?xì)庠捌渌邷啬透g用途[1，2]。

國內(nèi)該合金的生產(chǎn)企業(yè)主要是一些特殊鋼廠，生產(chǎn)工藝一般為傳統(tǒng)不銹鋼生產(chǎn)工藝，即熔煉澆注為鑄坯，然后直接軋制。該工藝方法生產(chǎn)的產(chǎn)品用于一般用途可以，但是類似核電、汽車彈簧等高端用途時(shí)質(zhì)量欠佳，性能不能滿足，主要表現(xiàn)為高溫力學(xué)性能不能滿足、表面質(zhì)量差、易開裂、成品率低、成型性差。

核電領(lǐng)域核乏料存儲(chǔ)用裝備制造對(duì)該合金板材有大量需求。所謂核乏料就是在反應(yīng)堆內(nèi)使用過后產(chǎn)出的核燃料，也被稱為乏燃料或者乏料，泛指具有放射性的廢料，在使用中通常特指核乏料中的次錒系核素和裂變產(chǎn)物[3]。

隨著我國核電產(chǎn)業(yè)的深入發(fā)展，在大力使用核能的同時(shí)，如何安全有效的處理核乏料是迫切需要解決的問題，而采用深埋法進(jìn)行處理是一種有效的方法，方法為核乏料裝入該合金為外殼的特制容器進(jìn)行深埋。鑒于核電發(fā)展，核乏料會(huì)持續(xù)產(chǎn)生，該合金牌號(hào)的高品質(zhì)中厚板需求持續(xù)增大。而傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的板材質(zhì)量問題不能夠滿足要求，基于此，客戶委托我公司進(jìn)行研發(fā)，目標(biāo)是板材室溫到250℃性能均滿足，板形平整，加工性能良好，易于罐體加工成型，不開裂。

1 實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的630（S17400）合金存在的問題主要是由原料、熔煉方式、加工工藝及熱處理工藝所決定的。其一般采用鐵合金等原料，內(nèi)部夾雜物、有害間隙元素多。生產(chǎn)方式為直接澆注方坯，不經(jīng)過鍛造直接軋制。綜合導(dǎo)致所生產(chǎn)合金板材高溫性能差、對(duì)熱應(yīng)力很敏感，熱塑性差、加工易裂，成型性也較差，只能用于一般用途。

實(shí)驗(yàn)為解決夾雜物、有害間隙元素的問題，原料不再使用鐵合金，而選用高品質(zhì)，低有害元素的純金屬如原料純鐵、鈮條、電解錳、金屬鉻等。

改變?nèi)蹮捁に嚍檎婵崭袘?yīng)加電渣重熔兩步法，并且改進(jìn)為鍛造坯，工藝方案制定為。

圖1 改進(jìn)后的熔煉工藝實(shí)施步驟

鍛造使用箱式電阻爐加熱，加熱溫度為1150℃，鍛造設(shè)備為4500t壓機(jī)。

軋制使用3.3m熱軋機(jī)，天然氣爐加熱，加熱溫度為1150℃。

新工藝生產(chǎn)板材編號(hào)為S1，熱處理采用兩種方案，為固溶（ST）和固溶加時(shí)效（STA）；而傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的編號(hào)為S2，因已有固溶ST性能數(shù)據(jù)表明不能滿足要求，故只做STA處理，兩種方案分別進(jìn)行性能檢測(cè)以作對(duì)比。

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)確定的關(guān)鍵技術(shù)：

（1）合金的熔煉技術(shù)，包含熔煉方法、工藝參數(shù)、原料，為保證性能的關(guān)鍵。

（2）板坯鍛造和中厚板軋制加工技術(shù)。

表1 試驗(yàn)料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

（3）熱處理工藝參數(shù)。

2.1 熔煉工藝研究

試驗(yàn)鑄錠采用真空感應(yīng)熔煉加電渣重熔雙聯(lián)法熔煉，有效地去除了非金屬夾雜物、有害氣體H、O、N以及低熔點(diǎn)金屬夾雜元素Pd、Bi等，同時(shí)可以將P、S控制在極低的水平。同時(shí)可以有效地消除疏松、皮下氣孔等缺陷，使得鋼質(zhì)致密、純凈、均勻[4-8]。最終熔煉的合金鑄錠化學(xué)成分見表1。

試驗(yàn)嚴(yán)格控制原料處理和使用，采用純凈的純金屬原料，經(jīng)真空冶煉，降低了有害雜質(zhì)元素P、S的含量。規(guī)范了渣系材料的采購標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)渣系材料的預(yù)處理和精煉過程制定了規(guī)范，確保熔融渣的純潔度和質(zhì)量。真空感應(yīng)熔煉過程中，確保熔前和過程中的真空度。

同時(shí)自耗電極鑄錠的表面和頭尾部，在轉(zhuǎn)序過程中都必須嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行徹底處理，不得有氧化物、油污、鐵銹等有害物質(zhì)的污染。中間合金、添加劑在破碎、切割、篩分、組批、包裝、運(yùn)輸、使用過程中要嚴(yán)格執(zhí)行生產(chǎn)工藝規(guī)程。過程中不得有任何污染，也不允許有其他夾雜物的進(jìn)入。進(jìn)一步提高鋼質(zhì)純凈度，減少非金屬夾雜物和有害間隙元素，提高630（S17400）合金的冶金質(zhì)量，提高熱塑性和成品率。

2.2 熱加工工藝工藝研究

板坯鍛造使用4500t壓機(jī)，加熱溫度為1150℃，保溫時(shí)間為5h，板坯鍛造規(guī)格為200×≥900×L。

于3.3m熱軋機(jī)進(jìn)行軋制。坯料使用天然氣爐加熱，加熱溫度為1160℃～1180℃，時(shí)間為1.3min/mm。630鋼熱傳導(dǎo)性差，需要預(yù)熱并緩慢升溫，避免熱應(yīng)力集中致使內(nèi)裂[9]，要求小于850℃裝爐，隨爐升溫。

采取二火軋制出成品：一火由200mm→50×B×Lmm，軋制后采取堆冷緩慢冷卻。將毛坯扒皮，水切割下料后進(jìn)行二火軋制，加熱溫度為1160℃～1180℃，時(shí)間為1.3min/mm，軋至14×B×Lmm。

2.3 熱處理工藝研究

板材的熱處理采用的兩種方案性能測(cè)試結(jié)果如下：

（1）1040℃固溶（ST），性能見表2。表2顯示S1的室溫和150℃性能滿足，但是200℃和250℃的延伸率不足。

（2）1040℃固溶和621℃時(shí)效處理增加一次820℃中間調(diào)整處理（STA），性能見表3。S1力學(xué)性能完全滿足要求。S2高溫150℃～250℃強(qiáng)度值偏低，不能滿足。

表2 630板材力學(xué)性能數(shù)據(jù)（ST）

表3 630板材力學(xué)性能數(shù)據(jù)（STA）

圖2 成品板材進(jìn)行酸洗加磨光表面處理與水切割后板材開裂情況對(duì)比圖

最終采用1040℃固溶和621℃時(shí)效處理增加一次820℃中間調(diào)整處理。成品板材表面處理方式為酸洗加磨光，板面質(zhì)量良好。成品切割使用水切割機(jī)，不得使用火焰切割或者等離子切割，避免熱應(yīng)力裂紋。

板材逐張進(jìn)行探傷，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為ASME 第Ⅲ卷第1部分NB-2532直射法，檢查結(jié)果滿足要求。

板材板形平整，加工成型性良好，沒有出現(xiàn)以往其它方法生產(chǎn)的板材成型時(shí)開裂的情況。

3 結(jié)論

（1）630合金冶煉原料采用全新純金屬，熔煉工藝為感應(yīng)加電渣重熔雙聯(lián)法可以有效地提高冶金質(zhì)量，消除傳統(tǒng)熔煉方式的固有缺陷。

（2）由傳統(tǒng)的鑄坯改進(jìn)為鍛造坯，再結(jié)合軋制、調(diào)整熱處理的工藝，可以大幅的提高其產(chǎn)品的綜合性能。

（3）試驗(yàn)使用的工藝所生產(chǎn)的630中厚板，性能優(yōu)良，尤其是解決了高溫性能、成型性能不良的問題，滿足核電裝備使用等高端用途的要求。