核电压力容器用16MND5锻件的研制
摘要：通过控制冶炼时主要化学成分的含量，减少气体和夹杂物的含量，采用合适的锻造和调质的热处理工艺方法，核安全1级16MND5锻件一次研制成功。
关键词：16MND5锻件、淬透性、低温冲击韧性、RTNDT温度、韧脆性转变曲线
1 前言
随着核电站大规模建设，民用核承压设备大量用16MND5材料锻件，按照《民用核承压设备安全监督管理规定》，要求申请核承压设备制造资格许可证的单位，针对申请的目标产品选择有代表性的模拟件，按核质量保证体系的要求进行试制活动。我公司申请的核安全Ⅰ级锻件制造许可证，以秦山二期扩建工程稳压器波动管接管嘴作为模拟对象，其锻件技术条件适用于阀门接管嘴、喷雾接管嘴、波动管接管嘴以及人孔座用16MND5锰-镍-钼合金钢锻件的冶炼、化学成分、制造、力学性能、表面缺陷和内部缺陷检验、尺寸检查以及补充试验等。16MND5锰-镍-钼合金钢锻件系我司首次生产，热加工工艺性能不熟悉，材料力学性能要求较高，超声波探伤要求严格。
216MND5钢锻件的主要技术条件
2.1 化学成分要求见表1。
表1 16MND5的化学成分
| 材质 | 化学成分 | ||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | |
| 16MND5 | ≤0.22 | 0.10～0.30 | 1.15～1.60 | ≤0.012 | ≤0.012 | ≤0.25 | 0.50～0.80 |
| 材质 | 化学成分 | ||||||
| Mo | Cu | V | Al | Co | As | Sb | |
| 16MND5 | 0.43～0.57 | ≤0.10 | ≤0.01 | ≤0.04 | ≤0.08 | ≤0.0.010 | ≤0.005 |
2.2 金相检验
按GB/T10561标准测定锻件的非金属夹杂物级别，采用评级图Ⅱ-ASTM标准评级图，按细系评定合格级别为：A≤1.0，B≤1.0 ,C≤1.0 ,D≤1.0。按RCC-M MC1300或GB/T 6394标准测定经性能热处理后锻件的实际晶粒度，要求等于或细于5级。
2.3力学性能要求见表2。
表2力学性能要求
| 试验项目 | 试验温度(℃) | 性能 | 规定值 | |
| 周向(横向)(3) | 轴向(纵向)(3) | |||
| 拉伸试验 | 室温 | Rp0.2 | ≥400MPa | |
| Rm | 552～670MPa | |||
| A%(5d) | ≥20 | |||
| Z% | 提供数据 | |||
| 360 | Rtp0.2 | ≥300MPa | ||
| Rtm | ≥510MPa | |||
| A%(5d) | 提供数据 | |||
| Z% | 提供数据 | |||
| KV冲击试验 | 0 | 最小平均值 | 56J | 72J |
| 个别最小值(1)(2) | 40J | 56J | ||
| -20 | 最小平均值 | 40J | 56J | |
| 个别最小值(1)(2) | 28J | 40J | ||
| +20 | 个别最小值 | 72J | 88J | |
| 规定值 | ||||
| RTNDT温度的测定 | RTNDT温度应不高于0℃，希望低于-12℃。若该值处于0℃和-12℃之间时，应测出实际值。 | |||
（1）每组三个试样中只允许一个结果低于最小平均值；
（2）横向：垂直于主锻造方向
（3）纵向：平行于主锻造方向
补充冲击试验和绘制韧脆性转变曲线
在-40℃、+40℃、-60℃和+60℃各做三个冲击试验（AKV2），并测出脆性断口面积百分率和试样侧向膨胀值，用作绘制16MND5锻件的韧脆性转变曲线，测定FATT50值。
2.4 超声波探伤
对锻件进行100%的超声波检验（UT）。直射法检验：记录的信号范围和验收限值应按AFNOR NF A04-308的质量3级的规定；斜射法检验：回波幅度超过DAC曲线高度50%的任何信号都应记录；回波幅度超过DAC曲线高度的任何信号都应判为不合格。
3研制难点
3.1冶炼 16MND5材料要求钢中P、S≤0.012％， Cu≤0.10％、As≤0.010%，非金属夹杂物A、B、C、D≤1.0级，冶炼时要求钢水中夹杂物少，有害元素Cu、As含量控制难度大。
3.2热处理 锻件最终热处理后要求做室温和360℃的高温拉伸试验，0 ℃、-20℃、-40℃、-60℃的冲击试验，并且冲击值要求较高，并在无预研情况下首件制造，难度极大。RTNDT温度应低于0℃，对其影响因素控制尚在探索中，存在不确定性。
3.3锻件内在质量 产品超声波探伤要求也非常严格，直射法检验：记录的信号范围和验收限值应按AFNOR NF A04-308的质量3级的规定；斜射法检验：回波幅度超过DAC曲线高度50%的任何信号都应记录；回波幅度超过DAC曲线高度的任何信号都应判为不合格。
4试制工艺流程及试制过程
4.1工艺流程
电炉冶炼－LF+真空精炼－氩气保护浇注－钢锭红送锻压厂－锻造、锻后热处理－粗车－超声波探伤－热处理－机性、金相检验－超声波探伤。
4.2针对研制难点所采取得措施
4.2.1炼钢
16MND5材料的化学成分对有害残余元素Cu、As、P、S含量要求比一般钢种的含量低，四大有害残余元素Cu、As、P、S主要是由废钢铁料带入，Cu、As在冶炼过程中不能通过有效措施使之减少，因此，只能通过配料减少Cu、As、P、S的带入来降低其在钢中的含量。具体是：在生产配料前，对还原铁、生铁、优质废钢取样分析Cu、As、P、S的含量，选取Cu、As、P、S含量较低的原材料专项使用；配料时，加入20%～30%的还原铁、20%～30%的生铁，40%～60%的优质废钢，使还原铁和生铁之和达到50%以上，送电炉熔化后取样分析。
16MND5锻件对非金属夹杂物得含量控制得较严格，冶炼时尽量减少气体和夹杂物含量，提高钢水纯净度。冶炼过程中所使用的铁合金、石灰等原材料经烘烤后使用，减少气体的带入；在精炼过程中，采取底吹氩气的方式加强了钢水的搅拌，均匀钢水的温度和化学成分，使钢中的气体和夹杂物得以充分上浮；真空处理时，使真空室内的真空度降低至133Pa以下，极大地提高了脱气效率，进一步均匀钢水的温度和化学成分，促进夹杂物的上浮，从而提高钢水的纯净度。
4.2.2锻造
16MND5锻件超声波探伤要求比较严格，为了保证锻件内在质量，锻造时采用：镦粗、冲孔、拔长成形的工艺。镦粗、冲孔将钢锭心部的冶金缺陷通过冲孔去除；再用相应规格的芯棒和上平下V型砧拔长成形，严格控制各部分尺寸在工艺范围之内，使锻件的金属纤维流线沿轴向分布，改善锻件的受力状况，同时保证冒口端和底部端都有足够的弃料，将缺陷排除在锻件本体之外。锻件模拟件在锻造完工后，及时装炉、进行等温退火，并充分扩氢，一方面预防白点的产生，另一方面起到细化晶粒、改善组织、提高金属切削加工性能等作用，并为最终热处理奠定良好的基础。
4.2.3热处理
锻件粗加工、超声波探伤合格后进行调质处理。考虑到机械性能试验项目比较多，要求做360℃高温拉伸试验，-20℃、-40℃、-60℃低温冲击试验，并且16MND5材料C含量较低，合金元素含量不高，淬透性较差，因此在淬火时应加强冷却，获得贝氏体组织，以提高高温下的强度和低温冲击韧性。淬火温度为900～910℃，冷却方式为水淬油冷，回火采用高温回火，温度为640～650℃，主要是为获得强度，塑性和韧性良好配合的综合力学性能。
5试验结果及分析
5.1化学成分见表3。
表3化学成分
| 材质 | 化学成分 | ||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | |
| 16MND5 | 0.17 | 0.25 | 1.42 | 0.008 | 0.007 | 0.15 | 0.72 |
| 材质 | 化学成分 | ||||||
| Mo | Cu | V | Al | Co | As | Sb | |
| 16MND5 | 0.55 | 0.08 | 0.01 | 0.023 | 0.005 | 0.01 | 0.001 |
5.2 机性试验结果见表4。
表4机性试验结果
| 试验项目 | 试验温度(℃) | 性能 | 规定值 | ||||||||||||
| 横向 | 轴向(纵向) | ||||||||||||||
| 要求 | 横向X实测 | 横向Y实测 | 要求 | 实测 | |||||||||||
| 拉伸试验 | 室温 | Rp0.2 (MPa) | ≥400 | 460 | 474 | / | / | ||||||||
| Rm(MPa) | 552～670 | 602 | 618 | / | / | ||||||||||
| A%(5d)(%) | ≥20% | 28.5 | 28 | / | / | ||||||||||
| Z%(%) | 提供数据 | 75 | 74 | / | / | ||||||||||
| 360 | Rtp0.2 (MPa) | ≥300 | 417 | 407 | / | / | |||||||||
| Rtm (MPa) | ≥510 | 592 | 580 | / | / | ||||||||||
| A%(5d) (%) | 提供数据 | 27.5 | 26.0 | / | / | ||||||||||
| Z(%) | 提供数据 | 76 | 79.0 | / | / | ||||||||||
| KV冲击试验 | 0 | KV(J) | ≥56 | 217 | 270 | 255 | 232 | 241 | 240 | 72 | 261 | 277 | 207 | ||
| -20 | KV(J) | ≥40 | 225 | 248 | 230 | 170 | 194 | 228 | 56 | 146 | 171 | 125 | |||
| +20 | KV(J) | ≥72 | 259 | 254 | 264 | 250 | 260 | 258 | 88 | 200 | 222 | 232 | |||
| -40 | KV(J) | 提供数据 | 171 | 131 | 162 | / | / | / | / | ||||||
| +40 | KV(J) | 提供数据 | 220 | 226 | 227 | / | / | / | / | ||||||
| -60 | KV(J) | 提供数据 | 114 | 110 | 118 | / | / | / | / | ||||||
| +60 | KV(J) | 提供数据 | 242 | 241 | 218 | / | / | / | / | ||||||
5.3 金相检验结果见表5。
表5金相检验结果
项目 | 非 金 属 夹 杂 物 | 晶粒度 | |||
A | B | C | D | ||
结果 | 1 | 0.5 | 0.5 | 0 | 6 |
5.4 绘制FATT曲线并测定FATT50温度。
冲击断口脆性面积百分比见表6。
表6冲击断口脆性面积百分比
温度(℃) | -60 | -40 | -20 | 0 | 20 |
脆性断口面积百分比(%) | 88% | 60% | 20% | 0% | 0% |
根据表6绘制FATT曲线并测定出FATT50温度为-35℃。
5.5 按照RCCM MC100和ASTME208a-95a标准，采用P-2型试块，测定RTNDT温度≤-12℃。
根据试验结果，锻件模拟件经过调质处理后，室温和360℃的高温拉伸试验合格，0℃、-20℃、20℃冲击值合格，并且相对于技术条件有较大得富裕量；RTNDT温度在-12℃以下；晶粒度为6级，非金属夹杂物都在1级以下；超声波探伤未发现超标缺陷存在。
从试验结果看，在冶炼时将C含量控制在中限，主要合金元素Mn、Ni、Mo、V含量控制在上限,达到了细化晶粒、增加淬透性的目的；提高锻件的低温冲击韧性和强度指标。在冶炼时采用Cu、As、P、S含量较低的原材料和底吹氩气精炼的方式有效的减少了钢中有害元素的含量；锻造采用镦粗、冲孔，拔长成形的工艺充分保证了锻件的内在质量和纤维方向，从而保证了锻件探伤质量；热处理采用水淬油冷的调质工艺使锻件有良好的综合机械性能。
6结束语
锻件的超声波探伤检验、金相检验、力学性能试验结果全部合格，化学成分也符合技术条件，一次通过国家核安全局的现场验收。这说明我们针对16MND5锻件的制造难点采取的措施是正确的，为我公司生产同类材料的核承压设备核一级锻件提供了技术保障。
联系人：安经理 手机：15617673203 QQ：1521556157
安经理