CN104313285B - 一种适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理方法，包括步骤：将铸态奥氏体耐热钢炉管材料放置到加热炉中，再将加热至1120‑1200℃，并保温1‑3h进行固溶处理，然后用15‑30min的时间将温度降至950‑1080℃，并保温2‑5h，再用30‑120min将温度降至600‑900℃，保温10‑35h后冷却至室温，完成适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理。本发明处理的奥氏体耐热钢炉管材料具有优异的高温力学性能，并且成本低，满足600℃级火电机组过热器/再热器对材料的性能要求。
Description
技术领域
本发明属于金属热处理技术领域，涉及一种适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理方法。
背景技术
与铁素体耐热钢相比，奥氏体耐热钢具有更加优异的高温力学性能及抗氧化/抗腐蚀性能，因此作为高温低应力部件材料而在多个行业中获得应用。以火电行业为例，近年来随着高效、节能、环保成为电力行业发展的主题，超临界火电机组成为火电行业技术发展的重点。与此同时，火电机组的蒸汽参数不断提高，对材料的性能提出了更大的挑战。尤其对于机组中过热器/再热器等服役工况最严苛的关键部件，随着蒸汽参数达到600℃以上，传统的TP91、NF616、HCM12A等铁素体耐热钢已无法满足使用性能要求。因此，目前国内外主要采用Super 304H、HR3C等奥氏体耐热钢作为600℃级火电机组过热器/再热器管道首选材料，并获得了较好的应用效果。
然而，国内对这几种奥氏体耐热钢制备与加工工艺方面与国外差距明显。目前，我国虽然也已实现了Super 304H(S30432)、HR3C(S31042)等过热器/再热器材料的国产化，但其成本高昂且使用性能不稳定，至今未能在电力行业中获得广泛应用。因此，我国600℃级超超临界机组过热器/再热器材料至今仍严重依赖进口。
除火电行业外，我国自主生产的奥氏体耐热钢在石化、核电等领域均获得了较成功的应用。例如，采用离心铸造工艺制备20Cr32NiNb合金(ASTM：A 351-03 Grade CT 15C)及其高C改性合金已完全实现了国产化生产。这类材料一般在铸态下使用，无需后续处理，因而具有工艺简单，成本低廉等优势，并在石化行业中的制氢转化炉中获得推广。应用结果表明，这类材料可以满足1000℃以下的高温环境对材料抗氧化/抗腐蚀性能的要求，同时其具备较好的高温持久强度性能及抗热疲劳性能。但其服役压力较小，尚不能满足600℃级火电机组过热器/再热器对材料的性能要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理方法，该方法处理的奥氏体耐热钢炉管材料具有优异的高温力学性能，并且成本低，满足600℃级火电机组过热器/再热器对材料的性能要求。
为达到上述目的，本发明所述的适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理方法，其特征在于，包括步骤：
将铸态奥氏体耐热钢炉管材料放置到加热炉中，再将加热至1120-1200℃，并保温1-3h进行固溶处理，然后用15-30min的时间将温度降至950-1080℃，并保温2-5h，再用30-120min将温度降至600-900℃，保温10-35h后随炉冷却至室温，完成适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理。
所述奥氏体耐热钢炉管材料为20Cr32NiNb合金或高C改性20Cr32NiNb合金。
固溶处理后奥氏体耐热钢炉管材料晶界处由不连续的MC组成，晶界M23C6型碳化物体积分数小于3.0％，晶内碳化物体积分数低于1.5％。
经用15-30min的时间将温度降至950-1080℃，并保温2-5h后，奥氏体耐热钢炉管材料晶界处出现不连续M23C6型二次碳化物析出，M23C6型二次碳化物的尺寸均小于等于5μm。
在30-120min内将温度降至600-900℃，并在这一温度范围保温10-35h，最终获得的组织中晶界处碳化物形成连续膜状结构且占晶界面积大于70％，晶内弥散分布有二次碳化物颗粒，且所述二次碳化物颗粒的尺寸小于等于5μm。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理方法对铸态奥氏体耐热钢炉管材料进行热处理时，先将铸态奥氏体耐热钢炉管材料放置到加热炉中，然后将铸态奥氏体耐热钢炉管材料加热至1120-1200℃，并保温，再将温度降至950-1080℃，并保温，然后在30-120min内将温度降至600-900℃，并保温10-35h，最后再降至室温，操作方便、简单，并且成本低。经本发明热处理后的适用于奥氏体耐热钢炉管材料晶界碳化物呈连续膜状结构，内部弥散分布二次碳化物颗粒且尺寸不大于5μm，同时在温度为750℃的屈服强度达到180MPa以上，室温及高温延伸率均高于18％，满足600℃级火电机组过热器/再热器对材料的性能要求。
附图说明
图1为传统的铸态20Cr32NiNb合金的XRD分析结果；
图2为本发明中实施例一得到的20Cr32NiNb合金的XRD分析结果；
图3为本发明中实施例二得到的20Cr32NiNb合金的XRD分析结果；
图4为传统的铸态高C改性20Cr32NiNb合金的XRD分析结果；
图5为本发明中实施例三得到的高C改性20Cr32NiNb合金的XRD分析结果；
图6为本发明中实施例四得到的高C改性20Cr32NiNb合金的XRD分析结果；
图7为本发明中实施例二得到的20Cr32NiNb合金组织SEM观察结果；
图8为本发明中实施例一得到的20Cr32NiNb合金组织SEM观察结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例一
对20Cr32NiNb合金进行热处理，包括以下步骤：
将铸态20Cr32NiNb合金放置到加热炉中，加热至1200℃并保温2h进行固溶处理，然后用20min的时间将温度降至1050℃并保温2.5h，再用120min将温度降至650℃并保温1.5h，之后升温至850℃，保温18h后随炉冷却至室温，完成20Cr32NiNb合金的热处理。
实施例二
对20Cr32NiNb合金进行热处理，包括以下步骤：
将铸态20Cr32NiNb合金放置到加热炉中加热至1200℃，并保温2h进行固溶处理，然后用20min的时间将温度降至1050℃并保温2.5h，再用90min将温度降至750℃，保温30h后随炉冷却至室温，完成20Cr32NiNb合金的热处理。
实施例三
对高C改性20Cr32NiNb合金进行热处理，包括以下步骤：
将铸态高C改性20Cr32NiNb合金放置到加热炉中加热至1200℃，并保温2h进行固溶处理，然后用20min的时间将温度降至1050℃并保温2.5h，再用120min将温度降至650℃并保温1.5h，之后升温至850℃，保温18h后随炉冷却至室温，完成高C改性20Cr32NiNb合金的热处理。
实施例四
对高C改性20Cr32NiNb合金进行热处理，包括以下步骤：
将铸态高C改性20Cr32NiNb合金放置到加热炉中加热至1200℃，并保温2h进行固溶处理，然后用20min的时间将温度降至1050℃并保温2.5h，再用90min将温度降至750℃，保温30h后随炉冷却至室温，完成高C改性20Cr32NiNb合金的热处理。
实施例五
对高C改性20Cr32NiNb合金进行热处理，包括以下步骤：
将铸态高C改性20Cr32NiNb合金放置到加热炉中，再将加热至1120℃，并保温1h进行固溶处理，然后用15min的时间将温度降至950℃，并保温2h，再用30min将温度降至600℃，保温10h后随炉冷却至室温，完成高C改性20Cr32NiNb合金的热处理。
实施例六
对20Cr32NiNb合金进行热处理，包括以下步骤：
将铸态20Cr32NiNb合金放置到加热炉中加热至1180℃，并保温3h进行固溶处理，然后用30min的时间将温度降至1080℃并保温2h，再用120min将温度降至900℃，保温35h后随炉冷却至室温，完成20Cr32NiNb合金的热处理。
经检测，固溶处理后奥氏体耐热钢炉管材料晶界处由不连续的MC组成，晶界M23C6型碳化物体积分数小于3.0％，晶内碳化物体积分数应低于1.5％。经用15-30min的时间将温度降至950-1080℃，并保温2-5h后，奥氏体耐热钢炉管材料晶界处出现不连续M23C6型二次碳化物析出，M23C6型二次碳化物的尺寸均小于等于5μm。同时，通过本发明处理的奥氏体合金晶界碳化物呈连续膜状结构且占晶界面积大于70％，晶粒内部弥散分布二次碳化物颗粒且尺寸不大于5μm。利用本发明热处理工艺制备的20Cr32NiNb合金(ASTM：A 351-03 Grade CT 15C)及其高C改性20Cr32NiNb合金(C含量为0.15-0.25 wt.％)，在750℃屈服强度可达到180 MPa以上，室温及高温延伸率均高于18％。
参考图1、图2及图3，对实施例一及实施例二热处理后的20Cr32NiNb合金的物相组成与铸态合金进行了比较分析，可以看出经时效处理后，合金组织中产生了大量Cr23C6析出。
参考图4、图5及图6，对实施例三及实施例四两种热处理态高C改性20Cr32NiNb合金的物相组成与铸态合金进行了比较分析，可以看出经时效处理后，合金组织中产生了大量Cr23C6析出。
参考图7及图8，对实施例一及实施例二两种热处理态合金进行了显微组织观察，结果发现合金晶界形成连续膜状Cr23C6，并在晶内有弥散分布的Cr23C6析出。
表1列出了实施例一、实施例二、实施例三及实施例四的热处理态合金与其铸态合金的性能比较结果，发现材料屈服强度改善显著，室温强度性能也获得一定提升，其在750℃屈服强度均高于180 MPa，较其铸态时相比提高30％以上，室温及高温延伸率均高于18％。由表中同样可以看出，实施例四的合金与目前600℃机组过热器/再热器管常用材料相比其力学性能明显较好，具有在600℃级火电机组推广应用的潜力。
表1
其中，表1中，1#及2#分别代表20Cr32NiNb合金及高C改性。
Claims (3)
1.一种适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理方法，其特征在于，包括步骤：
将铸态奥氏体耐热钢炉管材料放置到加热炉中，将其加热至1120-1200℃，并保温1-3h进行固溶处理，然后用15-30min的时间将温度降至950-1080℃，并保温2-5h，最后在30-120min内将温度降至600-900℃，保温10-35h后冷却至室温，完成适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理；
其中，经用15-30min的时间将温度降至950-1080℃，并保温2-5h后，奥氏体耐热钢炉管材料晶界处出现不连续M23C6型二次碳化物析出，M23C6型二次碳化物的尺寸均小于等于5μm；
其中，在30-120min内将温度降至600-900℃，并在这一温度范围保温10-35h，最终获得的组织中晶界处碳化物形成连续膜状结构且占晶界面积大于70％，晶内弥散分布有二次碳化物颗粒，且所述二次碳化物颗粒的尺寸小于等于5μm。
2.根据权利要求1所述的适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理方法，其特征在于，所述奥氏体耐热钢炉管材料为20Cr32NiNb合金或高C改性20Cr32NiNb合金。
3.根据权利要求1所述的适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理方法，其特征在于，固溶处理后奥氏体耐热钢炉管材料晶界处由不连续的MC组成，晶界M23C6型碳化物体积分数小于3.0％，晶内碳化物体积分数应低于1.5％。
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