上海新闵重型锻造有限公司
摘要：介绍了一种堆内构件用X6NiCrTiMoVB25-15-2锻件的加热及锻造方法，得到较好的晶粒度及力学性能值，满足了堆内构件用材料的技术要求；
关键词：铁基高温合金，锻造 过烧，晶粒度
堆内构件是反应堆本体结构中的重要设备之一，其安装在反应堆压力容器内，容纳并支承堆芯，与反应堆压力容器、控制棒驱动机构、燃料组件及相关组件等设备组合在一起实现反应堆功能。在反应堆压力容器中，除了燃料组件及相关组件以外的全部结构件所用的材料，这类材料均需要承受高中子注量的辐照和冷却的腐蚀，而且要在高温、负载工况下保持足够的强度，使用条件十分苛刻，对材料性能的要求相当高、目前均采用X6NiCrTiMoVB25-15-2材料，该材料类似于国内GH132合金，是以Fe-15%Cr-25%Ni为基组成稳定的奥氏体基体，加入钛借助时效处理析出弥散的γ’相作为主要强化手段，合金成分较多，时效强化机理复杂，工艺处理不当极容易造成材料报废。且设计方要求在棒材中心取样试验，需要解决锻件心部晶粒度及防止锻件中心开裂等问题。
1.X6NiCrTiMoVB25-15-2材料的锻造特点与主要技术要求：
1.1锻造与加热特点
(1)X6NiCrTiMoVB25-15-2是一种铁基高温合金，是以金属间化合物强化的奥氏体热强钢，这类钢没有相变重结晶，所以只能通过锻造工艺的优化设计提高的产品的晶粒度。该材料的变形抗力大，可锻温度范围窄，温度降低时材料塑性急剧降低，变形难度增大，坯料拔长时易产生端部开裂，进而引起坯料贯穿性裂缝导致产品报废。对于轴类与圆棒类产品，坯料拔长后，由方倒角时如果温度过低，锤击力过大极易产生中心开裂。为达到技术条件要求的晶粒度，坯料需要足够大的锻造比，且产品最后一火需要足够大的变形量。
(2)当该材料加热温度大于1120℃时，合金中C、B、Ti等元素在晶界上富集、这必然降低合金晶界强度，增加合金的锻造脆性，极易出现锻造裂纹。如果锻造加热温度大于1150℃，则该材料完全由于过烧而报废（如下图所示），为了保证良好的锻造性能该材料一般加热温度为1080℃-1120℃，根据钢锭大小，φ500钢锭保温时间一般为4-6h， 坯料保温时间一般为1.5h-2h。 下图为过烧图片；
1.2主要技术要求
（1）力学性能要求：
（2）金相检验：
1）晶粒度
要求棒材的晶粒度为4级或更细。
2）非金属夹杂物
A类（硫化物类）≤1.5级、B类（氧化铝类）≤1.5级、
C类（硅酸盐类）≤1.5级、D类（球状氧化物类）≤1.5级 、
Ds类（单颗粒球状类）≤1.5级；各类非金属夹杂物（考虑碳氮夹杂物、氮化物之和）均不能超过2.0级；
2.锻造工艺（以导向螺柱为例，产品共8件）
2.1原材料的选用
针对采购技术条件对锻件非金属夹杂物的要求；钢锭采用φ500真空感应+电渣锭，锭重3.1吨，共两支。
2.2锻造设备
出坯时采用8T电液锤，成品生产时，为保证最后一火一次成型，采用8T电液锤与3T电液锤联合生产。
锻件图如图1所示：锻件工艺重量720kg ，每支锭开坯后生产4件产品，数量共8件。
图1
2.2钢锭加热与出坯
钢锭装炉温度必须小于450℃，加热工艺如图2所示。技术要求：锻造始锻温度为≥1050℃，终锻温度为≥900℃。
图2
出坯工艺：第一火：钢锭出炉轻拍整个表面，锻合钢锭皮下缺陷提高表层金属的塑性和强度，防止变形时产生表面开裂，轻拍后坯料回炉保温2h。第二火，加大锤击力度，锻造一头，不允许掉头锻打，因锻造时另一端在夹钳夹持下表面温度迅速降低，如果掉头锻造，非常容易引起表面开裂，锻后回炉保温1.5h。第三到第五火：一火次锻造一头，勤倒角，防止角部温度过快降低形成角裂，均温后即可出炉锻造，锻后空冷。
2.3产品锻造工艺
钢锭出坯后表面要打磨清理，去除出坯时钢锭表面遗留下的缺陷，按工艺重量下料：300 mm *360 mm *850 mm，坯料加热工艺如图3所示：
图2
第1火次：轻拍坯料，去除表面应力，回炉保温1.5h。
第2火次：坯料由850mm镦粗至550mm，再拔长至≥850 mm；因材料高温塑性较低，镦粗时镦粗高度不能过低，防止拔长时缩孔与端部开裂，拔长时长度不能过长，防止镦粗时弯曲缩腰，导致坯料表面折叠，故坯料的高度与直径之比控制在1.2-2.5之间，出坯过程中要勤倒角，防止角部温度过低而形成角裂，锻后坯料回炉保温1.5h。
第3火次：坯料由850mm镦粗至550mm，再拔长锻至320 mm八角，大头压肩370mm长，锻件回炉保温30-40分钟，加热温度调整为1080℃,由于最后一火大头变形量较小，必须控制锻件回炉再烧保温时间与温度，如果回炉时间过长，温度过高，前两火次锻造形成的细晶粒会重新长大，而最后一火大头的变形量较小，容易引起大头粗晶。
第4火次：拔长小头，倒角、采用专用上下扣模具对大头与小头扣圆。为保证产品晶粒度，最后一火必须一次成型，8T锤先拔长小头至170方，立即吊运至3T锤倒角，扣圆。如采用8T锤倒角，因锤击力量较大，极易引起中心开裂。如完全采用3T锤拔长小头，由于3T锤力道较小，拔长较慢，最后一火无法一次成型,回炉再加热，极易引起粗晶或混晶现象而导致锻件报废。
2.4产品锻造后超声波与晶粒度检测
锻后对产品毛坯进行超声波检查，未发现裂缝及其它缺陷。
为满足成品交货时的晶粒度要求，我们对产品热处理前大小头分别进行实物晶粒度检测，检测结果大头晶粒度为5.5级，小头晶粒度为6.0级。
2.5热处理后产品的性能及晶粒度与夹杂物
热处理我们采用固溶+时效硬化工艺：980℃保温1.5小时，快速冷却至室温，再加热至725℃，时效16个小时后空冷。
产品性能及晶粒度数据如下：
通过试验检测，产品的性能与晶粒度和夹杂物的要求都满足采购技术条件要求。
结论
1、该材料加热温度为1080℃-1120℃，如果温度超过1150℃则会引起过烧而导致材料报废。
2、锻造过程中坯料严格控制高径比，最好控制在1.2-2.5之间，
对于轴类与圆棒类产品，锻件倒角时温度不能过低，倒角力度要轻，要分多趟倒角，否则极易引起锻件中心开裂而报废。
3、该材料固溶热处理后锻件的晶粒度会有所降低，约降低0.5-1.0级，所以锻后产品晶粒度必须大于5.0级，为保证固溶产品晶粒度合格，锻件最后一火的变形量要大于30% ，锻件最后一火回炉再烧时间不能超过1小时。
参考文献：
刘公安 GH132合金性能的工艺控制 机械工程材料 1990年第一期
高宏恩 李锁才 0Cr15Ni25Ti2MoVB钢固溶处理与力学性能的关系 风机技术2002年第2期
论文作者:邓松
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/31
标签：晶粒论文; 坯料论文; 钢锭论文; 材料论文; 倒角论文; 温度论文; 小头论文; 《防护工程》2019年8期论文;