CN105420473B - 低碳铬钼钒铌钛硼钢的制造方法 - Google Patents

低碳铬钼钒铌钛硼钢的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低碳铬钼钒铌钛硼钢的制造方法，包括如下步骤：按20Cr1Mo1VNbTiB钢的化学成分要求，将原料组合物依次经熔炼、浇铸、锻造或轧制，制成棒材或板材；在1000‑1250℃条件下热处理0.5‑20h，然后进行淬火处理；将材料加热至650‑780℃保温0.5‑20h后出炉，立刻进行轧制，随后自然空冷至室温。本发明采用高温淬火后直接机械热处理的工艺方案，在钢的基体内均匀分布有高密度的MC(M表示金属元素)型纳米析出相，充分发挥MC型碳化物的弥散强化效果，因此可以有效提高材料的高温力学性能。

Description

低碳铬钼钒铌钛硼钢的制造方法
技术领域
本发明涉及一种低碳铬钼钒铌钛硼钢的制造方法，尤其涉及一种纳米析出相强化20Cr1Mo1VNbTiB钢的制造方法。
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机组仍是我国火电机组的主力机型。一方面，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；另一方面，电力企业也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。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20Cr1Mo1VNbTiB钢制造，因此进一步提高材料的综合力学性能是一个迫切需要解决的问题。20Cr1Mo1VNbTiB钢通常在调质(淬火后高温回火的热处理工艺)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型碳化物强化相。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相尺寸较大且颗粒密度低，强化效果有限。专利CN1461354A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(M表示金属元素，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。M.Taneike等人通过将碳的含量控制在0.002％以下，也可在材料基体内获得高密度的MX型纳米析出相，但在大批量冶炼生产中目前还无法将碳的含量控制到该水平，因此这种方法目前并无实际工程应用价值。20Cr1Mo1VNbTiB钢通常采用调质(在约1030℃淬火后700℃高温回火)工艺进行热处理，在该工艺条件下继续提高材料的性能空间已极为有限。张树理提出了2次奥氏体化(先正火再淬火)+1或2次回火的热处理方法。然而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。
发明内容
本发明的目的是提供一种低碳铬钼钒铌钛硼钢的制造方法，以克服现有技术存在的上述缺陷。
本发明低碳铬钼钒铌钛硼钢的制造方法，包括如下步骤：
A、材料制备：按20Cr1Mo1VNbTiB钢的化学成分要求，将原料组合物依次经熔炼、浇铸、锻造或轧制，制成棒材或板材；
B、高温淬火处理：在1000-1250℃(摄氏度)条件下保温0.5-20h(小时)，然后进行淬火处理；
C、机械热处理：将材料加热至650-780℃保温0.5-20h后出炉，立刻进行轧制，随后自然空冷至室温。
高温淬火处理的目的是将粗大的MC相溶入奥氏体中并获得贝氏体板条型组织。提高温度有利于粗大MC相的溶解，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一次MC相溶解不充分。因此，本发明推荐的高温淬火处理工艺为：1000-1250℃条件下热处理0.5-20h，淬火方式为淬入油或水中冷却至室温。作为优选方案，步骤B中保温时间优选0.5-3h。
通常，耐热钢高温淬火后将进行回火处理。但如果只进行传统的高温回火处理(温度高于650℃下)，由于板条内的位错回复速度很快，会降低MC型碳化物在板条内的形核数目，导致MC型碳化物主要在晶界和板条界析出，数量较少且尺寸较大，未能有效激发MC型碳化物的析出强化效果。但如果在较低的温度范围550℃-650℃回火，虽然可以在材料内获得高密度的MC型纳米析出相，但钢的强度较高而塑性或韧性却较低。因此本发明提出将回火处理替换为机械热处理，借助变形使材料内部获得大量高密度位错。随后令材料自然空冷至室温，借助材料的自回火效应，MC型碳化物将择优在材料内部的高密度位错处形核析出，也即可在材料内部获得获得细小、弥散的MC型纳米析出相分布，以实现提高材料高温强度的目的。作为进一步的优选方案，步骤C中轧制温度不低于550℃，轧制的变形量不小于10％，优选15-50％。
本发明提供了一种纳米析出相强化20Cr1Mo1VNbTiB钢的制造方法，其在钢的基体内均匀分布有高密度的MC(M表示金属元素)型纳米析出相。其热处理方法主要为先高温淬火、然后再进行机械热处理。高密度的MC型纳米析出相能够均匀、弥散分布在钢的基体中。本发明技术方案采用高温淬火后直接机械热处理的工艺方案，充分发挥MC型碳化物的弥散强化效果，因此可以有效提高材料的高温力学性能。
附图说明
图1为对比例得到的钢材料的显微组织照片。
图2为实施例1得到的钢材料的显微组织照片。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
实施例1：
A、材料制备：按20Cr1Mo1VNbTiB钢的化学成分要求，将原料组合物依次经熔炼、浇铸、锻造或轧制，制成棒材或板材，然后等待热处理。
B、高温淬火热处理：高温淬火处理的具体工艺为：将材料在1030℃条件下保温3h，然后淬入油中冷却至室温；
C、机械热处理：先将材料加热至700℃保温2h后出炉，立刻进行轧制(变形量15％)，随后自然空冷至室温。
实施例2：
A、材料制备：按20Cr1Mo1VNbTiB钢的化学成分要求，将原料组合物依次经熔炼、浇铸、锻造或轧制，制成棒材或板材，然后等待热处理。
B、高温淬火热处理：高温淬火处理的具体工艺为：将材料在1200℃条件下保温1.5h，然后淬入水中冷却至室温；
C、机械热处理：先将材料加热至750℃保温1h后出炉，立刻进行轧制(变形量15％)，随后自然空冷至室温。
对比例
采用传统调质热处理工艺，即将实施例1步骤A制备的材料，进行淬火(在约1030℃保温3h后淬入水或油中冷却至室温)和高温回火(在700℃保温2h后空冷至室温)处理得到的材料。
采用Jeol H800透射电子显微镜，分别对实施例1和对比例进行检测并拍摄显微组织照片。
如图1和图2所示，20Cr1Mo1VNbTiB钢按照传统调质热处理工艺处理后获得的材料，钢中碳化物较为粗大且大多沿晶界或亚晶界析出。而采用本发明方法获得的材料，在材料基体中分布着大量细小、弥散的MC型纳米析出相。

Claims (6)

1.一种低碳铬钼钒铌钛硼钢的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、材料制备：按20Cr1Mo1VNbTiB钢的化学成分要求，将原料组合物依次经熔炼、浇铸、锻造或轧制，制成棒材或板材；
B、高温淬火处理：在1000-1250℃条件下保温0.5-20h，然后进行淬火处理；
C、机械热处理：将材料加热至650-780℃保温0.5-20h后出炉，立刻进行轧制，随后自然空冷至室温。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中所述保温的时间为0.5-3h。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中所述淬火处理的方式为淬入油或水中冷却至室温。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C中所述轧制时的温度不低于550℃。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C中所述轧制的变形量不小于10％。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤C中所述轧制的变形量为15-50％。
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