提高大口径厚壁Z2CND18-12奥氏体型不锈钢350℃高温强度的方法与流程

提高大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢350
℃
高温强度的方法
技术领域
1.本发明属于z2cnd18-12奥氏体型不锈钢技术领域，具体涉及一种提高大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢350℃高温强度的方法。


背景技术：

2.z2cnd18-12控氮奥氏体型不锈钢材料是一种超低碳奥氏体不锈钢。在海水和其他各种介质中，具有良好的耐高温点蚀性；并对亚硫酸、硫酸、磷酸、醋酸、甲酸、氯盐、卤素、亚硫酸盐均有良好的耐蚀性。焊接性能良好，适合多层焊，焊后无刀口腐蚀倾向。广泛应用在航空航天、船舶、石油化工及重要部件压力容器等领域，如高温压力容器、管道及结构件。
3.z2cnd18-12控氮奥氏体型不锈钢，是在0cr17ni12mo2n钢(gb/t1220-2007)的基础上采用控n元素而发展的，较022cr17ni12mo2n钢，其具有良好焊接性能及更高的高温强度和抗氯盐、卤素腐蚀性，可应用于核反应堆冷却剂系统管道。该材料钢固溶热处理后为少量a相铁素体+奥氏体组织。对壁厚40mm0cr17ni12mo2n管道按gb/t1220-2007标准成分冶炼及按传统镦锻工艺，固溶热处理后的晶粒度基本控制在2～5级，350℃高温屈服强度(rp0.2)也就在120-145mpa满足不了高要求压力容器、管道及结构件(核工业技术要求rp0.2≥150mpa)。由于此z2cnd18-12材料奥氏体不锈钢在加热闹升温及冷却过程不不发生组织相发，每进一次炉，晶粒度均只会发生不可逆的长大1～2级，其高温强度性能只会越来越差，再也无法通过后序热处理方法来改善力学性能，以至此锻件力学性能不合格而判废，造成生产成本巨大损失。这也是z2cnd18-12材料锻件在工业制选过程中难点所在。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种提高大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢晶粒度，从而提高350℃高温强度的方法。
5.为实现上述目的，本发明提供一种提高大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢350℃高温强度的方法，所述z2cnd18-12奥氏体型不锈钢化学元素按重量百分比包括c≤0.030、si≤0.030％、mn≤2.00％、p≤0.035％、s≤0.015％、cr17.00％～18.2％、mo2.25％～2.75％、ni11.5％～12.50、n≤0.080％、cu≤1.00％、co≤0.20％、b≤0.0018％、nb0.01％～0.20％；
6.所述方法包括采用多向锻造成型，总锻造总比控制在6～25，锻件成型总火次控制在四火次内。
7.进一步地，还包括将已加工完成的大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢管锻件置入加热炉中，随炉升温至600～650℃进行保温，保温时间3～5h；再升温至1065
±
15℃进行均温、保温，均温时间按3.0h/100mm计算，保温时间为均温时间的1/2，随后以8～25℃/s的速率水冷透却至80℃以下。
8.进一步地，所述大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢的管道外径为100～
1000mm，壁厚为10～100mm。
9.进一步地，所述大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢的管道外径为200～250mm，壁厚为50～100mm。
10.进一步地，所述nb的重量百分比为0.064～0.072％。
11.进一步地，所述总锻造总比控制在7～15。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明从成分优化及控制总锻造比(铌为强碳、氮化合物元素，在钢中易生成稳定的氮化物和氮化物，此化合物以弥散形式在钢在存在，从而有效地提高钢的强度力学性能；同时，铌的存在降低碳元素在晶界中易形成有害的碳铬化合物，进一步提高耐腐蚀性。控制总锻造比在6～25理想范围内，可有效地保证大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢钢质的致密度及锻件的整体晶粒度)的生产改进从而达到大幅细化z2cnd18-12控氮奥氏体型不锈钢晶粒细化，其晶粒度优于4级，显著提高了350℃高温下的强度。解决了z2cnd18-12控氮奥氏体型不锈钢在生产中因350℃高温拉伸强度低而使锻件不能通过后序热处理方法返工而报废的生产制造难题，并且成功解决了壁厚40mm以上高大口径厚壁z2cnd18-12控氮奥氏体型不锈钢350℃高温强度合格率低的制造难点。
13.经本发明生产的大口径厚壁z2cnd18-12控氮奥氏体型不锈钢锻件350℃高温强度(屈服rp0.2可达170～320mpa、抗拉rm可达470～520mpa)，性能指标完全能满足《rcc-m压水堆核岛机械设备设计和建造规则2000版+2002补遗》规范要求。
附图说明
14.图1为实施例1固溶热处理工艺图；
15.图2为实施例2固溶热处理工艺图；
16.图3为对比例1固溶热处理工艺图；
17.图4为对比例2固溶热处理工艺图。
具体实施方式
18.下面将结合附图，对本发明的实施方式作进一步阐述。
19.实施例1为600mm管道外径、80mm厚的耐高温强度z2cnd18-12不锈钢管道。
20.z2cnd18-12奥氏体型不锈钢化学元素按重量百分比包括c:0.035％，si:0.57％，mn:1.72％，p:0.015％，s:0.005％，cr:18.10％，mo:2.55％，ni:12.25％，n≤0.078％，cu≤0.10％，co≤0.01％，b:0.0008％，nb:0.072％。
21.采用多向锻造成型，总锻造总比控制在12，锻件成型总火次控制在3次内。
22.将已加工完成的大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢管锻件置入加热炉中，随炉升温至600～650℃进行保温，保温时间3h；再升温至1065
±
15℃进行均温、保温，均温时间按3.0h/100mm计算，保温时间为均温时间的1/2，随后以18℃/s的速率水冷透却至80℃以下，如图1所示。
23.对实施例1生产的大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢锻件作了力性能测试，机械性能的取样位置为距管壁内侧1/4壁厚处。机械性能指标如下表1，其350℃高温屈服强度rp0.2可达225mpa,锻件本体金相组织为7.0级奥氏体晶粒。
24.表1
[0025][0026]
本实施例1z2cnd18-12奥氏体型不锈钢锻件力学性能满足《rcc-m压水堆核岛机械设备设计和建造规则2000版+2002补遗》规范z2cnd18-12控氮材料要求；还远高于国内s31653材料(gb/t1220-2007)技术要求，完合能满足于反应堆冷却剂系统工程技术要求(rp0.2≥150mpa)。
[0027]
实施例2为500mm管道外径、40mm厚的耐高温强度z2cnd18-12不锈钢管道。
[0028]
z2cnd18-12奥氏体型不锈钢化学元素按重量百分比包括：c:0.029％，si:0.62％，mn:1.72％，p:0.012％，s:0.003％，cr:17.68％，mo:2.45％，ni:11.75％，n≤0.077％，cu≤0.13％，co≤0.02％，b:0.0002％，nb:0.064％。
[0029]
采用多向锻造成型，总锻造总比控制在13，锻件成型总火次控制在3次内。
[0030]
将已成型且加工好的40mm厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢管锻件置入到加热炉中，随炉升温至600～650℃进行低温保温，低温保温时间3h；再升温至1065
±
15℃进行高温均温、保温，均温时间按3.0h/100mm计算，保温时间为均温时间的1/2，随后以至少18℃/s水冷透却至80℃以下，如图2所示。
[0031]
对实施例2生产的大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢锻件作了力性能测试，机械性能的取样位置为距管壁内侧1/4壁厚处。机械性能指标如下表2，其350℃高温屈服强度rp0.2可达291mpa，锻件本体金相组织为8级奥氏体晶粒。
[0032]
表2
[0033][0034]
本实施例1z2cnd18-12奥氏体型不锈钢锻件力学性能满足《rcc-m压水堆核岛机械设备设计和建造规则2000版+2002补遗》规范z2cnd18-12控氮材料要求；还远高于国内s31653材料(gb/t1220-2007)技术要求,完合能满足于反应堆冷却剂系统工程技术要求(rp0.2≥150mpa)。
[0035]
对比例1为600mm管道外径、80mm厚的耐高温强度z2cnd18-12不锈钢管道。
[0036]
《rcc-m压水堆核岛机械设备设计和建造规则2000版+2002补遗》规范z2cnd18-12控氮材料进行冶炼，不添加化学元素nb元素；具体化学成分如下：
[0037]
其大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢锻件的化学成分％、wt，熔炼分析如下：c:0.029％，si:0.68％，mn:1.53％，p:0.014％，s:0.004％，cr:17.45％，mo:2.53％，ni:11.62％，n≤0.068％，cu≤0.11％，co≤0.01％，b:0.0006％。
[0038]
采用单道镦粗拔长锻造工艺，总锻造总比控制在4.5，锻件成型总火次为5次。将已成型且加工好的80mm厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢管锻件置入到加热炉中，随炉升温至
600～650℃进行低温保温，低温保温时间3h；再升温至1065
±
15℃进行高温均温、保温，均温时间按3.0h/100mm计算，保温时间为均温时间的1/2，随后以至少18℃/s水冷透却至80℃以下，如图3所示。
[0039]
对对比例1生产的大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢锻件作了力性能测试，机械性能的取样位置为距管壁内侧1/4壁厚处。机械性能指标如下表3，其350℃高温屈服强度rp0.2仅120mpa，锻件本体金相组织为3级奥氏体晶粒。
[0040]
表3
[0041][0042]
对比例1z2cnd18-12奥氏体型不锈钢锻件锻件，由于未添入细晶元素nb，同时总锻造比为5。按对比例1进行固溶热处理后350℃高温屈服强度rp0.2仅120mpa，其力学性能不满足《rcc-m压水堆核岛机械设备设计和建造规则2000版+2002补遗》规范z2cnd18-12控氮材料要求，远低于反应堆冷却剂系统工程技术要求(rp0.2≥150mpa)。
[0043]
对比例2为500mm管道外径、40mm厚的耐高温强度z2cnd18-12不锈钢管道。
[0044]
《rcc-m压水堆核岛机械设备设计和建造规则2000版+2002补遗》规范z2cnd18-12控氮材料进行冶炼，不添加化学元素nb元素；具体化学成分如下：
[0045]
其大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢锻件的化学成分％、wt，熔炼分析如下：c:0.028％，si:0.53％，mn:1.43％，p:0.013％，s:0.003％，cr:17.35％，mo:2.63％，ni:11.55％，n≤0.073％，cu≤0.10％，co≤0.01％，b:0.0002％。
[0046]
采用单道镦粗拔长锻造成型，总锻造总比控制在5，锻件成型总火次为3次。
[0047]
将已成型且加工好的40mm厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢管锻件置入到加热炉中，随炉升温至600～650℃进行低温保温，低温保温时间3h；再升温至1065
±
15℃进行高温均温、保温，均温时间按3.0h/100mm计算，保温时间为均温时间的1/2，随后以至少18℃/s水冷透却至80℃以下，如图4所示。
[0048]
对对比例2生产的大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢锻件作了力性能测试，机械性能的取样位置为距管壁内侧1/4壁厚处。机械性能指标如下表,4，其350℃高温屈服强度rp0.2仅130mpa，锻件本体金相组织为3级奥氏体晶粒。
[0049]
表4
[0050][0051]
对比例2由于未添入细晶元素nb，同时总锻造比为5。按对比例2进行固溶热处理后350℃高温屈服强度rp0.2为130mpa，其力学性能仅满足于《rcc-m压水堆核岛机械设备设计和建造规则2000版+2002补遗》规范z2cnd18-12控氮材料要求，但不满足于反应堆冷却剂系统工程技术要求(rp0.2≥150mpa)。
[0052]
从实施例1、2与对比例1、2的350℃高温屈服强度、金相晶粒度数据对比，本发明对z2cnd18-12奥氏体型不锈钢成分进行优化，并增加细化晶粒化学元素nb0.01％～0.20％；同时在锻造过程中采用多向锻造成型，总锻造总比控制在6～25，锻件成型总火次控制在4火次内控；此z2cnd18-12奥氏体型不锈钢材料锻造方法可力学性能满足《rcc-m压水堆核岛机械设备设计和建造规则2000版+2002补遗》规范z2cnd18-12控氮材料要求；还远高于国内s31653材料(gb/t1220-2007)技术要求,完合能满足于反应堆冷却剂系统工程技术要求(rp0.2≥150mpa)。

技术特征：
1.一种提高大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢350℃高温强度的方法，其特征在于：所述z2cnd18-12奥氏体型不锈钢化学元素按重量百分比包括c≤0.030、si≤0.030％、mn≤2.00％、p≤0.035％、s≤0.015％、cr17.00％～18.2％、mo2.25％～2.75％、ni11.5％～12.50、n≤0.080％、cu≤1.00％、co≤0.20％、b≤0.0018％、nb0.01％～0.20％；所述方法包括采用多向锻造成型，总锻造总比控制在6～25，锻件成型总火次控制在四火次内。2.根据权利要求1所述提高大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢350℃高温强度的方法，其特征在于：还包括将已加工完成的大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢管锻件置入加热炉中，随炉升温至600～650℃进行保温，保温时间3～5h；再升温至1065
±
15℃进行均温、保温，均温时间按3.0h/100mm计算，保温时间为均温时间的1/2，随后以8～25℃/s的速率水冷透却至80℃以下。3.根据权利要求1所述提高大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢350℃高温强度的方法，其特征在于：所述大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢的管道外径为100～1000mm，壁厚为10～100mm。4.根据权利要求1所述提高大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢350℃高温强度的方法，其特征在于：所述大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢的管道外径为200～250mm，壁厚为50～100mm。5.根据权利要求1所述提高大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢350℃高温强度的方法，其特征在于：所述nb的重量百分比为0.0064～0.0072％。6.根据权利要求1所述提高大口径厚壁z2cnd18-12奥氏体型不锈钢350℃高温强度的方法，其特征在于：所述总锻造总比控制在7～15。

技术总结
本发明公开了一种提高大口径厚壁Z2CND18-12奥氏体型不锈钢350℃高温强度的方法，包括C≤0.030、Si≤0.030％、Mn≤2.00％、P≤0.035％、S≤0.015％、Cr17.00％～18.2％、Mo2.25％～2.75％、Ni11.5％～12.50、N≤0.080％、Cu≤1.00％、Co≤0.20％、B≤0.0018％、Nb0.01％～0.20％；采用多向锻造成型，总锻造总比控制在6～25，锻件成型总火次控制在四火次内。本发明从成分优化及控制总锻造比的生产改进从而达到大幅细化Z2CND18-12控氮奥氏体型不锈钢晶粒细化，其晶粒度优于4级，显著提高了350℃高温下的强度。显著提高了350℃高温下的强度。显著提高了350℃高温下的强度。


技术研发人员：刘国平 王小军 王强 罗波 熊武 肖海生 余兴法 张继雄 刘琦 郭伟锋 汪烜
受保护的技术使用者：武汉重工铸锻有限责任公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/8/21