本发明涉及材料热加工
技术领域：
，具体涉及一种超高硅含量奥氏体不锈钢的锻造方法。
背景技术：
：高硅奥氏体不锈钢在高温浓硫酸中具有优良的耐蚀性能，主要用于制造在高温浓硫酸环境下的工业设备，如硫酸吸收塔内衬用钢板、浓硫酸冷却器、泵、管道等。高硅奥氏体不锈钢中的si含量越高，耐蚀性越好，可用于更苛刻的服役环境。然而，目前国内硫酸制造设备中的管道、板材、锻件等变形件多由si含量小于5wt.％的低端高硅奥氏体不锈钢组成，si＞6.0wt.％的高性能高硅奥氏体不锈钢的产品和生产技术主要被国外厂家所垄断。这是因为si＞5.0wt.％时，合金在凝固析出时就有脆性相析出，即使通过高温均匀化处理也不能完全消除。而在低于900℃时，高硅奥氏体不锈钢组织中易于析出g相、sigma相等脆性相，严重削弱合金的晶界强度。如果热加工工艺设计不合理，在锻造、热轧、热挤压、热穿孔时极易出现裂纹，导致产品报废，合格率较低。这正是导致si＞5.0wt.％高硅奥氏体不锈钢热加工部件在我国硫酸工业国产设备上应用较少的主要原因。锻造工序是高硅奥氏体不锈钢热变形产品的第一道热压力加工工序，直接影响着后续热加工产品的成败和质量。然而si＞5.0wt.％高硅奥氏体不锈钢产品的锻造生产还存在很严重的问题，主要是锻造裂纹、成品率低，严重制约了5.0-7.0wt.％si含量的高硅奥氏体不锈钢品种在我国硫酸生产设备上的应用。因此，研发一种适用于5.0-7.0wt.％si高硅奥氏体不锈钢的锻造方法，解决锻造过程中出现的热裂纹、成品率低的问题，满足后续再加工的性能和组织要求，是高硅奥氏体不锈钢在国产硫酸生产设备上应用急需解决的关键问题。技术实现要素：针对高硅奥氏体不锈钢锻造难、易开裂、成品率低等难题，本发明提供了一种超高硅含量奥氏体不锈钢的锻造方法，解决高硅奥氏体不锈钢锻造开裂、成品率低等问题，锻造出组织均匀、致密性好、无微裂纹的高硅奥氏体不锈钢锻坯，满足后续热挤压、热轧、热穿孔等后续加工的需求。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种超高硅含量奥氏体不锈钢的锻造方法，该方法使用锻锤或压机对si含量为5.0-7.0wt.％的奥氏体不锈钢钢锭进行锻造，锻造过程包括如下步骤：(1)原料选择：原料选择包括合金成分选择、冶炼方法和高温脱模处理。合金成分选择：选择超高si含量奥氏体不锈钢合金化学成分(wt.％)：c：0.015-0.050％；cr：14.00-20.00％；ni：15.00-22.00％；si：5.00-7.00％；mn：0.50-2.00％；s＜0.010％；p＜0.025％；mo：0.50-2.00％；cu：0.50-1.50％；al＜0.10％；n＜0.02％；fe余量。基本覆盖现在国内和国际上主流的高硅奥氏体不锈钢品种，如sandviksx、zecor、unss32615等牌号。冶炼方法：采用真空感应或电炉联合电渣重熔的方法冶炼si含量为5.0％-7.0％的奥氏体不锈钢钢锭。高温脱模：合金中具有较高的si含量导致合金在凝固析出时就有脆性相析出，如果冷却到室温，钢锭中会累积极大地铸造应力，导致脱模过程中容易断裂或产生微裂纹。为此，高硅奥氏体不锈钢冶炼结束后必须在600-800℃脱模，脱模后进入热处理炉进行均匀化处理。如果铸造钢锭在均匀化处理后不能马上锻造，需要快速空冷或喷雾冷却钢锭，避免析出相大量析出。(2)钢锭均匀化处理：高温脱模的钢锭需马上进入800-850℃热处理炉内保温，时间为2-4小时，然后以100-150℃/h的升温速度再升温至1150-1180℃均匀化处理，保温时间25-50h。(3)钢锭始锻温度准备：钢锭高温均匀化处理后，不能马上锻造。因为在较高温度下，锻造过程中产生的热量导致合金出现晶界重熔现象。所以高温均匀化处理后的钢锭必须要降温至始锻温度保温处理，始锻温度1100℃-1140℃，保温时间2-4小时。步骤2)中已经做完高温均匀化处理并冷却后的钢锭锻造时以100-150℃/h的升温速度重新加热到始锻温度1100℃-1140℃，保温2-4h。(4)恒温锻造：钢锭出炉后，如果表面温度下降过快，快速析出相的脆性相会导致表面开裂并向内部延伸，所以必须保证钢锭表面温度不能下降太快，不低于1000℃。因此，钢锭出炉后，需要在表面铺设电加热保温石棉。锻造变形过程中，为了破碎粗大的柱状晶，强化合金元素扩散，为此需要采用墩粗结合拔长的方式锻造。锻造沿着坯料轴线进行镦粗变形，变形量为20-40％，然后拔回原长，单次压下量为40-100mm，终锻温度低于1000℃时，必须回炉加热至1100-1140℃，保温0.5-1h后，再进行锻造。(5)锻造后冷却：钢锭锻造后，需要大功率风机快速凤冷或喷雾冷却，防止析出相快速长大和大量析出。本发明的优点如下：与现有技术相比，本发明的超高si含量奥氏体不锈钢的锻造方法具有如下优点：利用本发明的超高si含量奥氏体不锈钢的锻造方法可锻造si含量在5.0-7.0wt.％的高硅奥氏体不锈钢，即使在组织中存在析出相的情况下，也不会在锻造过程中产生开裂缺陷，而且锻造组织致密、均匀。本方法适用性广，操作简单、对设备要求低，容易大规模工业生产，且成品率高。附图说明图1为实施例1中100kg高硅奥氏体不锈钢钢锭锻造组织。图2为对比例1中100kg高硅奥氏体不锈钢钢锭开裂位置组织。图3为对比例2中100kg高硅奥氏体不锈钢钢锭开裂位置组织。图4为对比例3中100kg高硅奥氏体不锈钢钢锭开裂位置组织。图5为实施例2中1000kg高硅奥氏体不锈钢钢锭锻造组织。图6为实施例3中1000kg高硅奥氏体不锈钢钢锭锻造组织。具体实施方式以下结合实施例详述本发明。本发明提供了一种适用于si含量5.0-7.0wt.％的高硅奥氏体不锈钢的锻造方法，具体锻造过程如下：1)原料准备：选择超高si含量奥氏体不锈钢合金化学成分(wt.％)：c：0.015-0.050％；cr14.00-20.00％；ni：15.00-22.00％；si:5.00-7.00％；mn:0.50-2.00％；s＜0.010％；p＜0.025％；mo:0.50-2.00％；cu:0.50-1.50％；al＜0.10％；n＜0.02％；fe余量。采用真空感应或电炉联合电渣重熔的方法冶炼si含量为5.0-7.0wt.％的奥氏体不锈钢。2)高温脱模：高硅奥氏体不锈钢冶炼结束后必须在600-800℃脱模，并进入热处理炉进行均匀化处理。如果铸造钢锭在均匀化处理后不能马上锻造，需要快速空冷或喷雾冷却钢锭，避免析出相大量析出。3)步骤2)中，钢锭均匀化处理：高温脱模的钢锭需马上进入800-850℃热处理炉内保温，时间为2-4小时，然后以100-150℃/h的升温速度再升温至1150-1180℃均匀化处理，保温时间25-50h。4)钢锭始锻温度准备：高温均匀化处理后的钢锭必须要降温至始锻温度保温处理，始锻温度1100℃-1140℃，保温时间2-4小时。步骤2)中已经做完高温均匀化处理的钢锭锻造时以100-150℃/h的升温速度重新加热到始锻温度1100℃-1140℃，保温2-4h。5)恒温锻造：钢锭出炉后，需要在表面铺设电加热保温石棉。采用墩粗结合拔长的方式锻造。锻造沿着坯料轴线进行镦粗变形，变形量为20-40％，然后拔回原长，单次压下量为40-100mm，终锻温度低于1000℃时，必须回炉加热。6)锻造后冷却：钢锭锻造后，需要大功率风机快速凤冷或喷雾冷却，防止析出相快速长大和大量析出。实施例1和对比例1-3：采用真空感应联合保护气氛电渣冶炼100kg高硅奥氏体不锈钢铸锭，浇注成100公斤钢锭4只，直径为165mm，高度约为610mm。4只钢锭化学成分如表1。表1钢锭冶炼结束后实施例1钢锭、对比例2、对比例3钢锭在800℃脱模，马上进入800℃热处理炉进行均匀化处理。对比例1钢锭冷却到室温再脱模，对比例1钢锭脱模时断裂。2)钢锭均匀化处理：实施例1钢锭、对比例2、对比例3首先在800℃保温1h，然后以150℃/h升温速度升温至1170℃均匀化处理。实施例1钢锭、对比例2、对比例3均匀化处理时间为25h，对比例2均匀化处理结束后直接在空气锻锤上快速锻造，首先沿着坯料轴线进行镦粗开坯，变形量为25％，然后拔回原长，拔长锻造过程中，锻锭芯部开裂。实施例1钢锭、对比例3钢锭均匀化处理结束后，降温至始锻温度1130℃，保温2h。实施例1钢锭始锻温度准备好后，马上采用保温石棉覆盖整个钢锭，对比例3钢锭不外包石棉。然后在空气锻锤上快速锻造，首先沿着坯料轴线进行镦粗开坯，变形量为25％，然后拔回原长。锻造温度低于1000℃回炉重新加热，加热温度1130℃，保温0.5h；钢锭出炉后，进行第二火次锻造，实施例1钢锭钢锭出炉后马上铺设保温棉，对比例3钢锭不外包石棉，2只钢锭再次墩粗30％，然后拔长锻造成直径80mm圆棒。钢锭锻造结束后，然后大功率风机快速风冷。实施例1#钢锭钢锭表面均没有发现开裂行为。经表面车光超声波探伤后，实施例1#钢锭没有发现内部裂纹、粗晶缺陷存在。对比例3表面和芯部均出现微裂纹。实施例和对比例的工艺效果简表如表2所示，实施例和对比例的锻造棒材组织如图1-图4所示。表2实施例和对比例的工艺简表高温脱模均匀化处理始锻温度准备恒温锻造钢锭状态实施例1800℃脱模1170℃×25h降温至1130℃保温垫保温完好对比例1室温脱模开裂对比例2800℃脱模1170℃×25h1170℃锻造芯部开裂对比例3800℃脱模1170℃×25h降温至1130℃未保温表面开裂实施例21)原料准备：采用电炉联合保护气氛电渣冶炼1000kg高硅奥氏体不锈钢铸锭，钢锭直径分别为406mm。合金成分如下(wt,％)：c：0.043％；cr：18.30％；ni：22.20％；si：5.20％；mn：1.20％；s＜0.0015％；p：0.012％；mo：0.96％；cu：1.30％；al＜0.10％；n＜0.02％；fe余量。钢锭冶炼结束后在800℃脱模，马上进入800℃热处理炉进行均匀化处理。2)钢锭均匀化处理：只钢锭首先在800℃保温2h，然后以120℃/h升温速度升温至1150℃均匀化处理，均匀化处理时间为30h。3)钢锭始锻温度准备：均匀化处理结束后，在锻造前将炉温降温至始锻温度1100℃，保温3h。4)恒温锻造：加热后的坯料出炉后，马上采用保温石棉覆盖整个钢锭，然后在3000t液压机上锻造，首先沿着坯料轴线进行镦粗开坯，变形量为33％，然后捋直，按照四方-八角的锻造方式拔长锻造。钢锭直接锻造成300mm八角锭坯。锻造过程中，采用测温枪进行温度监测，温度低于1000℃马上回炉重新加热。5)回炉加热：温度低于1000℃时，钢锭回炉进行再次加热至1100℃，保温1h。6)第二火次恒温锻造：钢锭出炉后，马上铺设保温棉。钢锭再次墩粗38％左右，按照四方-八角的锻造方式拔长至200mm八角锭坯，然后回炉加热，重复步骤5。7)第三火次恒温锻造：200mm八角锭坯出炉后，由于长度较长，必须覆盖保温棉保护。直接按照滚圆的锻造方式拔长至120mm成品圆棒。8)锻造后冷却：钢锭锻造后，需要大功率风机喷雾冷却，防止析出相快速长大和大量析出。锻造的1000kg的5.20wt.％si含量的高硅奥氏体不锈钢钢锭锻造过程中没有发生开裂行为，经表面车光超声波探伤后，没有发现内部裂纹，锻造棒材组织如图5所示。实施例31)原料准备：采用电炉联合保护气氛电渣冶炼1000kg高硅奥氏体不锈钢铸锭钢锭，直径分别为406mm。合金成分如下：c：0.043％；cr：13.60％；ni：16.70％；si：6.75％；mn：1.16％；s＜0.0015％；p：0.012％；mo：0.96％；cu：0.92％；al＜0.10％；n＜0.02％；fe余量。钢锭冶炼结束后在700℃脱模，马上进入800℃热处理炉进行均匀化处理。2)钢锭均匀化处理：钢锭首先在800℃保温2h，然后以100℃/h升温速度升温至1170℃均匀化处理，均匀化处理时间为50h。3)钢锭始锻温度准备：均匀化处理结束后，在锻造前将炉温降温至始锻温度1100℃，保温4h。4)恒温锻造：加热后的坯料出炉后，马上采用保温石棉覆盖整个钢锭，然后在3000t液压机上锻造，首先沿着坯料轴线进行镦粗开坯，变形量为26％，然后捋直，锻造四方钢锭，锻造过程中，采用电加热石棉垫对钢锭表面进行保温。直接锻造成300mm八角锭坯。并在锻造过程中，采用测温枪进行钢锭表面温度监测，温度低于1000℃马上回炉重新加热。5)回炉加热：温度低于1000℃时，钢锭回炉进行再次加热至1100℃，保温1.5h；。6)第二火次恒温锻造：钢锭出炉后，马上铺设保温棉。钢锭再次墩粗40％左右，然后按照四方-八角的锻造方式拔长至直径200mm八角锻坯。然后回炉加热，重复步骤5。7)第三火次恒温锻造：保温结束后，八角锭坯出炉时必须覆盖电加热保温棉保护。钢锭再次墩粗35％左右，然后按照四方-八角的锻造方式拔长至直径120mm八角锻坯。8)锻造后冷却：钢锭锻造后，需要大功率风机快速凤冷或喷雾冷却，防止析出相快速长大和大量析出。9)锻造的1000kg的6.75wt.％si含量的高硅奥氏体不锈钢钢锭锻造过程中没有发生开裂行为，经表面车光超声波探伤后，没有发现内部裂纹、粗晶缺陷存在。经金相分析可知，锻造组织均匀，如图6所示。当前第1页1 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技术特征：1.一种超高硅含量奥氏体不锈钢的锻造方法，其特征在于：该方法使用锻锤或压机对si含量为5.0-7.0wt.％的奥氏体不锈钢钢锭进行锻造，锻造过程包括如下步骤：
1)原料准备：铸造钢锭冶炼结束后在600-800℃脱模，并进入热处理炉按步骤(2)进行均匀化处理；
2)钢锭均匀化处理：钢锭均匀化处理温度为1150-1180℃，保温时间25-50h；钢锭均匀化处理后即降温至始锻温度，如果铸造钢锭在均匀化处理后不能马上锻造，则需要快速空冷或喷雾冷却钢锭，锻造前再以100-150℃/h的升温速度重新加热至始锻温度；
3)钢锭始锻温度准备：钢锭温度达到始锻温度1100-1140℃后，保温时间2-4h；
4)恒温锻造：经步骤3)加热后的坯料出炉进行锻造变形，锻造为沿着坯料轴线方向进行镦粗变形，变形量为20-40％，然后拔回原长，拔长过程中单次压下量为40-100mm，终锻温度大于1000℃；
5)多次锻造：按步骤4)操作过程对坯料进行多次镦粗拔长锻造，直至达到所需规格；
6)锻后冷却：钢锭锻造结束后，快速空冷或喷雾冷却。
2.按照权利要求1所述的超高硅含量奥氏体不锈钢的锻造方法，其特征在于：所述超高si含量奥氏体不锈钢按重量百分比计的化学成分如下：
c：0.015-0.050％；cr：14.00-20.00％；ni：15.00-22.00％；si：5.00-7.00％；mn：0.50-2.00％；s＜0.010％；p＜0.025％；mo：0.50-2.00％；cu：0.50-1.50％；al＜0.10％；n＜0.02％；fe余量。
3.按照权利要求1所述的超高硅含量奥氏体不锈钢的锻造方法，其特征在于：步骤1)中，铸造钢锭采用真空感应或电炉联合电渣重熔的方法冶炼。
4.按照权利要求1所述的超高硅含量奥氏体不锈钢的锻造方法，其特征在于：步骤2)中，钢锭均匀化处理过程为：高温脱模的钢锭首先在加热炉中以100-150℃/h的升温速度升温至800-850℃，保温2-4小时；再以100-150℃/h的升温速度升温至1150-1180℃保温，保温时间25-50h。
5.按照权利要求1所述的超高硅含量奥氏体不锈钢的锻造方法，其特征在于：步骤4)的锻造变形过程中，采用保温石棉或者电加热的石棉套对坯料进行保温处理。
6.按照权利要求1所述的超高硅含量奥氏体不锈钢的锻造方法，其特征在于：步骤(4)-(5)锻造过程中，当坯料温度低于1000℃时，坯料回炉进行加热至1100-1140℃，保温0.5-1h后，再进行锻造。
技术总结本发明公开了一种超高硅含量奥氏体不锈钢的锻造方法，属于材料热加工技术领域。该方法包括以下步骤：(1)铸锭高温脱模；(2)铸锭进行1150‑1180℃、25‑50h的均匀化处理；(3)始锻温度1100‑1140℃，保温时间2‑4h；(4)恒温锻造：锻造变形采用墩粗和拔长相结合的方式；锻造结束需快速空冷或喷雾冷却。本发明锻造的高硅奥氏体不锈钢合金棒材可避免在锻造过程出现析出相导致的热裂纹，且组织均匀性高、可有效改善后续变形产品组织。
技术研发人员：梁田;高明;马颖澈;杜战辉;刘奎
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：2021.04.13
技术公布日：2021.08.03
