大口径超级双相不锈钢阀体的研制_王行.pdf

试验研究2022年第12期/第71卷1485大口径超级双相不锈钢阀体的研制王行1,2,3,王爱琴1,李昌义2,3,禹兴胜2,3,谢敬佩1,贾冠飞2,3,魏加赞2,3,胡中华2,3（1.河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳 471023；2.洛阳中重铸锻有限责任公司，河南洛阳 471039；3.中信重工机械股份有限公司，河南洛阳 471039）摘要：针对四代核电钠冷快堆循环水泵大口径超级双相不锈钢阀体铸件制造中出现的开裂、缩松、缩孔和冷隔等问题，开展了第二相析出、铸造工艺和固溶冷速模拟工艺探索，以研究其对铸件组织、性能和成形的影响。结果表明，铸件冷却至1 000 左右打箱空冷，析出第二相较少，随着打箱温度降低，第二相析出比例逐渐增加；对铸件进行型线流畅设计、浇注系统和补缩系统等方面合理设计，并经铸件凝固过程数值模拟，预测铸造工艺实施结果良好；当固溶冷却速率大于0.4/s时，可有效避免铸件组织中第二相的析出。根据工艺研究结果来生产阀体，铸件固溶热处理后组织中相和相比例接近11，关键部位射线探伤满足技术标准要求，铸件力学性能和耐腐蚀性能优异，可较好满足海水氯化物腐蚀介质工况要求。关键词：超级双相不锈钢；阀体；显微组织；铸造工艺模拟作者简介：王行（1989-），男，博士研究生，主要研究方向为不锈钢材料的设计和开发。E-mail：通讯作者：王 爱 琴，女，教 授，博士 生 导 师，E-mail：aiqin_；禹兴胜，男，高级工程师，E-mail：中图分类号：TG245；TG250.6文献标识码：A 文章编号：1001-4977（2022）12-1485-05基金项目：洛 阳 市 重 大 科 技 专 项（2021005A）。收稿日期：2022-02-22 收到初稿，2022-03-07 收到修订稿。核电钠冷快堆循环水泵用超级双相不锈钢阀体作为先进第四代核能系统的主要部件，其与海水长期接触过程中易产生孔蚀和缝隙腐蚀等，要求具有高强度、高致密性，较强耐氯化物腐蚀性能、耐流体和冲刷腐蚀性能，超级双相不锈钢5A材质可较好地满足海水苛刻工况的要求1-3。随着合金含量的提高，超级双相不锈钢制造难度也随之增大，生产制造中在600950 阶段易产生以相为代表的脆性第二相及400500 阶段铁素体发生脆性分解均易导致铸件开裂4-7。此外，阀体铸件规格为DN2000，几何尺寸为2 620 mm2 265 mm760 mm，毛重5 000 kg，壁厚20150 mm，局部部位壁厚差值较大，应力易集中，阀门轴孔处结构较为复杂，铸件热节较多，铸造工艺不当极易产生缩孔、裂纹、气孔、变形、粘砂、冷隔、浇不足、夹渣、尺寸精度低和射线探伤不合格等问题8-12。通过研究相析出规律，采用热打箱装炉及加速固溶冷却速度等措施，有效解决了脆性相析出导致的铸件开裂问题；通过合理设计铸型、浇注系统和补缩系统，实现了大口径超级双相不锈钢阀体铸件的高质量铸造成形。1试验方法原材料采用工业纯铁、金属铬、镍板、钼铁和氮化铬，参照美国机械工程师协会标准ASME SA-995（2015版）5A成分范围如表1所示，采用KGPS-100型中频感应炉进行熔炼。熔炼完成后浇注成若干标准双基尔试块，在砂箱中加装铠装热电偶对试块凝固过程测温，分别冷却至1 000、800、400 打箱空冷至室温，并增加未空冷试块作对照。在基尔试块根部取样部位线切割规格为18 mm30 mm金相试样，并采用软件对第二相析出比例进行定量测量，以研究第二相析出规律。试表15A超级双相不锈钢标准成分Table 1 Nominal chemical composition of 5A super duplex stainless steel wB/%C0.03S0.04N0.100.30Si1.00Ni6.08.0Mn1.50Cr24.026.0P0.04Mo4.05.0Vol.71 No.12 20221486试验研究图2第二相组织扫描形貌及能谱分析Fig.2 SEM images and energy spectrum analysis of the secondary phase表1试样化学成分Table 1 Chemical composition of specimen wB/%样在1 080 进行固溶处理，以确保无第二相析出，加工至3 mm10 mm。采用Formastor-F全自动相变仪，在真空状态下采用10/s速率加热至1 080 保温20 min，然后分别以0.05/s、0.1/s、0.2/s和0.4/s冷却速率冷却至室温，以研究不同冷却速率对第二相析出的影响。采用腐蚀液（氯化铁3 g，盐酸40 mL及水100 mL溶液）蚀刻35 min，在光学显微镜下（OM，ZEISS AXIO OBSERVER，Carl Zeiss AG，Jena，Germany）观察金相组织中第二相。采用MIAPS软件对组织中第二相含量进行测量统计。用扫描电子显微镜（SEM，ZEISS EVO-18，Carl Zeiss AG，Jena，Germany）及附带能谱仪（EDS）观察第二相形貌，并进行能谱分析。2试验结果及分析2.1空冷温度对第二相析出的影响图1所示为在不同温度下打箱空冷的金相组织。金 （a）1 000 空冷至室温 （b）800 空冷至室温 （c）400 空冷至室温 （d）未空冷图1不同温度空冷后第二相组织形貌Fig.1 Microstructure of the secondary phase after air cooling at different temperatures相组织均由浅色岛状奥氏体相、基体铁素体相和铁素体所分解的深色第二相组成。图1a所示为1 000 打箱空冷组织，可以看出，在个别区域沿着铁素体和奥氏体相界面出现了少量第二相的析出。随着打箱温度降低，两相交界处深色第二相析出比例增大，在800 打箱空冷条件下，试验钢铸态组织中奥氏体相周围第二相析出比例约为10.3%（图1b）；400 打箱空冷铸态组织第二相析出比例继续增加至约17.2%（图1c）。作为对比试块，浇注后在砂型中缓冷至室温的组织第二相析出比例高达24.1%（图1d）。图2所示为800 打箱空冷组织的扫描组织。第二相以相为代表，属于TCP四方结构，普遍认为通过（）+2共析反应而生成4-6。能谱分析可以看出，该区域（黑色框）的第二相成分富Cr、Mo，含量分别高达27.45%和8.53%，远高于基体中平均含量。此外，该区域Ni含量仅为4.09%，低于基体中含量。第二相属硬脆相，在两相交界处析出极易在铸件应力作用试验研究2022年第12期/第71卷1487下出现裂纹导致铸件开裂11-14，生产中如何控制工艺参数以避开脆性相析出，成为解决超级双相不锈钢铸件开裂的关键。针对阀体铸件重量较大且壁厚较厚，传统冷打箱方式极有可能造成铸件开裂。因此，采用基尔试块进行工艺试验，以探索超级双相不锈钢5A材料特性，为实际生产工艺提供参考。根据冷却工艺试验结果，铸件浇注凝固冷却至9001 100 范围内热打箱装炉进行固溶热处理，固溶保温结束后快速入水冷却方案，能有效避免第二相析出导致铸件开裂的风险。2.2铸造工艺大口径超级双相不锈钢阀体铸造工艺设计如图3a所示，在上、下法兰及轴孔等阀体铸件相应热节部位设置明、暗冒口，并辅助冷铁，提高冒口补缩效果；为使阀体铸件充型快且平稳、排气顺畅，采用内圈底 （a）三维铸造工艺图 （b）温度场分布 （c）采用FEEDING判据得到的缩松预测结果 （d）采用NIYAMA判据得到的缩松预测结果图3铸造工艺图及铸件凝固过程数值模拟结果Fig.3 Casting process diagram and numerical simulation result of solidification process of casting返式浇注系统，该系统不仅减少钢液流程，还可作为拉筋防止铸件变形，较适用于大规格阀体结构特点；为避免在铸件拐角处和壁厚差突变部位，特别是轴孔位置产生热节和应力集中，设计合适圆角以逐渐过渡进而避免铸件裂纹产生；为确保铸型具有较高强度、良好溃散性、较低发气量，采用酚醛树脂砂造型工艺，并涂刷高温涂料，浇注前对铸型进行充分烘烤。采用MAGMA软件进行数值模拟，结果如图3b-d所示，从图中可以看出，铸件缩松缩孔等缺陷少，凝固质量较好。针对阀体铸件5A材料低碳、高合金和高氮特点，采用“中频感应炉+VOD炉”双联精炼工艺。铸件浇注完成后热打箱，然后高温装炉实施固溶热处理，保温结束后水冷至室温，采用气刨并配合强制水冷切除浇冒口。2.3固溶冷速对组织的影响采用Formastor-F全自动相变仪对固溶态试样分别按照0.05/s、0.1/s、0.2/s和0.4/s的冷却速率冷却至室温，以研究固溶冷速对第二相析出的影响。图4为固溶保温后冷却速率对析出相的影响，可以看出，随着冷却速率的提高，第二相析出比例逐渐减少。图4a中冷却速率为0.05/s时，第二相大量析出分布在两相界面处，比例高达23.5%。当冷却速率增快至0.1/s后，第二相比例减少至10.4%。而当冷却速率为0.2/s时，仍有少量第二相析出。当继续提高冷却速率至0.4/s时，金相组织为典型的铁素体和奥氏体两相组织，已无第二相析出（图4d）。阀体铸件最厚处达150 mm，附带浇道和冒口重达8 t，且超级双相不锈钢导热系数较碳钢低，因此需保证阀体最厚处心部冷速大于0.4/s，并尽可能提高冷速，保温结束后出炉迅速冷却。铸件在固溶热处理冷却收缩过程中若出现第二相析出，则可能在铸件局部位置出现应力集中引发开裂导致报废。此外，若冷却速率不足，组织中残留着有害第二相将显著降低铸件的塑韧性和耐腐蚀性能，从而降低铸件使用寿命。因此，铸件在固溶保温结束后，生产中采用10 m18 m12 m淬火水槽（容积2 160 m3），同时开启循环冷却水量达12 800 m3/h，可保证实际冷却速率大于0.4/s，有效避免了第二相的析出，保证了铸件良好的综合力学性能和耐腐蚀性能。阀体铸件经固溶热处理后，附铸的基尔试块试棒性能指标（表2）、有害相检验、铁素体含量均满足Vol.71 No.12 20221488试验研究ASME SA-995M（2015版）要求，其中附铸试棒铁素体含量约为51.1%（图5a），两相比例接近11。参照DIN EN ISO 3651-2（1998版）晶间腐蚀C法40%硫酸铁试验煮沸20 h，试样压弯90以上检验无裂纹。铸件经喷砂后表面质量优异（图5b），目视检测无氧化皮、裂纹、疏松和夹砂等缺陷，密封区域渗透检测满足ASME NC-2576相关规定。铸件轴孔关键部位按照（a）冷却速率0.05/s （b）冷却速率0.1/s（c）冷却速率0.2/s （d）冷却速率0.4/s图4不同冷却速率下金相组织Fig.4 Metallographic structure under different cooling rates表2阀体铸件力学性能Table 2 The mechanical properties of the valve body casting项目标准试验值1试验值2屈服强度/MPa515585572抗拉强度/MPa690757750伸长率/%183337断面收缩率Z/%/7165-46 KV8冲击/J54221、226、243238、182、212（a）铁素体含量 （b）阀体成品图5阀体铁素体含量及成品照片Fig.5 Ferrite content and finished products of valve body ASTM E94/E94M（2017版）要求进行射线探伤，满足ASTM E446（2015版）中不同缺陷类型验收标准，即气孔不超过A2级别，夹砂和夹渣不超过B3级别，缩孔不超过C3级别，且不存在热裂、裂纹和夹杂。3结束语大口径超级双相不锈钢5A阀体铸件质量要求高、制造难度大，通过对铸件型线流畅设计、浇注系统和补缩系统等方面的设计，实现高质量的凝固成形。通过对第二