CN103320591B - 30CrNi3MoV 锻件热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种30CrNi3MoV锻件热处理方法，依次包括以下步骤：第一次正火、第一次过冷、第二次正火、第二次过冷、完全退火和调质处理。该30CrNi3MoV锻件热处理方法通过锻后两次正火、两次过冷、完全退火的工艺，完全隔断组织遗传，达到晶粒细化的效果，使材料潜能得到充分发挥。即：对于非常容易产生晶粒遗传和晶粒粗大的30CrNi3MoV钢种，提高锻后一次正火温度使锻后不均匀的晶粒组织重新排序，其后再进行一次稍低温度的正火，使晶粒进一步细化，两次低温过冷使正火产生的残余奥氏体能够充分分解，阻断遗传倾向，再加上最后一次完全退火，将组织遗传完全阻断，从而达到了消除混晶的理想效果。

Description

30CrNi3MoV 锻件热处理方法

技术领域

本发明涉及热处理工艺技术领域，尤其是涉及一种30CrNi3MoV锻件热处理方法。

背景技术

目前，钢铁工业发展所面临的资源和环境的压力越来越大，为保护环境， 节约能源和原材料，研究和发展超高强度钢，减轻钢制品重量，提高钢铁产品附加值迫在眉睫。

低合金超高强度钢由于成本相对低廉，生产工艺比较简单，因而具有广阔的发展应用前景。其中，30CrNi3MoV钢是在原Cr-Ni-Mo 系低合金超高强钢的基础上进行V 微合金化，并适当调整其它合金元素含量而发展起来的。为充分发挥V 微合金化的强化优势，生产中须配以合理、先进的控锻控冷或热处理工艺，才能使钢的性能得到最大限度的发挥。

然而，目前对此钢的实际应用仍采用传统的热处理工艺，这不仅不利于钢材潜能的最大发挥，而且还浪费资源和能源进而增加生产成本。

究其原因，该30CrNi3MoV钢潜能不能得到充分发挥的主要原因在于此钢种具有较强的组织遗传特性，按传统工艺热处理后将产生混晶现象，使其机械性能指标达不到要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种30CrNi3MoV锻件热处理方法，它具有能够有效消除该30CrNi3MoV锻件的混晶现象的特点。

本发明所采用的技术方案是：30CrNi3MoV锻件热处理方法，依次包括以下步骤：第一次正火、第一次过冷、第二次正火、第二次过冷、完全退火和调质处理。

所述第一次正火为：将锻件加温至970~990oC后，保持该温度13~18h。

所述第一次正火为：将锻件加温至980oC后，保持该温度15h。

所述第二次正火为：锻件加温至940~960oC后，保持该温度13~18h。

所述第二次正火为：锻件加温至950oC后，保持该温度15h。

所述完全退火为：将锻件加温至850oC×15h炉冷至640~660oC并保持该温度28~32h，之后空冷直至锻件温度不高于150oC。

所述完全退火为：将锻件加温至850oC×15h炉冷至650oC并保持该温度30h，之后空冷直至锻件温度不高于150oC。

所述调质处理依次包括：将锻件加温至860~880oC并保持该温度8~12h后淬火，将锻件加温至580~600oC并保持该温度18~22h后回火。

所述调质处理依次包括：将锻件加温至870oC并保持该温度10h后淬火，将锻件加温至590oC并保持该温度20h后回火。

所述第一次过冷和第二次过冷均为：将锻件风冷至200oC后，空冷至室温。

本发明所具有的优点是：能够有效消除该30CrNi3MoV锻件的混晶现象。本发明的30CrNi3MoV锻件热处理方法通过锻后两次正火、两次过冷、完全退火的工艺，完全隔断组织遗传，达到晶粒细化的效果，使材料潜能得到充分发挥。即：对于非常容易产生晶粒遗传和晶粒粗大的30CrNi3MoV钢种，提高锻后一次正火温度使锻后不均匀的晶粒组织重新排序，其后再进行一次稍低温度的正火，使晶粒进一步细化，两次低温过冷使正火产生的残余奥氏体能够充分分解，阻断遗传倾向，再加上最后一次完全退火，将组织遗传完全阻断，从而达到了消除混晶的理想效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是空冷后锻件组织图；

图2是按照传统工艺920oC正火-890oC正火-650oC回火后锻件中心部位切取的试样检测的晶粒度；

图3是对图2试样850oC×1h封炉冷到640oC×3h检测的金相组织；

图4是图3状态的试样于860oC×1h水冷淬火后检测的晶粒度组织；

图5是选取图2状态的试样经970oC×2h空冷到室温检测的晶粒度组织；

图6是970oC×2h空冷到室温，再于870oC×1h水冷淬火后检测的晶粒度组织；

图7是工件于980oC正火-950oC正火-850~650oC退火后再于860oC淬火580oC回火后检测的晶粒度组织；

图8a和图8b分别是实施例1中锻件热处理前后的组织图；

图9a和图9b分别是实施例2中锻件热处理前后的组织图；

图10a和图10b分别是实施例3中锻件热处理前后的组织图。

具体实施方式

本发明的30CrNi3MoV锻件热处理方法依照以下分析而制定。[0020]

一、市场需求调查

    经广泛调查，市场上对30CrNi3MoV锻件的性能要求见表1所示：

表1

    二、原有技术实验作为比较

    1、制备路线

    该30CrNi3MoV锻件完整的制备路线为：LF+VD → 电渣重熔→ 加热→ 锻造→ 锻后热处理→探伤后机加工→探伤后调质处理→探伤后检验性能、测定晶粒度。

2、实验性生产

为达到表1所述的性能，首先进行实验性生产。该实验性生产中，投入两个炉号，材料化学成分见表2所示：

    表2

采用的锻件规格尺寸为：550mm×650mm×1650mm。

所采取的的锻造加热工艺为：将锻件加热至1220±10oC保持4h，之后依次进行镦粗、拔长、镦粗，最后形成成品锻件。

所采取的锻后热处理为：锻后空冷到工件表面320~400oC入退火炉650oC待料，等锻件全部锻完后以全功率将炉温升高到920oC按0.4~0.5系数X锻件装炉吨位进行保温，然后工件吊下炉摆放到Φ600圆垫铁上，6台轴流风机从不同方位吹风空冷到工件表面温度280~320oC入退火炉不点火停留15h后，再以全功率将炉温升高到890oC，按上边同样的保温方式保温后再以同样的冷却方式冷却到280~320oC，入退火炉不点炉停留15h后，再以全功率将炉温升高到650oC，保温25~40h后封炉冷却到仪表温度≤350oC出炉空冷到室温。

所采取的调质热处理：

1）调质前预备热处理采取正火处理，工件入炉后先在450oC~550oC进行第一次预热，保温1~2h再以60~100oC/h升温至正火温度890oC，保温时间按1.3~2.0h/100mm，使工件心部达到890oC左右，完成奥氏体转变，然后出炉摆放到垫铁上4台轴流风机从不同方向吹风冷却到表面温度≤300oC装入加热炉；

2）调质处理淬火加热：以60~100oC/h速度升温到淬火温度860oC，保温按1.3~2.0h/100mm使工件心部达到860oC左右，完成奥氏体转变；

3）淬火冷却：采用水空间歇冷却。先在空气中预冷1.5~3min，然后放入40~50oC的水中冷却，冷却时间按0.3~0.5min/100mm控制，然后再次提出水面空冷，空冷时间以不使锻件表面温度超过回火温度为限。此后水冷时间应逐次减少，空冷时间逐次延长，以减小锻件截面的温差，防止开裂，冷却到表面温度200~300oC入炉回火；

4）回火：工件入回火炉后先在280~350oC预热2~3h，再升温至590oC进行回火，保温时间采用2.5~3.5h/100mm，进行马氏体分解及残余奥氏体的继续转变，消除淬火应力，回火后空冷到室温。

3、检测

    采用常规检测方法，对前述实验性生产中形成的锻件进行检测，检测结果见表3所示：

表3

性能检测结果为：晶粒度检测：20%7 级，80%1~3 级。

4、分析

从以上检测数据可知，前述实验性生产中所制备的锻件低温性能偏低和晶粒粗大、不均匀。原因为：晶粒遗传造成。即，由于通常该类锻件的截面大，锻造后内外温差大，尽管表面终锻温度不高，但是心部实际停锻温度远远超过900oC以上。这样，见图1所示，锻后空冷过程中形成排列有序的粗大贝氏体组织。经过920oC、890oC再次正火后，沿原来粗大贝氏体组织形成粗大的晶粒，风冷后再次形成了粗大排列有序的贝氏体组织，于650oC扩氢退火后，很难将排列有序的板条状贝氏体组织分解，造成晶粒遗传，在调质过程中形成混晶组织。

三、工艺优化实验

    1、实验前理论调查分析：

1.1 据文献《珠光体转变与退火》介绍：原始组织是影响组织遗传的重要因素，通常原始组织为贝氏体组织遗传性较强，为此必须将原始的非平衡组织转变为平衡组织。故，得到平衡组织的重要方法是：采用完全退火、不完全退火、A1温度稍下的高温回火等工艺方法。

1.2 据文献《大锻件热处理》调整与细化晶粒的热处理工艺措施：

1.2.1、提高a→γ相变区中的加热速度细化奥氏体晶粒。但对于大锻件实际加热速度不够大；

1.2.2 多次正火对于调整与细化晶粒的作用为许多研究工作所肯定。据介绍，在不同温度区域奥氏体晶粒的均匀程度不同，在某些区域能够得到近于均匀的奥氏体晶粒。该文未注明奥氏体的加热速度等实验条件，但认为采用较高的加热温度从而达到较粗的奥氏体晶粒有利于晶粒的调整。

1.2.3 消除粗大残余的奥氏体工艺方法：

大锻件由于偏析及终冷温度（对第一热处理即为过冷温度）一般在Ms 附近，要实现奥氏体完全转变是困难的，这样锻后的粗大奥氏体晶粒往往保留下来。在300oC等温时残余奥氏体的分解速度最快。此外，在A1 以下回火时若保温时间足够则在随后的冷却过程中（而不是保温过程）残余奥氏体将分解。这种回火称为条件处理。条件处理加热温度愈低所需保温时间愈长，在520oC以下回火残余奥氏体将不分解。

2、实验情况

2.1 相变临界点见表4所示：

表4

Ac1	Ac3	Ms	Mf
				750oC	800oC	293oC	115oC

2.2 实验一

选取余料粗晶较严重的位置，见图2所示。进行完全退火获得铁素体+珠光体的平衡组织，见图3所示。然后于870oC淬火实验后发现仍然存在混晶组织，见图4所示。查阅杨正汉《电站用大型锻件锻后热处理》，大型锻件3.5%NiCrMoV钢在珠光体区完成相变要用500小时，所以大型转子锻后热处理很少采用等温退火的办法。

2.3 实验二

提高正火温度，得到相对粗大均匀的奥氏体晶粒，在随后的淬火过程中使晶粒进一步细化，见图5所示。以970oC保持2h正火后晶粒较为均匀达到6.5 级，以870oC保持1h淬火后，检验晶粒度提高到8级，见图6所示，结果较为理想。

2.4 生产实验

2.4.1 选材加热锻造仍采用本说明书所述的原有技术实验部分

2.4.2 材料成分见表5所示：

表5

2.4.3、根据锻件规格，获得平衡组织的理论方法和调整与细化晶粒的热处理工艺措施及以上小试样实验情况并考虑到小试样于实际生产的差异，特制定出如下锻后热处理工艺：

锻后空冷到工件表面320oC~400oC入退火炉650oC待料等锻件全部锻完后以全功率将炉温升高到980oC增加奥氏体的均匀性，以利于组织的重新排序，按0.4~0.5系数X锻件装炉吨位进行保温，然后工件吊下炉摆放到Φ600圆垫铁上，6台轴流风机从不同方位吹风空冷到，工件表面温度200oC左右入退火炉不点火停留15h后，再以全功率将炉温升高到950oC按上边同样的保温方式，保温后再以同样的冷却方式冷却到200oC左右入退火炉不点炉停留15h后，再以全功率将炉温升高到850oC保温按0.4~0.5系数X锻件装炉吨位进行，然后停炉冷却到仪表温度650oC点炉保持25~40h后封炉冷却到仪表温度≤150oC出炉空冷到室温。

2.4.4 金相检验组织：珠光体+铁素体

2.4.5 调质处理：

1）工件入炉后先在450oC~550oC进行第一次预热，保温1~2h，以60~100oC/h速度升温到淬火温度860oC，保温按1.3~2.0h/100mm使工件心部达到860oC左右，完成奥氏体转变；

2）淬火冷却：采用水空间歇冷却。先在空气中预冷1.5~3min，然后放入40~50oC的水中冷却，冷却时间按0.3~0.5min/100mm控制，然后再次提出水面空冷，空冷时间以不使锻件表面温度超过回火温度为限。此后水冷时间应逐次减少，空冷时间逐次延长，以减小锻件截面的温差，防止开裂，冷却到表面温度200~300oC入炉回火；280~350oC。

3）回火：工件入回火炉后先在280~350oC预热2~3h，再升温至590oC进行回火，保温时间采用2.5~3.5h/100mm，进行马氏体分解及残余奥氏体的继续转变，消除淬火应力，回火后空冷到室温。

2.4.6、晶粒度检验分析，见图7所示，晶粒度7~8级。

2.4.7 性能检测结果见表6所示：

表6

炉号

Rm(Mpa)

Rp(Mpa)

A%

Z

Akv常温

Akv低温

614690

1160/1130

1050/1040

16/15.5

61.5/61.5

63/65

42/40

614700

1140/1120

1030/990

17/16.5

60/62

65/65

47/45

3、总结分析：

通过对30CrNi3MoV材料混晶及晶粒粗大工艺优化实验可知：通过锻后两次高温正火+两次过冷+完全退火可以完全隔断组织遗传并达到晶粒细化的效果。同时，使材料潜能得到充分发挥。

四、结论性总结

对于非常容易产生晶粒遗传和晶粒粗大的30CrNi3MoV钢种，提高锻后一次正火温度使锻后不均匀的晶粒组织重新排序，其后再进行一次稍低温度的正火，使晶粒可以进一步细化，两次低温过冷的目的是使正火产生的残余奥氏体能够充分分解，阻断遗传倾向，再加上最后一次完全退火，将组织遗传完全阻断，可以得到理想效果。

由以上分析，本发明的30CrNi3MoV锻件热处理方法采取以下实施例所述的方法：

实施例1，选材加热锻造仍采用本说明书所述的原有技术实验部分。30CrNi3MoV锻件热处理方法，依次包括以下步骤：第一次正火、第一次过冷、第二次正火、第二次过冷、完全退火和调质处理。具体的讲：

第一次正火为：将锻件加温至970oC后，保持该温度13h。

第一次过冷为：将锻件风冷至200oC后，空冷至常温。

第二次正火为：锻件加温至940oC后，保持该温度13h。

第二次过冷为：将锻件风冷至200oC后，空冷至常温。

完全退火为：将锻件加温至850oC×15h（即，加温至850oC保持15h，下同）后炉冷到640oC并保持该温度28h，之后空冷直至锻件温度不高于150oC。

调质处理依次包括：将锻件加温至860oC并保持该温度8h后淬火，将锻件加温至580oC并保持该温度18h后回火。

经常规实验，见图8a所示，采用实施例1的方法进行热处理之前，晶粒度组织晶粒度1~3级大小不均匀混晶严重。见图8b所示，采用实施例1的方法进行热处理之后，晶粒度组织：8.5级，混晶组织消失。  

实施例2：选材加热锻造仍采用本说明书所述的原有技术实验部分。30CrNi3MoV锻件热处理方法，依次包括以下步骤：第一次正火、第一次过冷、第二次正火、第二次过冷、完全退火和调质处理。具体的讲：

第一次正火为：将锻件加温至980oC后，保持该温度15h。

第一次过冷为：将锻件风冷至200oC后，空冷至常温。

第二次正火为：锻件加温至950oC后，保持该温度15h。

第二次过冷为：将锻件风冷至200oC后，空冷至常温。

完全退火为：将锻件加温至850oC×15h后炉冷至650oC并保持该温度30h，之后空冷直至锻件温度不高于150oC。

调质处理依次包括：将锻件加温至870oC并保持该温度10h后淬火，将锻件加温至590oC并保持该温度20h后回火。

经常规实验，见图9a所示，采用实施例2的方法进行热处理之前，晶粒度组织晶粒度1~3级大小不均匀混晶严重。见图9b所示，采用实施例2的方法进行热处理之后，晶粒度组织：7.5级，混晶组织消失。

实施例3：选材加热锻造仍采用本说明书所述的原有技术实验部分。30CrNi3MoV锻件热处理方法，依次包括以下步骤：第一次正火、第一次过冷、第二次正火、第二次过冷、完全退火和调质处理。具体的讲：

第一次正火为：将锻件加温至990oC后，保持该温度18h。

第一次过冷为：将锻件风冷至200oC后，空冷至常温。

第二次正火为：锻件加温至960oC后，保持该温度18h。

第二次过冷为：将锻件风冷至200oC后，空冷至常温。

完全退火为：将锻件加温至850oC×15炉冷至660oC并保持该温度32h，之后空冷直至锻件温度不高于150oC。

调质处理依次包括：将锻件加温至880oC并保持该温度12h后淬火，将锻件加温至600oC并保持该温度22h后回火。

经常规实验，见图10a所示，采用实施例3的方法进行热处理之前，晶粒度组织晶粒度1~3级大小不均匀混晶严重。见图10b所示，采用实施例2的方法进行热处理之后，晶粒度组织：6.5级，混晶组织消失。此实施例中，由于采用了较高的正火温度和淬火温度，所以晶粒度级别相对略低。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.30CrNi3MoV锻件热处理方法，依次包括以下步骤：第一次正火、第一次过冷、第二次正火、第二次过冷、完全退火和调质处理；其中，

所述第一次正火为：将锻件加温至970~990oC后，保持该温度13~18h；

所述第二次正火为：锻件加温至940~960oC后，保持该温度13~18h；

所述完全退火为：将锻件加温至850oC×15h炉冷640~660oC并保持该温度28~32h，之后空冷直至锻件温度不高于150oC；

所述调质处理依次包括：将锻件加温至860~880oC并保持该温度8~12h后淬火，将锻件加温至580~600oC并保持该温度18~22h后回火；

所述第一次过冷和第二次过冷均为：将锻件风冷至200oC后，空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的30CrNi3MoV锻件热处理方法，其特征在于：所述第一次正火为：将锻件加温至980oC后，保持该温度15h。

3.根据权利要求1所述的30CrNi3MoV锻件热处理方法，其特征在于：所述第二次正火为：锻件加温至950oC后，保持该温度15h。

4.根据权利要求1所述的30CrNi3MoV锻件热处理方法，其特征在于：所述完全退火为：将锻件加温至850oC×15h炉冷至650oC并保持该温度30h，之后空冷直至锻件温度不高于150oC。

5.根据权利要求1所述的30CrNi3MoV锻件热处理方法，其特征在于：所述调质处理依次包括：将锻件加温至870oC并保持该温度10h后淬火，将锻件加温至590oC并保持该温度20h后回火。