CN103846303A - 一种粗晶奥氏体耐热钢材料的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种粗晶奥氏体耐热钢材料的制造方法，属于耐热钢技术领域。使用状态具有晶粒尺寸粗于ASTM标准4级晶粒度尺寸的奥氏体耐热钢管材及棒材；生产壁厚和内径之比值0.2～1.3的耐热钢管材时，直接挤压成型，采用铸造→开坯→镗孔→加热→挤压→保温或升温处理→水冷的加工工艺；生产具有粗晶奥氏体组织的金属棒材，采用铸造→开坯→加热→锻造→保温或升温处理→水冷的加工工艺。控制的技术参数为：在热挤压或热锻造变形量为30%～95%后，终挤或终锻温度在1050℃～1250℃之间，在1150℃～1250℃热处理炉中保温2min～20min，水冷。获得晶粒尺寸大于ASTM标准4级晶粒度尺寸的粗大奥氏体组织。

Description

一种粗晶奥氏体耐热钢材料的制造方法

技术领域

本发明属于耐热钢技术领域，特别是涉及一种粗晶奥氏体耐热钢材料的制造方法，适用于超超临界火电机组建设具有粗晶组织的奥氏体耐热钢锅炉管的生产制造，也适用于高温条件下使用的、具有粗晶奥氏体组织的其他金属部件的制造。

背景技术

极端天气频繁出现，节能减排越来越受到世界各国关注。发电行业作为能源消耗大户，节能减排任务艰巨。提高蒸汽温度及其压力，可以显著改善燃煤发电机组的热效率，蒸汽参数为593℃/30MPa的发电机组的热效率比蒸汽参数为538℃/18.5MPa的发电机组的高6%。欧盟预计将蒸汽温度提高到700℃，将发电机组的热效率从目前的47%提高到55%，使煤耗大幅降低，CO₂排放量减少15%。美国正开展760℃/35MPa项目的研究，该项目预计CO₂排放量比现在通用的亚临界电站降低22%。而国内电站的平均热效率约33%，远低于发达国家水平。目前，我国经济发展迅速，经济总量已居世界第二位，能源消耗巨大，环境保护面临空前压力。

随着发电机组蒸汽参数的提高，发电热效率固然得到改善，但对电站材料的综合性能也提出了更高的要求。对用于燃煤火电锅炉用耐热钢而言，最受关注的三项性能是，首先，耐热钢要具有良好高温持久强度；第二，耐热钢要具有良好抗高温蒸汽氧化腐蚀的能力；第三，耐热钢要具有适当的高温低周疲劳强度；三项性能综合良好，才能保证燃煤火力电站在长期使用过程中的稳定性和安全性。目前，奥氏体类耐热钢的用量越来越大，而且细晶组织的奥氏体耐热钢，诸如，TP347HFG、S30432已经不能满足综合性能的要求；需要含Cr量更高的奥氏体耐热钢来满足高温蒸汽腐蚀性能的要求。目前，用于超超临界电站锅炉的奥氏体耐热钢主要有S31025、S31042、Sanicro25(22Cr25NiWCoCu)等。高温蠕变条件下，蠕变速率随着晶粒尺寸的增大而降低，蠕变（持久）强度从而随着晶粒尺寸的增大而升高，因此，要求上述奥氏体耐热钢具有粗大晶粒组织。一方面，粗大晶粒减少了钢中的界面，蠕变过程中的扩散通道减少，从而显著降低蠕变速率，提高蠕变断裂强度，延长持久（蠕变）断裂寿命，金属材料的蠕变强度与其组织的晶粒尺寸和蠕变温度存在如下关系：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{k}{d}$ 高温（T/T_f≤0.5）（1）

式中：d为最小晶粒直径，k为材料常数，T为蠕变温度，T_f为金属材料的熔点。式（1）表明，随着晶粒尺寸增大，高温蠕变过程中蠕变速率降低，蠕变速率降低，蠕变断裂寿命随之延长。

另一方面，晶粒粗大，合金元素向晶界扩散距离加长，促使第二相在晶内析出，使晶界上析出相占总析出相总量的比例降低，晶粒增大有利于第二相的弥散分布程度，即，弥散程度愈高第二相颗粒间距愈小，弥散强化效果愈好。对不同晶粒度的S31042钢在700℃下进行了0～5000小时的时效，对比了它们的短时高温强度数据，发现它们的短时高温抗拉强度没有明显区别，重要的是，时效300小时后，2级晶粒度的钢（粗晶）的屈服强度就明显高于5级晶粒度的钢的屈服强度，前者在时效1000小时后其短时高温强度约为250MPa，而后者仅为220MPa，相差约30MPa，在700℃的试验温度下这个差值是相当显著的，如附图3所示。究其原因是，粗晶钢经时效后更多的二次相更加弥散分布在晶粒内部，使其强度提高，较细晶粒钢更多的二次相析出长大在晶界上，对提高其高温强度不太有利。因此，粗大晶粒的奥氏体耐热钢更有利于在高温下发挥弥散强化的作用，进一步降低蠕变速率，提高蠕变断裂强度，延长蠕变断裂寿命，改善燃煤发电锅炉运行的安全可靠性。

传统制造粗晶组织奥氏体耐热钢材料的一般工艺路线是：铸造→开坯→镗孔→加热→挤压→冷却（冷轧）→固溶处理，这种加工工艺利用冷轧结束后组织内部储存的大量畸变能，在固溶处理时发生再结晶并使再结晶晶粒长大。传统工艺下，热处理升温过程比较缓慢，畸变能通过位错的攀移、滑移、多边形化以及宏观应力松弛而逐渐消耗，而且在加热过程中形成大量的再结晶核心，使再结晶过程容易结束，而且再结晶晶粒不易长大，其晶粒尺寸几乎和商业钢管的相差一倍多，如附图1所示，因此，在其它条件相同的情况下，按照公式（1）所描述的关系，晶粒小的耐热钢其蠕变速率较大，其蠕变断裂寿命势必较低。因此，要使钢的再结晶晶粒进一步长大到粗晶的程度，再结晶晶粒需要一个二次长大过程，这个过程需要进一步提高固溶处理温度，一般大生产用热处理炉难以达到这么高的温度（1250℃或以上），组织粗化的目的不易达到。另外，如果固溶处理温度不够高，固溶处理后容易出现混晶组织，不利于奥氏体耐热钢综合性能的提高。比如，S31042钢经热锻自然冷却后，具有明显的混晶组织，即使再经过1200℃1h固溶处理，仍然难以消除其混晶组织（见附图2）。如前所述，高温下使用的金属材料，通常使其组织粗化而获得高的蠕变强度，但与之相对的是，随着组织的粗化或者晶粒尺寸增大，疲劳强度降低，钢的脆性增大，安全起见，用于发电机组极端受热部件的奥氏体耐热钢管件的壁厚一般较大，内径相对较小。这样的管材可以通过挤压直接获得，接下来进行固溶处理，并不需要冷轧。因此，传统工艺生产周期长，热处理工序繁琐，耗能多，本发明对此进行了改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粗晶奥氏体耐热钢材料的制造方法，是一种短流程的、节能的、具有粗大晶粒组织的奥氏体耐热钢材料的制造方法。

为了实现短流程和节能，而且获得粗大组织且均匀的奥氏体耐热钢材料，需要在传统工艺的基础加以改进。传统奥氏体耐热钢的主要工艺流程是：铸造→开坯→镗孔→加热→挤压→冷却→冷轧→固溶处理。

本发明将奥氏体耐热钢主要分成两种情况：

（1）生产壁厚和内径之比值0.2～1.3的耐热钢管材时，直接挤压成型，采用铸造→开坯→镗孔→加热→挤压→保温或升温处理→水冷的加工工艺。

（2）除管材之外的要求具有粗晶奥氏体组织的金属棒材，生产具有粗晶奥氏体组织的棒材，采用铸造→开坯→加热→锻造→保温或升温处理→水冷的加工工艺。

这两种改进型的热加工工艺均是，热挤压或热锻累计热变形量为30%～95%，

控制的技术参数为：终挤或终锻温度在1050℃～1250℃之间，在0～120秒内将金属制件移至具有预定温度1150℃～1250℃的热处理炉中，保温2min～20min，水冷；

制造的奥氏体耐热钢材料具有晶粒尺寸粗于ASTM标准4～0级粗大组织。

本发明有益效果包括两个方面：

（1）比较容易获得粗晶组织：热加工后金属材料尚处于静态再结晶开始阶段，直接升温+保温或者保持终挤或终锻后温度一定时间的方式进行热处理，一般情况下，热轧或热挤压后，金属材料内部的再结晶核心较少，如果在这种情况下对其进行升温和保温处理，静态再结晶会以变形过程中动态再结晶晶核为核心继续长大，而不形成或少形成其它再结晶的核心，最终形成所期望的粗晶组织。

（2）简化工艺流程，节能降耗：传统工艺下，奥氏体不锈钢的开坯温度在1150℃～1260℃，变形温度范围为900℃～1150℃，由于加工硬化率较大，冷加工过程需要多次中间软化退火，而且软化退火温度较高，一般在1050℃～1100℃之间，因此用这种工艺加工奥氏体耐热钢，生产周期长，耗费能源多。改进型的加工工艺均省略了冷加工工序，即省略了中间反复加热工序，而且利用了金属材料热加工后的余热，使能耗降低约30%以上，而且缩短了奥氏体耐热钢及合金的生产周期。

附图说明

图1为S31042冷变形量50%,经1250℃10min固溶处理组织。

图2为进口商业S31042钢管的粗晶组织。

图3为热锻S31042钢1200℃保温1h固溶处理金相组织。

图4为不同晶度的S30142钢时效态短时高温强度对比。

具体实施方式

实施例1

本实施例的材料为奥氏体耐热钢S31042，采用真空熔炼铸造→开坯→镗孔→加热→挤压→保温或升温→水冷的加工工艺路线方式，挤压变形量为75%，终挤温度为1180℃，快速升温至1230℃保温5分钟，立即淬水冷却，获得0—1级晶粒度的完全奥氏体组织。

实施例2

本实施例的材料为奥氏体耐热钢S31025，采用真空熔炼铸造→开坯→镗孔→加热→挤压→保温或升温→水冷的加工工艺路线，累计挤压变形量为60%，终挤温度为1200℃，移至热处理炉中升温至1220℃保温10分钟后，立即淬水冷却，获得1级晶粒度的完全奥氏体组织。

实施例3

本实施例材料为Sanicro25(22Cr25NiWCoCu)，采用真空铸造→开坯→加热→锻造→保温或升温→水冷的加工方式，累计变形量30%，终锻温度为1100℃，迅速移至温度为1200℃的热处理炉中，保温15分钟淬水，获得4级晶粒度的奥氏体组织。

Claims (1)

1.一种粗晶奥氏体耐热钢材料的制造方法，其特征在于：使用状态具有晶粒尺寸粗于ASTM标准4级晶粒度尺寸的奥氏体耐热钢管材及棒材；

生产壁厚和内径之比值0.2～1.3的耐热钢管材时，直接挤压成型，采用铸造→开坯→镗孔→加热→挤压→保温或升温处理→水冷的加工工艺；

生产具有粗晶奥氏体组织的金属棒材，采用铸造→开坯→加热→锻造→保温或升温处理→水冷的加工工艺；

控制的技术参数为：终挤或终锻累计热变形量达到30%～95%，终挤或终锻温度在1050℃～1250℃之间，在0～120秒内将金属制件移至具有预定温度1150℃～1250℃的热处理炉中，保温2min～20min，水冷；

制造的奥氏体耐热钢材料具有晶粒尺寸粗于ASTM标准4～0级粗大组织。

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