阅读说明：本技术 一种防止双相不锈钢端面锻造裂纹的成形方法 (Forming method for preventing duplex stainless steel end face from forging cracks ) 是由 张春林 任书旺 申彭洋 赵轶鹏 梁晓辉 于 2020-04-21 设计创作，主要内容包括：一种防止双相不锈钢端面锻造裂纹的成形方法,对双相不锈钢钢锭锻造过程中,将双相不锈钢钢锭加热至1220-1250℃,保温4-6小时后快速出炉,在自由锻锤或压机上进行锻造前,快速对钢锭端面进行淬水急冷；若锻造一次至所需尺寸,即完成锻造过程,若锻造一次之后未达到所需尺寸,将钢锭回炉加热至1200-1230℃,保温2.5－3小时后淬水急冷并再次锻造,重复回炉加热、保温急冷锻造直至到达所需尺寸。通过在双相不锈钢锻造过程中对锻坯端面进行淬水急冷,改变锻坯端面在锻造过程中的受力状态,避免锻坯端面锻造裂纹的产生。提高双相不锈钢材料利用率及锻造成品率,成功生产出内部质量和表面质量良好的双相不锈钢锻件产品,该技术具有明显的经济效益。(A forming method for preventing the end face of the duplex stainless steel from forging cracks is characterized in that in the process of forging the duplex stainless steel ingot, the duplex stainless steel ingot is heated to 1220-1250 ℃, is rapidly discharged after being subjected to heat preservation for 4-6 hours, and is rapidly quenched before being forged on a free forging hammer or a press; if the forging is carried out once to the required size, the forging process is finished, if the required size is not reached after the forging is carried out once, the steel ingot is heated to 1200-1230 ℃ in a return furnace, the temperature is kept for 2.5-3 hours, then quenching water is carried out, the forging is carried out again, and the return furnace heating and the heat-preservation quenching forging are repeated until the required size is reached. The quenching is carried out on the end face of the forging stock in the process of forging the duplex stainless steel, so that the stress state of the end face of the forging stock in the process of forging is changed, and the generation of forging cracks on the end face of the forging stock is avoided. The utilization rate and the forging yield of the duplex stainless steel material are improved, the duplex stainless steel forging product with good internal quality and surface quality is successfully produced, and the technology has obvious economic benefit.)

一种防止双相不锈钢端面锻造裂纹的成形方法

技术领域

本发明属于特种合金热加工成形技术领域，具体说的是一种防止双相不锈钢端面锻造裂纹的成形方法。

背景技术

一般双相不锈钢在固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，兼具铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。具有良好的综合力学性能，有较高的强度和疲劳强度，良好的耐腐蚀疲劳及磨损腐蚀性能，很高的耐孔蚀、缝隙腐蚀性能，而且在有机酸和无机酸中的腐蚀速率也很低，在炼油、化学、纸浆和造纸、化肥、海水淡化、烟气脱硫、化工废气处理、高强度结构件等行业中得到广泛应用。但双相不锈钢的热塑性较差，锻造成品率低，一定程度上限制了其应用。

双相不锈钢在高温锻造过程中，处于奥氏体、铁素体两相区，应变倾向集中于铁素体相中，并随温度增加两相比例和两相中元素分配也会发生变化，铁素体相增多，塑性增加。但两相的变形行为不同，铁素体钢变形时主要软化过程是应变时的动态恢复，奥氏体钢主要软化过程是动态再结晶，两相软化过程不同，锻造时双相不锈钢中不均匀的应力和应变分布容易导致在相界的裂纹成核和扩展，导致工件边部和表面裂纹，特别是端面开裂较为严重。

目前双相不锈钢的典型热加工成型工艺为：将钢锭或锻坯加热至1200-1250℃，保证两相变形时应力应变相对均匀。采用自由锻锤或者压机将钢锭或锻坯变形至产品形状。实际热加工过程中，在锻坯端面预留100-150mm长锻坯不进行锻造变形，以此端面作为固定刚端，防止锻坯端面锻造裂纹出现，后续机加工过程中将此段未变形部分锯掉。此方法可以有效避免端面裂纹，但造成了材料浪费，增加了生产成本。专利“CN 103121034B超级双相不锈钢钢锭热加工开坯”中双相不锈钢2507的加热温度为1180℃，热轧开坯温度为1050-1150℃。该工艺的优点为：采用初轧机代替锻压机进行热加工开坯，缩短了生产周期，一定程度上解决了双相不锈钢2507的热加工成型问题。该工艺的缺点为：①对钢锭规格有严格要求，不适用于大规格钢锭成型。②热加工成型温度区间窄，需要多次加热，生产效率低，操作繁琐，对设备的要求高，实际生产过程中，难以控制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种防止双相不锈钢端面锻造裂纹的成形方法，通过在双相不锈钢锻造过程中对锻坯端面进行淬水急冷，改变锻坯端面在锻造过程中的受力状态，避免锻坯端面锻造裂纹的产生。提高双相不锈钢材料利用率及锻造成品率，弥补双相不锈钢在热加工性能上的不足。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种防止双相不锈钢端面锻造裂纹的成形方法，通过中频感应炉初炼、氩氧脱碳炉精炼工艺冶炼自耗双相不锈钢电极，采用电渣重熔工艺将自耗双相不锈钢电极冶炼成双相不锈钢钢锭，对钢锭进行锻造的具体方法是：

步骤S1：对双相不锈钢钢锭锻造过程中，将双相不锈钢钢锭加热至1220-1250℃，保温4-6小时后快速出炉，在自由锻锤或压机上进行锻造前，快速对钢锭端面进行淬水急冷；

步骤S2：若锻造一次至所需尺寸，即完成锻造过程，若锻造一次之后未达到所需尺寸，将钢锭回炉加热至1200-1230℃，保温2.5－3小时后淬水急冷并再次锻造，重复回炉加热、保温急冷锻造直至到达所需尺寸。

进一步，采用电渣重熔工艺将自耗双相不锈钢电极冶炼成双相不锈钢钢锭的具体方法包括以下步骤；

步骤1、将自耗双相不锈钢电极表面的氧化皮清理干净，并将其焊接在假电极上，送入电阻加热炉内，电极预热至500-600℃，保温5-6小时，去除电极表面的水分；

步骤2、渣料烘烤，烘烤温度为780－820℃，烘烤时间为8-10小时；

步骤3、采用石墨电极引弧造渣，将烘烤好的渣系加入到结晶器中，将渣料熔化成液态，液态渣温度控制在1650-1700℃；

步骤4、将自耗双相不锈钢电极移至液态渣池内，在大气环境下，开始电渣重熔；步骤5、自耗双相不锈钢电极熔化完毕后，钢锭在结晶器内缓慢冷却40-60分钟，保证液态金属和熔渣凝固充分，钢锭脱模后装入缓冷坑缓冷至室温，清除钢锭表面肉眼可见缺陷。

本发明有益效果是：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过在双相不锈钢锻造过程中对锻坯端面进行淬水急冷，改变锻坯端面在锻造过程中的受力状态，避免锻坯端面锻造裂纹的产生。提高双相不锈钢材料利用率及锻造成品率，成功生产出内部质量和表面质量良好的双相不锈钢锻件产品，该技术具有明显的经济效益。

附图说明

图1为单晶体拉伸受力分析图。

具体实施方式

一种防止双相不锈钢端面锻造裂纹的成形方法采用如下技术方案：

(一)通过中频感应炉初炼、氩氧脱碳(AOD)炉精炼工艺冶炼自耗双相不锈钢电极，电极的直径用d表示，电极的直径d与钢锭的直径D的比值为0.7-0.8。

(二)采用电渣重熔工艺将自耗双相不锈钢电极冶炼成双相不锈钢钢锭，包括以下步骤：

①将自耗双相不锈钢电极表面的氧化皮清理干净，并将其焊接在假电极上，送入井式电阻加热炉内，电极预热至500-600℃，保温5-6小时，去除电极表面的水分；

②渣料烘烤，烘烤温度为780－820℃，烘烤时间为8-10小时；

③采用石墨电极引弧造渣，将烘烤好的渣系加入到结晶器中，将渣料熔化成液态，液态渣温度控制在1650-1700℃；

④将自耗电极移至液态渣池内，在大气环境下，开始电渣重熔；

⑤电极熔化完毕后，钢锭在结晶器内缓慢冷却40-60分钟，保证液态金属和熔渣凝固充分，钢锭脱模后装入缓冷坑缓冷至室温，清除钢锭表面肉眼可见的裂纹、夹渣等缺陷。

(三)锻造过程钢锭形成端面裂纹的热力学分析计算

锻造过程中形成裂纹的因素除内因外，还受外部条件的影响，材料宏观破坏的条件可表达为：

σ_cr＝F(σ_ij∫dε_ijεT)

式中：σ_cr为临界拉断应力(或剪切临界应力)；σ_ij为应力状态；∫dε_ij为应变积累；ε为应变速率；T为变形温度。

由上式可知，锻造过程中能否产生裂纹，除材料内在因素外，还受热力学变形条件的影响。

材料的拉伸表明，一个滑移系只有当它受到所需要的一定大小的切应力时，才能开始滑移。以拉伸试验为例进行单晶体滑移时的应力分析，见图1。若试样的横截面积为F，在外力P的作用下产生滑移，并设P与滑移面法线N的夹角为ψ，P与滑移方向S的夹角为λ，则P在滑移面上沿滑移方向的切向分力为P_τ为：

P_τ＝Pcosλ

设滑移面的面积为F′(F′＝F/cosψ)，则P在滑移方向上的分切应力τ为：

当时，晶体开始塑性变形，此时滑移方向上的切应力称为临界切应力，用τ_k表示。

τ_k＝σ_S cosλcosψ或

当晶体内某一滑移系上受到的切应力大于临界切应力τ_k是便开始滑移。τ_k表示金属晶体对滑移过程的抵抗能力，实际上就是位错运动的阻力。对于双相不锈钢而言影响临界切应力的因素主要包含变形温度和变形速率，金属变形温度越高其临界切应力越低，这是由于温度越高，原子的动能越大，原子间结合力越弱，另外，在高温变形时可能出现新的滑移系；变形速率越大，金属的临界切应力越高，在大的变形速率下，会引起沿着几个晶面同时滑移的缘故。

专利中双相不锈钢属于多晶体，对于双相不锈钢，各个晶粒位向不同，并有晶界存在，晶界处原子排列不规则，使得各个晶粒的塑性变形相互影响和制约，因此多晶体的塑性变形要比单晶体复杂，但就其中每一个晶粒范围内的变形来说，与单晶体的变形情况相似。因此控制双相不锈钢锻造变形温度及变形速率即可控制其临界切应力，从而避免锻造裂纹。

双相不锈钢锻造过程中的端面裂纹，控制机理与上述阐述一致，锻造过程中将双相不锈钢加热至1220-1250℃，出炉后对锻坯端面进行水淬，降低端面温度，提高该部位锻造过程中的临界切应力，增大锻造过程中材料的屈服强度，使得该部位在相同锻造打击力的情况下局部变形减缓，相当于人为制造一个材料端面刚端，对材料端面产生一定的固定作用，降低端面锻造温度及锻造变形速率，从而控制双相不锈钢锻造过程中端面锻造开裂。

(四)钢锭热加工成型

当锻造加热温度大于1250℃时，钢锭抗剪变形能力较弱，容易产生表面和心部裂纹，当锻造温度低于950℃时，变形抗力急剧增大，钢锭变形性能急剧降低。因此，为保证钢锭具有良好的成型性能，较低的变形抗力，保证锻坯具有良好的表面、心部质量，本发明的钢锭热锻开坯温度范围为950℃-1250℃。

将钢锭装入天然气加热炉中加热到1220-1250℃，保温4-6小时后快速出炉，在自由锻锤或压机上进行锻造前，快速对钢锭端面进行淬水急冷，以此改变锻坯端面在锻造过程中的受力状态，若锻造一次至所需尺寸，即完成锻造过程，若锻造一次之后未达到所需尺寸，将钢锭回炉加热至1200-1230℃，保温2.5－3小时后淬水急冷并再次锻造，重复回炉加热、保温急冷锻造直至到达所需尺寸。

实施例1

采用本发明进行双相不锈钢UNS S32205热加工成型，包括下列步骤：

第一步、通过3T中频感应炉初炼+3T氩氧脱碳炉(AOD)精炼工艺冶炼双相不锈钢UNSS32205自耗电极，自耗电极直径为ф310mm，电渣锭直径为ф440mm，填充比(d/D)为0.7，电极单重约1.5T；UNS S32205自耗电极化学成份及重量百分比为：C：0.022；Si：0.25；Mn：0.880；S：0.013；P：0.014；Cr：22.35；Ni：5.08；Mo：3.22；N：0.175；Al0.027；余量为Fe。

第二步、采用57％CaF₂-20％CaO-20％Al₂O₃-3％SiO₂四元渣系进行电渣重熔，UNSS32205自耗电极化学成份及重量百分比为：C：0.023；Si：0.31；Mn：0.876；S：0.007；P：0.015；Cr：22.15；Ni：5.0；Mo：3.23；N：0.173；Al：0.035；余量为Fe。电渣重熔过程包括以下步骤：

1、将UNS S32205双相不锈钢渣料进行烘烤，烘烤温度为800℃，烘烤时间为9小时；

2、将烘烤好的渣料加入到结晶器中，通电引弧造渣，化渣时间40分钟，化渣阶段，向液态熔渣中加入200g Al粒脱氧，保证熔渣脱氧充分；

3、将自耗电极移至液态渣池内，在大气环境下进行电渣重熔，熔速控制在330～360Kg/h，电渣阶段按照12g/5min速度向渣池均匀的加入Al粒进行脱氧；

4、电渣重熔结束后，电渣锭在结晶器内模冷60分钟，脱模后空冷至室温；

5、除去电渣锭表面肉眼可见的裂纹、夹渣等缺陷。

第三步、将电渣锭装入天热气加热炉中，升温至1220-1250℃，保温4.5小时后快速出炉，对电渣锭端面进行喷水急冷，采用5吨自由锻锤将钢锭四方拔长至250方，中间剁料，均分成2件，回炉加热至1200-1230℃，保温3小时；

第四步、快速出炉，对锻坯端面进行喷水急冷后四方拔长至150方，回炉加热1200-1230℃，保温2.5小时；

第五步、快速出炉，对锻坯端面进行喷水急冷后倒棱滚圆至Φ150，工件表面无裂纹、折叠等缺陷，按照NB/T47013.3-2015进行超声波探伤，心部质量达到I级要求。

实施例2

采用本发明进行双相不锈钢UNS S32750热加工成型，包括下列步骤：

第一步、通过3T中频感应炉初炼+3T氩氧脱碳炉(AOD)精炼工艺冶炼双相不锈钢UNSS32205自耗电极，自耗电极直径为ф310mm，电渣锭直径为ф440mm，填充比(d/D)为0.8，电极单重约1.5T；UNS S32750自耗电极化学成份及重量百分比为：C：0.019；Si：0.452；Mn：0.810；S：0.012；P：0.02；Cr：25.0；Ni：6.96；Mo：3.48；N：0.280；Cu：0.29；Al0.030；余量为Fe。

第二步、采用57％CaF₂-20％CaO-20％Al₂O₃-3％SiO₂四元渣系进行电渣重熔，双相不锈钢UNS S32570电渣锭化学成份及重量百分比为：C：0.020；Si：0.492；Mn：0.801；S：0.005；P：0.02；Cr：24.7；Ni：6.98；Mo：3.50；N：0.277；Cu：0.30；Al：0.038；余量为Fe。电渣过程包括以下步骤：

1、将UNS S32750双相不锈钢电渣重熔渣料进行烘烤，烘烤温度为800℃，烘烤时间为9小时；

2、将烘烤好的渣料加入到结晶器中，通电引弧造渣，化渣时间40分钟，化渣阶段，向液态熔渣中加入200g Al粒脱氧，保证熔渣脱氧充分；

3、将自耗电极移至液态渣池内，在大气环境下进行电渣重熔，熔速控制在330～360Kg/h，电渣阶段按照10g/5min速度向渣池均匀的加入Al粒进行脱氧；

4、电渣重熔结束后，电渣锭在结晶器内模冷60分钟，脱模后空冷至室温；

5、除去电渣锭表面肉眼可见的裂纹、夹渣等缺陷。

第三步、将电渣锭装入天热气加热炉中，升温至1220-1250℃，保温5小时后快速出炉，对电渣锭端面进行喷水急冷，采用5吨自由锻锤将钢锭四方拔长至250方，中间剁料，均分成2件，回炉加热至1200-1230℃，保温3小时；

第四步、快速出炉，对锻坯端面进行喷水急冷后四方拔长至150方，回炉加热1200-1230℃，保温2.5小时；

第五步、快速出炉，对锻坯端面进行喷水急冷后倒棱滚圆至Φ150，工件表面无裂纹、折叠等缺陷，按照NB/T47013.3-2015进行超声波探伤，心部质量达到I级要求。

实施例3

采用本发明进行双相不锈钢UNS S32760热加工成型，包括下列步骤：

第一步、通过3T中频感应炉初炼+3T氩氧脱碳炉(AOD)精炼工艺冶炼双相不锈钢UNSS32760自耗电极，自耗电极直径为ф310mm，电渣锭直径为ф440mm，填充比(d/D)为0.75，电极单重约1.5T；UNS S32760自耗电极化学成份及重量百分比为：C：0.022；Si：0.280；Mn：0.650；S：0.011；P：0.02；Cr：25.38；Ni：7.01；Mo：3.75；N：0.255；Cu：0.740；W：0.668；Al:0.026；余量为Fe。

第二步、采用57％CaF₂-20％CaO-20％Al₂O₃-3％SiO₂四元渣系进行电渣重熔，双相不锈钢UNS S32760电渣锭化学成份及重量百分比为：C：0.024；Si：0.37；Mn：0.641；S：0.005；P：0.021；Cr：25.18；Ni：7.03；Mo：3.75；N：0.25；Cu：0.742；W：0.667；Al:0.032；余量为Fe。电渣过程包括以下步骤：

1、将UNS S32760双相不锈钢电渣重熔渣料进行烘烤，烘烤温度为800℃，烘烤时间为9小时；

2、将烘烤好的渣料加入到结晶器中，通电引弧造渣，化渣时间40分钟，化渣阶段，向液态熔渣中加入200g Al粒脱氧，保证熔渣脱氧充分；

3、将自耗电极移至液态渣池内，在大气环境下进行电渣重熔，熔速控制在330～360Kg/h，电渣阶段按照12g/5min速度向渣池均匀的加入Al粒进行脱氧；

4、电渣重熔结束后，电渣锭在结晶器内模冷60分钟，脱模后空冷至室温；

5、除去电渣锭表面肉眼可见的裂纹、夹渣等缺陷。

第三步、将电渣锭装入天热气加热炉中，升温至1220-1250℃，保温6小时后快速出炉，对电渣锭端面进行喷水急冷，采用5吨自由锻锤将钢锭四方拔长至250方，中间剁料，均分成2件，回炉加热至1200-1230℃，保温3小时；

第四步、快速出炉，对锻坯端面进行喷水急冷后四方拔长至150方，回炉加热1200-1230℃，保温2.5小时；

第五步、快速出炉，对锻坯端面进行喷水急冷后倒棱滚圆至Φ150，工件表面无裂纹、折叠等缺陷，按照NB/T47013.3-2015进行超声波探伤，心部质量达到I级要求。

利用上述制造方法，进行多次生产，均获得了良好效果，通过在双相不锈钢锻造过程中对电渣锭、锻坯端面分别进行淬水急冷，改变钢坯端面在锻造过程中的受力状态，避免锻坯端面锻造裂纹的产生。提高双相不锈钢材料利用率及锻造成品率，降低生产成本，该技术具有明显的经济效益，有利于双相不锈钢的市场推广应用。