控制棒驅動機構驅動桿用1Cr13管材制造工藝

戚丹鴻， 米大為

（上海第一機床廠有限公司，上海 201308）

壓水堆核電站控制棒驅動機構是一種步進式 的提升機構，用于控制棒組件在堆芯內提起、插入或保持在適當的位置，以實現反應性的控制。而驅動桿組件作為控制棒驅動機構的關鍵部件，主要功能是將控制棒組件與驅動機構連接起來，全長7253mm，中間外壁開有261個與鉤爪嚙合的齒槽，齒槽間距為15.9mm。驅動桿為空心結構，使用空心管材加工而成［1－2］。

由于驅動機構在調節反應堆功率過程中鉤爪與驅動桿之間不斷進行嚙合、釋放運動，40年的設計壽命時間內設計考核實際使用壽命應達到900萬次以上；因此，選擇了既有一定的耐腐蝕性能，又具有一定的強度、韌性和加工成型性能的1Cr13（法國牌號：Z12C13）馬氏體不銹鋼材料。根據結構需求，驅動桿零件原材料使用厚壁、細長管材，材料采購毛坯圖如圖1所示。

圖1 控制棒驅動機構驅動桿用1Cr13不銹鋼管材毛坯圖

由圖1可見，管材的徑壁比小于5，為典型的小口徑特厚壁無縫鋼管［3］，而馬氏體1Cr13不銹鋼在熱加工過程中管材表層較次表層冷卻速度快，使得馬氏體相變存在異步現象，管材中殘留一定的組織應力和熱應力，而在后續的冷熱交替加工中，容易因應力集中而導致管材的表層產生裂紋并不斷擴展，最終導致產品無法滿足訂貨要求［4］。驅動桿用1Cr13不銹鋼管材長期依靠從法國進口。由于材料制造關鍵技術的封鎖，影響了我國核電設備制造完全國產化進程［5］。目前，國內在此管材制造工藝方面的研究還處于初期階段。本文根據我國冶金制造企業的實際情況，提出了合理的1Cr13馬氏體不銹鋼厚壁管制造工藝方案，制造出完全滿足控制棒驅動機構驅動桿用管材，催進了核電設備國產化進程。

1 工藝方案

1.1 進口管材制造工藝

冶煉［電弧爐＋真空吹氧脫硫精煉方法（Vacuum Oxygen Decarburization，VOD）＋電渣重熔］——開坯鍛造（φ165mm）——熱穿孔管坯（φ 160mm×φ5mm）——荒管多道次軋制［熱軋（平均變形率17.6%）＋酸洗］（φ45.6mm×φ21.3mm）——退火（800℃下保溫2h后空冷）——調質熱處理——酸洗——矯直——去應力熱處理——表面磨 削 加 工 （φ44.5mm×φ21.3mm）——性 能 檢測——超聲波探傷——包裝。

1.2 試制管材制造工藝

進口管材通過多道次熱軋工藝可以有效地破壞鋼錠的鑄造組織，消除顯微組織缺陷，使鋼材組織密實，改善其力學性能。但熱軋對溫度控制要求嚴格，對軋機及附屬設備要求也較高，控制不當容易造成晶粒粗大；另外材料表層與心部組織不一致，會產生熱裂紋，表面質量控制較難等問題。而管材的制造如選用多道次冷軋＋再結晶退火的工藝，可以使管材產生較大的塑性變形，提高管材的屈服點，通過再結晶退火處理，可以細化晶粒，同時保證管材的表面質量及尺寸。但冷軋容易造成表面應力集中嚴重，而選用合適的變形率，即中間軋制道次的減徑與減壁配合比例，保證管材壁厚范圍內的變形趨于一致，結合后續及時的退火處理，可以有效提高管材的綜合性能［3］。而管坯的質量在管材的制造過程中起著決定性的作用，直接影響產品的成材率；因此，確定管坯分別采用熱穿孔和棒材鉆孔的方法制作。另外，對馬氏體不銹鋼管材的酸洗應選用酸性較弱的酸，根據相關資料信息［6］，選用“硝酸140～150g／L、磷酸110～120g／L、水余量”溶液，室溫下保持5～10min后用水清洗表面的酸洗工藝。綜上所述，試制管材的制造工藝確定如下：

冶煉（電弧爐＋VOD＋電渣重熔）——開坯鍛造（φ100mm）——管坯制造（φ98mm×φ55mm）——荒管多道次軋制多道次［冷軋（平均變形率30%）＋再結晶退火＋酸洗］（φ46mm×φ21.3mm）——退火（800℃下保溫2h后空冷）——調質熱處理——酸洗——矯直——去應力熱處理——表面磨削加工（φ44.5mm×φ21.3mm）——性能檢測——超聲波探傷——包裝。

2 試驗結果及討論

2.1 化學成分

考慮到驅動桿零件的實際使用工況，為了使得管材具有較好強度、韌性和較低的磁性能指標，在材料的化學成分的控制上進行了嚴格的要求，試制管材的化學成分如表1所示。

在鋼錠熔煉過程中，原料選用純度較高的鉻鐵、純鐵、金屬錳、硅鐵，盡可能地降低雜質元素的含量。同時在滿足成分要求的情況下，對大部分元素進行嚴格控制。為了提高鋼的硬度指標，增加其耐磨性，在進行回火后可以析出碳化物，起到沉淀強化，對C的含量控制其盡可能地接近規定上限，Ni作為奧氏體形成元素，可以擴大奧氏體區，降低馬氏體轉變點Ms，增加鋼材的淬透性，控制Ni含量接近上限，使得材料組織中有少量的殘余奧氏體，改善材料的韌性指標，Cr為鐵素體形成元素，組織中帶狀鐵素體相會降低材料韌性，同時增加材料的磁性能指標，不利于驅動機構設備的使用功能，Cr的含量應接近下限［7］。另外，通過2次精煉進一步提純了鋼的成分，使得P和S等雜質元素的含量都控制在一個較低的范圍內。

2.2 制造分析

2.2.1 管坯制造

分別按照熱穿孔和機械鉆孔兩種方法制造管坯。采用熱穿孔方法制造的管坯緩慢冷卻后，經過酸洗處理，管坯表面較好，組織均勻，為后續冷軋過程提供了一個良好的組織準備。而采用機械鉆孔方法制造的管坯，在鉆孔過程中，由于1Cr13材料硬度較小，切削加工未能控制好鉆孔速度，鐵銷未及時排出，造成內孔表面有螺旋狀劃傷；同時，由于管坯內表面應力集中而加工硬化嚴重，后經珩磨處理，可以消除表面可見螺旋狀劃傷，但淺表層的細小裂紋無法消除，導致最終使用打孔管坯制造的管材合格率較低。因此，管坯采用熱穿孔方法制造較為理想，可以為管材最終批量生產提供較好的管坯。

2.2.2 成品熱處理

對管材成品進行調質處理，進口管材熱處理工藝曲線如圖2所示，試制管材熱處理工藝曲線如圖3所示。

圖2 進口1Cr13不銹鋼管材熱處理工藝曲線

圖3 試制1Cr13不銹鋼管材熱處理工藝曲線

進口管材國外材料供應商選用中頻感應熱處理制度，感應加熱處理具有工藝簡單、工件的畸變量小、生產效率高、工藝過程易于實現機械化和自動化等優點［8］。但感應熱處理常用于表面熱處理，加熱層較薄，溫度參數要求較高，需要根據工件材料及尺寸厚度設計合理的感應圈及頻率，根據我國鋼鐵制造企業現狀及相關經驗，對超厚壁1Cr13不銹鋼管材使用中頻感應熱處理欠佳。因此，選擇了長桿件慣用熱處理設備（井式爐）進行成品管材的熱處理，根據1Cr13不銹鋼等溫轉變曲線及相關工藝資料［9］，管材分別選用950℃ 、980℃、1020℃保溫30min的工藝進行淬火處理，淬火后應及時進行回火，回火溫度選用640℃保溫180min后出爐空冷。

2.3 組織性能分析

試制管材按照3種不同工藝進行淬火后，組織如圖4所示。

圖4 不同淬火溫度下的顯微組織圖

由圖4可見，經過淬火后，1Cr13不銹鋼組織主要由鐵素體＋馬氏體組成。隨著淬火溫度的增加，馬氏體板條不斷增大，同時伴隨著晶粒的長大。在950℃淬火時，組織中存在一定的珠光體，碳化物未完全溶解于奧氏體中，故過冷奧氏體向馬氏體轉變數量較少；在經過980℃淬火后，材料的組織均勻，馬氏體體積分數增大，馬氏體板條尺寸較小，邊界清晰，晶粒尺寸細小；在經過1020℃淬火后，馬氏體板條增大，向著片長馬氏體趨勢發展，晶粒也有所增大，導致材料的脆性增加。

成品管材按照工藝1、工藝2、工藝3進行熱處理后，力學性能與進口管材對照情況如表2所示。

由表2可見，3種工藝均可以使得材料的力學性能滿足技術要求，其中工藝1具有較高的伸長率，抗拉強度富余量較少，主要是由于奧氏體化溫度較低、碳化物未完全溶解、馬氏體轉變不徹底造成；工藝2的各項性能指標均與進口管材指標相當，其屈服強度和硬度均優于進口管材，具有較高的沖擊韌性，材料組織均勻，晶粒度在7級以上，回火組織為保持馬氏體位相的回火索氏體，如圖5（a）所示為進口管料最終成品狀態下的顯微組織，圖5（b）為試制管料最終成品狀態下的顯微組織；工藝3材料的各項性能指標均有所下降，沖擊韌性降低較大，這主要是由于管材在此溫度下晶粒有長大趨勢，馬氏體板條粗大，導致強度和韌性下降。

分別對進口管材及按工藝2制造管材的磁性能檢測，測試結果如表3所示。

由表3可見，按照工藝2制造的管材矯頑力Hc大于進口管材，這主要是因為試制管材的含C量高于進口材料，在材料進行回火時，隨著馬氏體的分解，碳化物析出量高于進口材料，而碳化物為非鐵磁性，有高的矯頑力Hc和低的磁導率μ，使得材料磁化難度增加，另外，由于試制管材晶粒較細，擴大了晶界面，增加了磁化阻力，同樣使得管材難以磁化，飽和磁感應強度Bs、剩余磁感應強度Br、磁導率μ均低于進口管材［10］，有利于設備實際使用。

表2 國內試制與進口1Cr13管材力學性能測試結果

圖5 成品管材顯微組織

表3 1Cr13管材磁性能測試結果

3 結 論

（1）影響1Cr13馬氏體不銹鋼超厚壁管材成材率的主要因素為管坯的質量及后續冷、熱加工變形量的大小。由于管材在熱加工過程中溫度控制不當，管材表面與次表面發生相變不一致，冷加工過程中表面應力集中，導致管材產生縱向裂紋引起不合格，冷軋管材平均單次變形比控制在30%左右最為理想，試制管材的平均晶粒度為7級。

（2）冷軋管材在經過980℃，保溫30min淬火，再經過640℃，保溫180min回火后，屈服強度和硬度均優于進口管材，具有較高的沖擊韌性，材料組織均勻，綜合性能得到了進一步調高。

（3）1Cr13厚壁管材的管坯通過熱穿孔方法制造優于通過機械鉆孔方法所做管坯，根據驅動桿管材的實際使用要求，通過對鋼錠原材料冶煉化學成分C，Cr，Ni元素含量的控制，可以優化最終管材的各項磁性參數，有利于零件的使用。

（4）通過制造工藝的設計，目前試制的管材在試驗樣機上使用，性能優于進口管材的1Cr13馬氏體不銹鋼的厚壁管，推進了我國核電站用材料的國產化進程。

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