CN106119730A - 一种具有高温机械性能的低活化马氏体钢及热处理工艺方法 - Google Patents

一种具有高温机械性能的低活化马氏体钢及热处理工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有高温机械性能的低活化马氏体钢及热处理工艺方法，主要成分为Cr 8.5～9.5％，W 1.2～1.7％，V 0.15～0.25％，Ta 0.12～0.18％，Mn 0.4～0.5％，0.09％≤(C+N)≤0.17％，其中N＜0.07％(wt.％)，其余为Fe元素，控制C和N的目的是在后续的处理中形成细小弥散的碳氮化物，提升材料的高温性能。将轧制成型后的低活化马氏体钢板材加热至1100±50℃，根据厚度大小不同，保温40～120mim后出炉后快速水冷却至室温，随后再加热至740℃±20℃，根据厚度大小不同，保温90～140min后出炉后空冷至室温。本发明显著提高了抗辐照低活化钢的高温强度和高温持久性能，为提高抗辐照低活化钢的使用温度上限奠定了基础。

Description

一种具有高温机械性能的低活化马氏体钢及热处理工艺方法
技术领域
本发明涉及一种低活化马氏体钢成分改进以及热处理工艺方法，是一种有效提高抗辐照低活化钢板材高温强度和高温持久性能的工艺方法。
背景技术
核聚变能是一种几乎用之不竭的永久性“安全”和“清洁”能源，是未来最有潜力的能源之一。核聚变堆包层特别是包层结构材料是聚变堆最终走向商业应用必须发展的核心科学技术问题之一。核聚变堆包层结构材料面临高能中子辐照、高温、高热流密度、复杂机械载荷等恶劣的环境。低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)以其较高的热导率、较低的辐照肿胀、抗液态PbLi腐蚀以及较为成熟的工业基础等优越性，被普遍认为是聚变堆的首选结构材料。2002年，中国科学院FDS团队开始主持研发中国抗辐照低活化钢CLAM(China LowActivation Martensitic)钢(ZL 200610085908.2)。经过十余年的发展，CLAM钢的冶炼水平已达6.4吨，并被选为中国ITER实验包层模块和中国聚变工程实验包层模块的首选结构材料。由于高温软化和蠕变制约，抗辐照低活化钢目前使用温度上限为550℃。如果提高抗辐照低活化钢的使用温度上限，进而设计提高聚变堆包层的运行温度，可有效提高聚变堆的热效率。氧化物弥散强化(Oxide dispersion strengthening，ODS)是目前普遍认为可有效提高低活化钢使用温度的技术，然而由于制备工艺与技术的限制，ODS钢的单批次产量小、批次间稳定性差、尺寸小，无法较快的进入工业化应用阶段。
发明内容
本发明技术解决问题：一种具有高温机械性能的低活化马氏体钢及热处理工艺方法，可以提高抗辐照低活化钢的高温机械性能，提升低活化马氏体钢使用温度上限，从而提高聚变堆发电的热效率，提高聚变能的利用率；本发明有较好的工业基础，可大批量工业规模生产，进入工业化应用。
本发明的技术方案如下：
本发明涉及一种具有高温机械性能的低活化马氏体钢及热处理工艺方法，主要成分为Cr 8.5～9.5％，W 1.2～1.7％，V 0.15～0.25％，Ta 0.12～0.18％，Mn 0.4～0.5％，0.09％≤(C+N)≤0.17％，其中N＜0.07％(wt.％)，其余为Fe元素，控制C和N的目的是在后续的处理中形成细小弥散的碳氮化物，提升材料的高温性能。
其热处理制度为：
(1)淬火处理：将抗辐照低活化钢加热至1100±50℃，保温40-120mim，出炉后水冷却至室温。此工艺阶段将淬火保温温度的波动范围控制在±20℃以内，提高炉内温度的均匀性，可有效改善组织均匀性差，性能不均匀等问题。抗辐照低活化钢在1100±50℃温度下保温，MX相未充分固溶于奥氏体中，未固溶的MX相在保温阶段阻碍奥氏体晶粒粗化，使材料在充分奥氏体化的同时避免晶粒粗大，提高材料的强度以及韧性。抗辐照低活化钢淬火过程中，根据板材厚度，控制保温时间，保证材料充分奥氏体化，避免轧制组织残留，提高回火后材料的韧性。材料水冷后获得全马氏体组织，有效避免材料心部与边缘的组织差异。
(2)回火处理：将淬火后的材料加热至740℃±20℃，保温90-140min，出炉后空冷至室温。此工艺阶段回火温度不应太高，选择740℃可有效减缓析出相的形核与长大，减缓由于析出相的析出导致的固溶强化降低以及析出相长大对位错运动阻碍作用的减弱等，提高回火后材料的强度。将保温时间延长至90-140min，可让位错运动反应充分，有效减少位错密度，位错缠结，避免应力集中导致材料的韧性下降。
本发明的优点在于：
(1)本发明所得到的低活化马氏体钢相比于现有专利ZL200610085908.2的低活化马氏体钢，具有较高的高温强度和高温持久性能。其原因是通过控制材料中C和N元素的含量，使材料在铸造以及热加工过程中形成较多的MX相(其中M是金属元素Ta或V，X是C或N)，当材料在1100±50℃温度下保温，MX相未充分固溶于奥氏体中，未固溶的MX相在保温阶段阻碍奥氏体晶粒粗化，使材料在充分奥氏体化的同时避免晶粒粗大，提高材料的强度以及韧性。材料高温服役时，未固溶的一次MX相以及回火后析出的二次MX相可阻碍位错以及晶界的移动，进而提高材料的高温强度以及高温持久性能。
(2)相比于ODS低活化钢，本发明所得到的低活化马氏体钢方法简单，可重复性好，具有良好工业基础，冶炼制造技术成熟，可实现大规模工业生产，适合于各种低活化马氏体钢型材的制备。
附图说明
图1为本发明中的热处理工艺图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。
实施例1：
(1)按照成分配比：Cr 9.0％，W 1.5％，V 0.2％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C0.10％，N 0.01～0.05％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，P≤0.005％，S≤0.005％，O≤0.01％，Al≤0.01％，其余为Fe元素以及合金的烧损量配比原材料。
(2)在真空感应炉中根据合金元素的烧损和挥发特性依次加入原材料，易氧化合金元素脱氧充分后加入，易挥发合金元素在气氛保护下或者熔炼末期停止抽真空加入，原材料经真空感应熔炼后制备出成分合格的铸锭。
(3)将制备好的铸锭采用真空自耗电弧熔炼，进一步降低杂质含量。
(4)将步骤(3)得到的铸锭进行锻造，初始锻造温度为1150，保温60min，终锻温度850℃。
(5)将锻造的材料进行轧制处理，轧制温度1100℃，保温80min，终轧温度900℃，轧制后空冷，总的变形量不低于200％，得到12mm厚的热轧钢板。
(6)将热轧后的钢板进行热处理，热处理工艺如图1所示，为：
淬火：在炉温略高于1100℃的条件下，将低活化马氏体钢板材放入炉内加热。材料加热至1100℃，炉内温差不超过20℃，根据厚度保温50min；出炉后水冷到室温；
回火：在炉温略高于740℃的条件下，将低活化马氏体钢板材放入炉内加热，材料加热至740℃，炉内温差不超过20℃，根据厚度不同保温90min，出炉后空冷至室温。
将热处理后的材料进行性能测试，得到低活化马氏体钢室温抗拉强度为814MPa；550℃抗拉强度为588MPa；650℃抗拉强度为410MPa；纵向和横向样品的室温冲击吸收功均超过200J；在600℃，190MPa应力条件下蠕变的持久时间超过10000h。
实施例2：
(1)按照成分配比：Cr 9.0％，W 1.5％，V 0.2％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C0.10％，N 0.01～0.05％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，P≤0.005％，S≤0.005％，O≤0.01％，Al≤0.01％，其余为Fe元素以及合金的烧损量配比原材料。
(2)在真空感应炉中根据合金元素的烧损和挥发特性依次加入原材料，易氧化合金元素脱氧充分后加入，易挥发合金元素在气氛保护下或者熔炼末期停止抽真空加入，原材料经真空感应熔炼后制备出成分合格的铸锭。
(3)将制备好的铸锭采用真空自耗电弧熔炼，进一步降低杂质含量。
(4)将步骤(3)得到的铸锭进行锻造，初始锻造温度为1150，保温60min，终锻温度850℃。
(5)将锻造的材料进行轧制处理，轧制温度1100℃，保温80min，终轧温度900℃，轧制后空冷，总的变形量不低于200％，得到20mm厚的热轧钢板。
(6)将热轧后的钢板进行热处理，热处理工艺为：
淬火：在炉温略高于1100℃的条件下，将低活化马氏体钢板材放入炉内加热。材料加热至1100℃，炉内温差不超过20℃，根据厚度保温70min；出炉后水冷到室温；
回火：在炉温略高于740℃的条件下，将低活化马氏体钢板材放入炉内加热，材料加热至740℃，炉内温差不超过20℃，根据厚度不同保温100min，出炉后空冷至室温。
将热处理后的材料进行性能测试，得到低活化马氏体钢室温抗拉强度为809MPa；550℃抗拉强度为582MPa；650℃抗拉强度为403MPa；纵向和横向样品的室温冲击吸收功均超过200J；在600℃，190MPa应力条件下蠕变的持久时间超过10000h。
实施例3：
(1)按照成分配比：Cr 9.0％，W 1.5％，V 0.2％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C0.10％，N 0.01～0.05％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，P≤0.005％，S≤0.005％，O≤0.01％，Al≤0.01％，其余为Fe元素以及合金的烧损量配比原材料。
(2)在真空感应炉中根据合金元素的烧损和挥发特性依次加入原材料，易氧化合金元素脱氧充分后加入，易挥发合金元素在气氛保护下或者熔炼末期停止抽真空加入，原材料经真空感应熔炼后制备出成分合格的铸锭。
(3)将制备好的铸锭采用真空自耗电弧熔炼，进一步降低杂质含量。
(4)将步骤(3)得到的铸锭进行锻造，初始锻造温度为1150，保温60min，终锻温度850℃。
(5)将锻造的材料进行轧制处理，轧制温度1100℃，保温80min，终轧温度900℃，轧制后空冷，总的变形量不低于200％，得到35mm厚的热轧钢板。
(6)将热轧后的钢板进行热处理，热处理工艺为：
淬火：在炉温略高于1100℃的条件下，将低活化马氏体钢板材放入炉内加热。材料加热至1100℃，炉内温差不超过20℃，根据厚度保温100min；出炉后水冷到室温；
回火：在炉温略高于740℃的条件下，将低活化马氏体钢板材放入炉内加热，材料加热至740℃，炉内温差不超过20℃，根据厚度不同保温120min，出炉后空冷至室温。
将热处理后的材料进行性能测试，得到低活化马氏体钢室温抗拉强度为811MPa；550℃抗拉强度为590MPa；650℃抗拉强度为409MPa；纵向和横向样品的室温冲击吸收功均超过200J；在600℃，190MPa应力条件下蠕变的持久时间超过10000h。
实施例4：
(1)按照成分配比：Cr 9.0％，W 1.5％，V 0.2％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C0.10％，N 0.01～0.05％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，P≤0.005％，S≤0.005％，O≤0.01％，Al≤0.01％，其余为Fe元素以及合金的烧损量配比原材料。
(2)在真空感应炉中根据合金元素的烧损和挥发特性依次加入原材料，易氧化合金元素脱氧充分后加入，易挥发合金元素在气氛保护下或者熔炼末期停止抽真空加入，原材料经真空感应熔炼后制备出成分合格的铸锭。
(3)将制备好的铸锭采用真空自耗电弧熔炼，进一步降低杂质含量。
(4)将步骤(3)得到的铸锭进行锻造，初始锻造温度为1150，保温60min，终锻温度850℃。
(5)将锻造的材料进行轧制处理，轧制温度1100℃，保温80min，终轧温度900℃，轧制后空冷，总的变形量不低于200％，得到55mm厚的热轧钢板。
(6)将热轧后的钢板进行热处理，热处理工艺为：
淬火：在炉温略高于1100℃的条件下，将低活化马氏体钢板材放入炉内加热。材料加热至1100℃，炉内温差不超过20℃，根据厚度保温110min；出炉后水冷到室温；
回火：在炉温略高于740℃的条件下，将低活化马氏体钢板材放入炉内加热，材料加热至740℃，炉内温差不超过20℃，根据厚度不同保温120min，出炉后空冷至室温。
将热处理后的材料进行性能测试，得到低活化马氏体钢板在不同厚度取样的性能有所差异，钢板表面室温抗拉强度为819MPa；550℃抗拉强度为594MPa；650℃抗拉强度为417MPa；纵向和横向样品的室温冲击吸收功均超过200J；在600℃，190MPa应力条件下蠕变的持久时间超过10000h；钢板中部的室温抗拉强度为803MPa；550℃抗拉强度为581MPa；650℃抗拉强度为401MPa；纵向和横向样品的室温冲击吸收功均超过200J；在600℃，190MPa应力条件下蠕变的持久时间超过10000h。
实施例5：
(1)按照成分配比：Cr 9.0％，W 1.5％，V 0.2％，Ta 0.18％，Mn 0.45％，C0.10％，N 0.01～0.05％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，P≤0.005％，S≤0.005％，O≤0.01％，Al≤0.01％，其余为Fe元素以及合金的烧损量配比原材料。
(2)在真空感应炉中根据合金元素的烧损和挥发特性依次加入原材料，易氧化合金元素脱氧充分后加入，易挥发合金元素在气氛保护下或者熔炼末期停止抽真空加入，原材料经真空感应熔炼后制备出成分合格的铸锭。
(3)将制备好的铸锭采用真空自耗电弧熔炼，进一步降低杂质含量。
(4)将步骤(3)得到的铸锭进行锻造，初始锻造温度为1150，保温60min，终锻温度850℃。
(5)将锻造的材料进行轧制处理，轧制温度1100℃，保温80min，终轧温度900℃，轧制后空冷，总的变形量不低于200％，得到12mm厚的热轧钢板。
(6)将热轧后的钢板进行热处理，热处理工艺如图1所示，为：
淬火：在炉温略高于1100℃的条件下，将低活化马氏体钢板材放入炉内加热。材料加热至1100℃，炉内温差不超过20℃，根据厚度保温50min；出炉后水冷到室温；
回火：在炉温略高于740℃的条件下，将低活化马氏体钢板材放入炉内加热，材料加热至740℃，炉内温差不超过20℃，根据厚度不同保温90min，出炉后空冷至室温。
将热处理后的材料进行性能测试，得到低活化马氏体钢室温抗拉强度为835MPa；550℃抗拉强度为601MPa；650℃抗拉强度为431MPa；纵向和横向样品的室温冲击吸收功均超过200J；在600℃，190MPa应力条件下蠕变的持久时间超过10000h。
实施例6：
(1)按照成分配比：Cr 9.0％，W 1.5％，V 0.2％，Ta 0.12％，Mn 0.45％，C0.10％，N 0.01～0.05％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，P≤0.005％，S≤0.005％，O≤0.01％，Al≤0.01％，其余为Fe元素以及合金的烧损量配比原材料。
(2)在真空感应炉中根据合金元素的烧损和挥发特性依次加入原材料，易氧化合金元素脱氧充分后加入，易挥发合金元素在气氛保护下或者熔炼末期停止抽真空加入，原材料经真空感应熔炼后制备出成分合格的铸锭。
(3)将制备好的铸锭采用真空自耗电弧熔炼，进一步降低杂质含量。
(4)将步骤(3)得到的铸锭进行锻造，初始锻造温度为1150，保温60min，终锻温度850℃。
(5)将锻造的材料进行轧制处理，轧制温度1100℃，保温80min，终轧温度900℃，轧制后空冷，总的变形量不低于200％，得到12mm厚的热轧钢板。
(6)将热轧后的钢板进行热处理，热处理工艺如图1所示，为：
淬火：在炉温略高于1100℃的条件下，将低活化马氏体钢板材放入炉内加热。材料加热至1100℃，炉内温差不超过20℃，根据厚度保温50min；出炉后水冷到室温；
回火：在炉温略高于740℃的条件下，将低活化马氏体钢板材放入炉内加热，材料加热至740℃，炉内温差不超过20℃，根据厚度不同保温90min，出炉后空冷至室温。
将热处理后的材料进行性能测试，得到低活化马氏体钢室温抗拉强度为798MPa；550℃抗拉强度为562MPa；650℃抗拉强度为402MPa；纵向和横向样品的室温冲击吸收功均超过200J；在600℃，190MPa应力条件下蠕变的持久时间超过10000h。
总之，本发明主要成分为Cr 8.5～9.5％，W 1.2～1.7％，V 0.15～0.25％，Ta0.12～0.18％，Mn 0.4～0.5％，0.09％≤(C+N)≤0.17％，其中N＜0.07％(wt.％)，其余为Fe元素，控制C和N的目的是在后续的处理中形成细小弥散的碳氮化物，从而有效提高材料的高温强度和高温持久性能，提高抗辐照低活化钢的使用温度上限。通过本发明所述及的方法，低活化马氏体钢板的室温抗拉强度由原来的660MPa提高到800MPa以上，550℃抗拉强度由380MPa提高到600MPa(与原来的对比)，同时可使韧性满足聚变堆的使用要求。
需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明权利要求1及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有高温机械性能的低活化马氏体钢，其特征在于：其中各成分占总质量的百分比为：Cr 8.5～9.5％，W 1.2～1.7％，V 0.15～0.25％，Ta 0.15～0.20％，Mn 0.4～0.5％，0.09％≤(C+N)≤0.17％，其中N＜0.07％(wt.％)，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，其余为Fe元素。
2.根据权利要求1所述的具有高温机械性能的低活化马氏体钢，其特征在于：Cr9.0％，W 1.5％，V 0.2％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C 0.10％，N 0.01～0.05％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，P≤0.005％，S≤0.005％，O≤0.01％，Al≤0.01％，其余为Fe元素。
3.一种具有高温机械性能的低活化马氏体钢热处理工艺方法，其特征在于：将低活化马氏体钢在加热至1100±50℃，保温40～120mim后出炉后水冷到室温，随后在加热至740℃±20℃，保温90～140min后出炉后空冷至室温。
CN201610707418.5A 2016-08-23 2016-08-23 一种具有高温机械性能的低活化马氏体钢及热处理工艺方法 Active CN106119730B (zh)

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