CN104513884A - 一种低碳铬钼钒铌钛硼钢的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低碳铬钼钒铌钛硼钢的热处理方法，包括如下步骤：①淬火，将含有粗大的MC型碳化物的低碳铬钼钒铌钛硼钢在1100~1250℃温度下加热处理0.5~3h后冷却；②第一次回火，将冷却后的低碳铬钼钒铌钛硼钢加热至550~650℃，并在该温度下保温1-5h后冷却；③第二次回火，将第一次回火后的低碳铬钼钒铌钛硼钢加热至650~750℃，并在该温度下保温0.5-5h后冷却，得到含有细小且弥散的MC型纳米析出强化相的低碳铬钼钒铌钛硼钢。本发明的积极效果是：获得细小且弥散的MC型纳米析出强化相，有效地提高材料的综合力学性能。

Description

一种低碳铬钼钒铌钛硼钢的热处理方法
技术领域
本发明涉及特殊钢热处理技术领域，尤其涉及一种低碳铬钼钒铌钛硼钢的热处理方法。
背景技术
随着我国国民经济的快速发展，电力工业的装机容量大幅增长，前几年大量安装的亚临界300MW和600MW汽轮机组仍是我国火电机组的主力机型。随着服役时间的延长，机组内部构件逐渐老化，给安全生产带来极大隐患需要频繁停机检修。电力企业希望能够进一步提高材料的综合力学性能，以减少停机次数并尽量延长机组服役寿命。而高温螺栓是汽轮机组内的关键紧固构件，也是汽轮机组内的薄弱环节之一，通常选用低碳铬钼钒铌钛硼钢制造，所述铬钼钒铌钛硼钢是碳含量不大于0.25%的低碳Cr1Mo1VNbTiB钢，在本发明中，以碳含量为0.20%的低碳Cr1Mo1VNbTiB钢为例进行说明，以下简称为20Cr1Mo1VNbTiB钢。
20Cr1Mo1VNbTiB钢通常在调质（在约1030℃淬火后700℃高温回火）状态下使用，其微观组织特征是在回火贝氏体板条基体中分布有MC型及M7C3型析出强化相。其中，MC相尺寸较小，在服役温度下不易长大，可长时间保持强化作用。但传统热处理工艺条件下，MC相尺寸较大且密度低，强化效果有限，在该工艺条件下继续提高材料的性能空间已极为有限。附图1是20Cr1Mo1VNbTiB钢按照传统调质热处理工艺处理后获得的产品的扫面电子显微镜照片。所述传统调质热处理工艺是淬火后高温回火，例如在约1030℃淬火后700℃高温回火。可见，在传统热处理工艺下，钢中MC型碳化物较为粗大且大多沿晶界或亚晶界析出，如附图1中虚线所示。
专利ZL02801301.8通过减少碳含量到0.01%以下，添加钴元素确保淬透性，同时添加氮元素和MX（X表示碳、氮元素）相生成元素，实现了在晶界和晶内的界面上析出MX型强化相，提高了材料高温蠕变强度。但在该工艺条件下MX型析出相主要分布在晶界和晶内的界面上，强化效果有限。
研究者张树理在刊物《华北电力技术》，1992，(5)：第31-36页公开了20Cr1Mo1VNbTiB高温螺栓钢热处理工艺的优化设计，提出了“两次奥氏体化（先正火再淬火）再一次或两次回火”的热处理方法。该方法要么会引发材料晶粒粗化导致产品不合格，要么较传统热处理工艺并未能显著提高材料的综合力学性能。
研究者R.L. Klueh等人在《Scripta Materialia》（材料学刊）第53(2005)期第275-280页公开文献 Development of new nano-particle-strengthened martensitic steels（开发新的纳米粒子强化的马氏体钢），文献中采用热机械处理的方法，在贝氏体板条内获得了大量弥散分布的MX型纳米析出相，但由于存在变形组织而使材料出现各向异性。
研究者F.S. Yin等人在《Scripta Materialia》（材料学刊）第57(2007)期第469-472页公开文献 Microstructure and creep rupture characteristics of an ultra-low carbon ferritic/martensitic heat-resistant steel（超低碳铁素体/马氏体耐热钢的显微组织和蠕变断裂特性）。在文献中尽管通过调整耐热钢的化学成分和热加工工艺在材料基体内也获得了高密度的MX型纳米析出相，但由于获得的MX型纳米析出相不稳定，材料的高温力学性能也并未获得提高。
发明内容
本发明的目的是，要解决上述的技术问题，提供一种铬钼钒铌钛硼钢的热处理方法，该方法不仅能够在贝氏体板条内获得细小且弥散的MC型纳米析出强化相，又能够降低基体内的位错密度，提高材料的韧性并延缓高温强度的退化，有效地提高材料的综合力学性能。
本发明采取的技术方案是，提供一种低碳铬钼钒铌钛硼钢的热处理方法，所述铬钼钒铌钛硼钢是碳含量小于等于0.25%的Cr1Mo1VNbTiB钢，其特征在于，包括如下步骤：
（1）淬火，将含有粗大的MC型碳化物的低碳铬钼钒铌钛硼钢在1000~1250℃温度下加热处理0.5~3h后冷却；
（2）第一次回火，将冷却后的低碳铬钼钒铌钛硼钢加热至550~650℃，并在该温度下保温1-5h后冷却；
（3）第二次回火，将第一次回火后的低碳铬钼钒铌钛硼钢加热至650~750℃，并在该温度下保温0.5-5h后冷却，得到含有细小且弥散的MC型纳米析出强化相的铬钼钒铌钛硼钢。
进一步，淬火步骤中采用的冷却方法是水冷或油冷。
进一步，第一次回火步骤及第二次回火步骤中的采用的冷却方法是在空气中冷却。
本发明的积极效果是：采用高温淬火一次后再回火两次的热处理方法，控制高温淬火及两次回火的温度，通过简单的工艺过程既在低碳铬钼钒铌钛硼钢基体材料中获得细小且弥散的MC型纳米析出强化相，又降低基体内的位错密度，提高材料的韧性并延缓高温强度的退化，从而可以有效地提高材料的综合力学性能。
附图说明
附图1是按照传统调质热处理工艺处理后的铬钼钒铌钛硼钢（如图中虚线所示，该低碳铬钼钒铌钛硼钢中含有粗大的MC型碳化物）的透射电子显微镜照片；
附图2是本发明一种低碳铬钼钒铌钛硼钢的热处理方法的流程框图；
附图3是根据本发明热处理方法处理后的低碳铬钼钒铌钛硼钢（该铬钼钒铌钛硼钢中含有细小且弥散的MC型纳米析出强化相）的透射电子显微镜照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的一种低碳铬钼钒铌钛硼钢的热处理方法的具体实施方式做详细说明。所述低碳铬钼钒铌钛硼钢是碳含量小于等于0.25%的Cr1Mo1VNbTiB钢，在本发明中，以碳含量为0.20%的低碳Cr1Mo1VNbTiB钢为例进行说明，以下简称为20Cr1Mo1VNbTiB钢，其他不同碳含量的低碳Cr1Mo1VNbTiB钢与20Cr1Mo1VNbTiB钢的热处理方法相同。
参见附图2，一种20Cr1Mo1VNbTiB钢的热处理方法包括如下步骤：
步骤1、淬火，将含有粗大的MC型碳化物的低碳铬钼钒铌钛硼钢在1100~1250℃温度下加热处理0.5~3h后冷却。
该淬火步骤的目的是保证将钢中含有的粗大一次MC型碳化物溶入奥氏体中并获得贝氏体板条型组织，所以本步骤采用高温淬火。热处理的温度高有利于粗大MC型碳化物的溶解，但如果温度过高，易导致晶粒粗大或晶界过烧，导致材料的冲击韧性降低；温度过低，轧态或锻态原始组织中遗留的粗大的一次MC型析出强化相溶解不充分。该步骤中采用的热处理温度则可以避免形成粗大的MC型碳化物。
所述冷却的方法为水冷或油冷，所述油冷可以采用矿物油对20Cr1Mo1VNbTiB钢进行冷却。所述水冷或油冷的方法为现有技术，在此不再赘述。
步骤2、第一次回火，将经过冷却处理的20Cr1Mo1VNbTiB钢加热至550-650℃，在该温度下保温1-5h后冷却。
步骤3、第二次回火，再将20Cr1Mo1VNbTiB钢加热至650℃-750℃，在该温度下保温0.5-5h后冷却，得到含有细小且弥散的MC型纳米析出强化相的20Cr1Mo1VNbTiB钢。
两次回火的目的是在20Cr1Mo1VNbTiB钢中获得弥散均匀分布的高密度MC型纳米析出强化相。晶界、贝氏体板条界及板条内的位错是MC型析出相析出的形核位置，如果只回火一次且温度高于750℃，由于板条内的位错回复速度很快，会降低MC型析出相在板条内的形核数目，导致MC型纳米析出强化相主要在晶界和板条界析出。如果只进行第一次回火步骤，虽然可以在板条内获得高密度的MC型纳米析出强化相，但钢的强度较高而塑性或韧性却较低。
此外，在第一次回火后基体内仍会保留高密度的位错，在长期高温服役过程中，显微组织的回复速度很快，从而加速材料高温强度的退化。本发明一种20Cr1Mo1VNbTiB钢的热处理方法进行两次回火，则即可在贝氏体板条内获得细小且弥散的MC型纳米析出强化相，又能降低基体内的位错密度，提高材料的韧性并延缓高温强度的退化。参见附图3，采用本发明一种20Cr1Mo1VNbTiB钢的热处理方法处理的20Cr1Mo1VNbTiB钢在材料基体中分布着大量细小且弥散的MC型纳米析出强化相。
进一步，第一次回火步骤及第二次回火步骤中的采用的冷却方法是在空气中冷却。低温回火之后在空气中冷却至室温，可减少显微组织中残余奥氏体的含量，进一步提高材料的高温强度。
下面列举两个实施例来阐述本发明一种铬钼钒铌钛硼钢的热处理方法。
实施例1
步骤1、淬火，将含有粗大的MC型碳化物的20Cr1Mo1VNbTiB钢在1100℃温度下加热处理3h，然后进行水冷处理，冷却至室温；
步骤2、第一次回火，将冷却后的20Cr1Mo1VNbTiB加热至550℃，并在该温度下保温5h，然后在空气中冷却至室温；
步骤3、第二次回火，将第一次回火后的20Cr1Mo1VNbTiB钢加热至650℃，并在该温度下保温5h，然后在空气中冷却至室温，得到含有细小且弥散的MC型纳米析出强化相的20Cr1Mo1VNbTiB钢。
实施例2
步骤1、淬火，将含有粗大的MC型碳化物的20Cr1Mo1VNbTiB在1250℃温度下加热处理0.5h，然后进行水冷处理，冷却至室温；
步骤2、第一次回火，将冷却后的20Cr1Mo1VNbTiB加热至650℃，并在该温度下保温1h，然后在空气中冷却至室温；
步骤3、第二次回火，将第一次回火后的20Cr1Mo1VNbTiB加热至750℃，并在该温度下保温0.5h，然后在空气中冷却至室温，得到含有细小且弥散的MC型纳米析出强化相的20Cr1Mo1VNbTiB钢。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (3)

1.一种低碳铬钼钒铌钛硼钢的热处理方法，所述铬钼钒铌钛硼钢是碳含量小于等于0.25%的Cr1Mo1VNbTiB钢，其特征在于，包括如下步骤： （1）淬火，将含有粗大的MC型碳化物的低碳铬钼钒铌钛硼钢在1100~1250℃温度下加热处理0.5~3h后冷却； （2）第一次回火，将冷却后的低碳铬钼钒铌钛硼钢加热至550~650℃，并在该温度下保温1-5h后冷却； （3）第二次回火，将第一次回火后的低碳铬钼钒铌钛硼钢加热至650~750℃，并在该温度下保温0.5-5h后冷却，得到含有细小且弥散的MC型纳米析出强化相的低碳铬钼钒铌钛硼钢。
2.根据权利要求1所述的一种低碳铬钼钒铌钛硼钢的热处理方法，其特征在于，淬火步骤中采用的冷却方法是水冷或油冷。
3.根据权利要求1所述的一种低碳铬钼钒铌钛硼钢的热处理方法，其特征在于，第一次回火步骤及第二次回火步骤中的采用的冷却方法是在空气中冷却。
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