核电产品奥氏体不锈钢材料磁导率控制工艺

·58· 工程材料应用 机械 2012 年第 3期 总第 39 卷 ——————————————— 收稿日期：2011－08－08 作者简介：蒲军（1976－），四川蓬溪人，工程师，主要从事水轮发电机组结构件焊接工艺及热处理工艺研究。 核电产品奥氏体不锈钢材料 磁导率控制工艺 蒲军，周强 （东方电气集团 东方电机有限公司，四川 德阳 618000） 摘要：核电产品中的奥氏体不锈钢材料对磁导率有严格要求（磁导率 μ≤1.3），而按国标采购是因化学成 份的差异会导致每批次材料磁导率不同，同时在产品生产、加工、转运、焊接过程中也会造成磁导率变 化，满足不了产品使用要求。通过对核电产品常用奥氏体型不锈钢材料结构和组织分析，从微观原理、 组织状态、化学成分对磁导率的影响等多方面进行分析，其中化学成分对磁导率的影响最大，因此通过 化学成分的调节，使材料获得稳定奥氏体组织和采用稳定有效的工艺措施是保证产品磁导率合格的关键。 关键词：核电；奥氏体不锈钢；磁导率 中图分类号：TG142.71 文献标识码：A 文章编号：1006－0316 (2012) 03－0058－05 Control technology of austenitic stainless steel magnetic conductivity of nuclear power generator PU Jun，ZHOU Qiang ( Dongfang Electric Machinery CO., LTD., Dongfang Electric Corporation, Deyang 618000, China ) Abstract：It is strict for the magnetic conductivity of austenitic stainless steel in nuclear power generator (μ≤1.3). But the magnetic conductivity of this material which have bought according to international standard are different because of the difference of its chemic component. Moreover, the magnetic conductivity would be changed through the process. Therefore the magnetic conductivity of austenitic stainless steel cannot be satisfied with the operating requirements. In this article the material structure, microscopic structure and chemic component of austenitic stainless steel have been analyzed. The research indicated that the effect of chemic component is largest. Thus obtaining the stable austenitic structure by adjusting chemic component and using suitable process technology is most important for controlling the magnetic conductivity. Key words：nuclear power；austenitic stainless steel；magnetic conductivity 在东方电机有限公司核电产品中常用的 不锈钢主要为奥氏体型不锈钢和马氏体型不 锈钢两种类型。奥氏体型不锈钢中应用最多的 牌号主要有 0Cr18Ni9（304）、lCr18Ni9Ti 及 核电专用的 X2CrNi18,9 钢板等，它们属于耐 热、耐蚀无磁不锈钢，应用于管路、阀体、接 头或其它零部件等；选用奥氏体无磁不锈钢具 有优良的抗腐蚀性、放气率低、无磁性、焊接 性好，并具有高的强度、塑性及韧性，能够在 －270～900 ℃范围内工作。因核电产品的特 殊性，图纸要求有低于普通（μ≤1.6）的 磁导率，譬如在某些端部容易漏磁部位，以避 免材料磁导率过高而导致某些部位发热。 在生产中发现在原材料磁导率合格的情 况下，核电定子出线装配中的左、右管道冷弯 成型后磁导率升高，核电水接头（图 1）采用 机械 2012 年第 3期 总第 39 卷 工程材料应用 ·59· 电子束焊接后磁导率也发生变化；在加工过程 中，加工方法及使用刀具的不同也会引起磁导 率的差异，这些均造成部分产品磁导率偏高不 合格。首先通过对奥氏体不锈钢多种材料类型 及不同原材料状态的对比试验，从中选择磁导 率最为稳定合适的奥氏体不锈钢牌号，再通过 产品加工前预备工艺措施和加工过程工艺控 制措施来控制磁导率，以保证符合图纸要求。 图 1核电水接头 1 材料磁导率 磁导率是表征磁介质磁性的物理量，常用 符号 μ表示，等于磁介质中磁感应强度 B与磁 场强度 H之比。通常使用的是磁介质的相对磁 导率 μr，其定义为磁导率 μ 与真空磁导率 μ0 之比。相对磁导率 μ与磁化率 χ的关系就是磁 导率 μ，相对磁导率 μr和磁化率 xm都是描述磁 介质磁性的物理量。 根据磁导率或磁化率的大小，可以把物质 分为抗磁性、顺磁性和强磁性（常称为铁磁性） 三类，物质的磁性及其磁导率和磁化率的特点 如表 1所示。抗磁性和顺磁性因为磁性很微弱， 所以统称为弱磁性，奥氏体不锈钢就属于弱磁 性不锈钢。 表 1 磁导率与磁性关系 物质磁性 抗磁性 顺磁性 强磁性 （铁磁性） 相对磁导率 μr 略小于 1 略大于 1 远大于 1 磁化率 χ ＜0（-10-5～-10-6）＞0（-10-5～-10-4） 远大于 1 μ、χ与 磁场 H关系 一般无关 一般无关 强烈相关 μ、χ与 温度 T关系 一般无关 一般与 T成反比 强烈相关 2 结构及组织对磁导率影响 2.1 微观原理 固态金属都是晶体，但各种金属的晶体结 构并不完全相同，最常见的晶体结构有三种， 分别为体心立方结构、面心立方结构和密排六 方结构三种。面心立方结构的晶体不具有磁 性。由于面心立方结构和密排六方结构的配位 数与致密度都比体心立方结构大，因此当一种 金属由面心立方结构转变为体心立方结构时， 其体积必然增大，而奥氏体属于面心立方结 构，比容最小，钢从高温冷却过程中，通常是 由具有面心立方结构的奥氏体转变为其它组 织，体积必然膨胀，这种由微观结构的改变引 起宏观体积的变化相应改变了材料的物理、化 学及力学性能。 金属磁性来源于电子自旋结构，电子自旋 属于量子机械性能，既可以“向上”，也可以 “向下”。在铁磁性金属中，电子会按照同一 方向进行旋转；在反铁磁性金属材料如在奥氏 体不锈钢中，一些电子按照规则模式进行，而 相邻电子则朝着相反方向或反平行自旋；对于 三角形晶格中的电子来说，由于每个三角形中 的两个电子都必须按照相同方向自旋，因此自 旋结构已经不存在，显示无磁性或弱磁性。 2.2 组织状态 磁导率属于不锈钢材料的物理性能，磁导 率高低依不锈钢本身的结晶结构和组织而异， 但是也会受到诸如温度、加工因素和磁场强度 等的影响。一般情况下奥氏体型不锈钢的磁导 率极小，因为奥氏体组织是无磁性的，而铁素 体组织和马氏体组织一般都是带有磁性的。因 此奥氏体钢也被称为非磁性材料，具有稳定奥 氏体型组织的钢即使对其进行大于 80%的大 变形量加工也不会带磁性。核电产品所用的材 ·60· 工程材料应用 机械 2012 年第 3期 总第 39 卷 料 X2CrNi18,9 奥氏体不锈钢材料其平衡态时 为奥氏体＋铁素体＋碳化物复合相，而要获得 均匀的单相奥氏体组织，是须通过一定的热处 理手段来获得。 2.3 化学成分对磁导率的影响 获得稳定的奥氏体型组织是保证材料具 有非常低的磁导率的重要因素之一，因此通过 对材料中化学成分的调节，使材料获得稳定奥 氏体组织显得尤为关键。通过在钢中添加一些 合金元素，可以改变铁的同素异晶转变温度， 从而改变 Fe－Me二元相图的类型，即通过添 加某扩大 γ相区（奥氏体）元素合金超过某一 限量后，可以在室温得到稳定的 γ相，其中， Ni、Co、Mn属于扩大 γ 相区元素。金属中加 入足够量的 Ni 可以使体心立方 α 相从相图上 消失，并使得 γ－α 转变抑制到较低的温度， 即 A1和 A3有所降低。故而奥氏体不锈钢由 γ 区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组织，如 图 2所示。 图 2 添加 Ni元素扩大 γ相 形成稳定的奥氏体组织，C、Ni、Cr元素 起了非常主要的作用。碳作为不锈钢中的合金 元素，是对各类不锈钢组织和性能都有影响的 重要元素，它能强烈的稳定奥氏体，并提高材 料的机械强度，缺点是容易和铬形成一系列铬 的碳化物，造成晶间腐蚀；在钢中 Ni 元素含 量高于 8%后，Cr 含量可以在 18%～27%的范 围内获得单相奥氏体，Ni和 Cr元素配合使用， Ni 元素还能有效降低 Ms点，使奥氏体能保持 到低温－50 ℃以下。 1Cr18Ni9化学成分：C，0.12%；Si，1.00%； Mn，2.00%；S，0.002%；Cr，17.0%～19.0%； Ni，8.00%～11.0%；Mo；V；Ti；W；Cu。 奥氏体不锈钢主要成分是≥18%Cr 和≥ 8%Ni，利用这两种元素的配合来获得奥氏体， 18%Cr－8%Ni 的配合也是世界各国奥氏体钢 的典型成分。核电产品用钢板材料 X2CrNi18,9 就属于该系列材料。 3 奥氏体不锈钢磁导率主要影响因素 奥氏体不锈钢并非绝对的不导磁，而只是 指其磁性指标低于某个值而已，也就是说，一 般奥氏体不锈钢都或多或少的带有一定的磁 性，核电相关产品中要求材料的磁导率 μ≤ 1.3，但在实际生产过程中会因多方面因素而影 响材料磁导率。 通过对不同原材料牌号及状态分别进行 磁导率测试（表 2），得出以下几点结论。 表 2 磁导率测试结果 材料牌号 规格 热处理状态 磁导率μ（μ≤1.1） 备注 0Cr19Ni9 钢板 δ40×40×185 热轧 μ≥1.7 纵向不合格 0Cr19Ni9 钢板 δ40×40×185 固溶 μ＝1.03（原表面实测） μ＝1.03（加工面实测） 纵向合格 X2CrNi18-9 钢板 δ40×40×185 固溶 μ＝1.07（原表面实测） μ＝1.19～1.27（加工面实测） 纵向不合格 0Cr19Ni9 圆钢φ60×70 冷拉 μ＝1.37 纵向不合格 0Cr19Ni9 圆钢φ60×70 固溶 μ＝1.06～1.09（原始外圆面） μ＝1.37～1.63（试样端面） 纵向不合格 端面为加工面（锯床下料） 1Cr19Ni9Ti 圆钢φ60×70 固溶 μ＝1.02～1.04 （原始外圆面及加工端面实测均一致） 纵向合格 α γ δ 温度 A4 A3 时间/h 机械 2012 年第 3期 总第 39 卷 工程材料应用 ·61· 3.1 冶炼时成分偏析或热处理不当造成磁导 率差异 化学成分的组合对形成稳定的奥氏体组 织至关重要。在冶炼时如果成分偏析，会在室 温冷却组织中留下过多非奥氏体组织，从而影 响材料磁导率。热处理工艺不当，也会造成奥 氏体不锈钢中出现少量的马氏体或铁素体组 织，这样奥氏体不锈钢中也就会出现弱磁性。 常用铬镍奥氏体不锈钢，自高温骤冷到室温所 获得的奥氏体基体组织是亚稳定的，当继续冷 却到室温以下的更低温度或在经受冷变形时， 就有一定量的奥氏体转变为马氏体。 3.2 制造过程造成磁导率差异 奥氏体型不锈钢如 1Cr18Ni9、0Cr18Ni9 等材料，在进行大压力冷加工或进行低温加工 时，有时会发生有磁性且磁导率提高的现象， 冷加工变形越大，磁性越强，大压力加工过程 应该也是金属组织受力过程。奥氏体型不锈钢 加工变形后产生磁性的原因主要有以下几点： （1）部分晶粒组织受力影响而变为铁素 体组织。 （2）由于其组织为亚稳定奥氏体组织， 奥氏体不锈钢加工变形量比较大的情况下会 形变诱导马氏体出现，从而在奥氏体基体中增 加形变马氏体，加工变形越大，形变马氏体越 多，而马氏体是带磁性的。图 3为 500倍显微 镜下的通过变形出现的锯齿状形变马氏体，距 离较远的平行状的应该是孪晶，距离很近像锯 齿状的多组平行或近似平行的是形变马氏体。 图 3 通过变形出现的锯齿状形变马氏体 （3）对于常用的铬镍系奥氏体不锈钢， 如果只是冷却，即使冷到－196 ℃，也不会产 生马氏体。但快冷到室温特别是到低温后再施 以变形，则可能要产生马氏体，影响磁导率。 （4）焊接过程会影响磁导率的变化。这 是因为焊接热输入过程中，在高温下会有不同 形态的 δ铁素体形成，而 δ铁素体具有磁性， 在奥氏体不锈钢焊缝中的显微组织是由结晶 方式及铁素体向奥氏体转化的固态相变共同 决定，奥氏体钢焊缝中的铁素体形态由骨架状 向蠕虫状过渡，虽然受到由于元素偏析而造成 的局部不同，但主要原因是由于焊缝不同位置 处冷速不同所致，焊缝中部冷速最慢，温度梯 度小。δ－铁素体显示骨架状为主，焊缝偏离 中心处冷速慢，铁素体以蠕虫状为主，距焊缝 距离的增加，δ－铁素体含量相应减少。奥氏 体钢焊接接头不同区域中的铁素体含量不同， 焊缝中的相对较多，焊接热影响区中相对较 少，母材中的铁素体量更少。另外焊接磁场的 影响对母材的磁导率也会提高。 （5）环境影响。奥氏体不锈钢材料会在 加工、转运、摆放、保管等过程中因为环境磁 场的变化也可能影响材料本身的磁导率。 4 降低磁导率的工艺措施 通过上述影响磁导率因素的分析，可以看 出获得稳定的奥氏体组织、减少 δ－铁素体及 马氏体含量是降低磁导率最有效、最根本的工 艺方法，并运用如下途径来保证和降低奥氏体 不锈钢的磁导率。 （1）化学成分控制 Ni 元素的含量对获得稳定的奥氏体组织 非常关键，因此在化学成分组合中 Ni 元素的 含量应按国家标准取中上限，另外通过添加 Ti 配合 Cr 元素可以改变原来的磁畴排列方式使 磁导率降低，如 1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni10Ti等 ·62· 工程材料应用 机械 2012 年第 3期 总第 39 卷 奥氏体不锈钢其磁导率 μ＜1.01。 （2）增加材料预备处理序 核电专用不锈钢材料在正式使用前须对 磁导率进行，若发现 μ＞1.3，则必须对原 材料进行 1020 ℃的固溶处理，通过固溶使奥 氏体基体中的马氏体、δ－铁素体、碳化物等 重新溶解，使组织更均匀，保证磁导率符合要 求，并为后序加工留一定余量。 （3）在工序及路线上进行调整 以核电定子出线装配中的左、右管道为 例，冷弯成型后增加固溶处理序，并在工艺路 线上再增加一道酸洗序，酸洗后按图纸要求作 磁导率检测 μ＜1.1，满足设计要求。相应工艺 路线调整为：原材料检验→下料→成型→固溶 处理→酸洗→检验。 （4）严格管理程序 根据核电材料用途的特殊性，从原材料进 厂到后序加工的每一个步骤都必须有严格的 磁导率监测记录，且每一道工序处理前后都要 有对比的磁导率记录，以方便掌握磁导率的变 化情况，并有的放矢的优化工艺，另外核电用 奥氏体不锈钢应有专用的放置场地，避免放置 在强磁性环境中。 （5）选用合适的加工刀具和刀具材质 选用陶瓷或硬质合金刀具，防止因刀具带 磁而影响工件磁导率。加工过程尽量采用小切 削量进刀，以尽量减小因过大的压应力诱导马 氏体相变产生。 （6）精加工件的消磁处理 对某些精加工到位，已不适于采用 1020 ℃的高温固溶处理且磁导率稍微偏高的工件， 可以在真空炉内进行中温（600～620 ℃）光 亮热处理（μ由 1.37降至 1.12），炉内冷却至 温度低于 150℃时将工件取出进行空冷，以减 小变形和防止氧化，通过该也能改善奥氏 体不锈钢的磁导率。 5 结论 （1）要满足核电用奥氏体不锈钢磁导率 符合设计要求，保证奥氏体不锈钢原材料为固 溶状态，化学成分中 Ni 等元素含量按国家标 准偏上限，增加 Ti元素可增加奥氏体不锈钢加 工稳定性、减小因加工诱导马氏体转变趋势； （2）加工过程会对奥氏体不锈钢的磁导 率产生较大的影响，如在锯床下料时圆钢端面 C含量有所增加。 （3）原材料状态中，圆钢形态的奥氏体 不锈钢磁导率较钢板形态的要低且稳定。 （4）固溶处理是减小奥氏体不锈钢磁导 率最有效的工艺措施。 （5）严格的材料管理程序和具有针 对性的系列工艺措施是控制磁导率合乎设计 要求的必不可少的条件。 （上接第 44 页） 参考文献： [1]李团结，张学锋，陈永琴. 一种全向滚动球形机器人的运动 分析与轨迹规划[J]. 西安电子科技大学学报，2007，34（1）： 29-33. 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