CN108070697A - 一种大型耐热高合金铸钢件的热处理方法 - Google Patents

一种大型耐热高合金铸钢件的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及铸钢件热处理技术领域内一种大型耐热高合金铸钢件的热处理方法，包括高温扩散退火、浇冒系统切割、正火空冷、一次回火和二次回火过程，并在第一次和第二次回火之间设置对铸件表面进行碳弧气刨修整。本发明的方法解决了材质为ZG12Cr9Mo1CoNiVNbNB大型耐热高合金铸钢件热处理过程中易开裂的问题，并使铸钢件的各项常温和高温力学性能符合使用要求。

Description

一种大型耐热高合金铸钢件的热处理方法
技术领域
本发明涉及铸钢件热处理技术领域，特别涉及一种大型耐热高合金铸钢件的热处理方法。
背景技术
高耐热高合金钢铸件材质为ZG12Cr9Mo1CoNiVNbNB，为一种新型耐热材料，该材料将是未来清洁高效超超临界蒸汽轮机耐高温零部件的主流钢种，该类材质的铸件能够在600～620℃、30MPa的极端条件下进行长时间服役，由于材质本身的耐高温、高压特性，使得其服役条件较目前最为先进的耐热材料高30℃、3MPa，不仅可为发电能源企业提升8～10％的效率，还能大大降低二氧化碳排放量，是当前国际能源行业发展的主要高效、清洁材料。
由于该类材料的合金元素多，含量高，冶炼难度大，焊接技术和热处理要求高等多方面技术壁垒的限制，我国生产制造企业目前生产此类铸件还是有很大的难度。尤其是针对这类高合金钢易裂铸件如何进行系统的热处理而不使铸件开裂，在满足常温性能指标的同时满足材料高温持久性能要求的难度很大，特别是对于毛重5～20t、最大壁厚150～300mm的铸钢件，不但与冶炼技术水平有关，对于铸钢件浇注后的热处理工艺要求也很高，如果热处理工艺选择不当，铸钢件的各项性能指标均达不到要求。
发明内容
本发明针对上述ZG12Cr9Mo1CoNiVNbNB高合金材质铸钢件的使用要求，提供一种大型耐热高合金铸钢件的热处理方法，以保证该材质铸钢件各项常温和高温的力学性能，并防止铸件热处理过程中开裂。
本发明的目的是这样实现的，一种大型耐热高合金铸钢件的热处理方法，包括如下步骤：1)高温扩散退火：将浇注完毕后的铸钢件在砂型内自然冷却至200—150℃后，进行打箱落砂，再将铸钢件整体移入热处理炉中进行高温扩散退火，以20～50℃/h的升温速度，升温至1050℃～1110℃保温T时间，其中，保温时间T＝D*2min/mm，D取值为铸件最大壁厚或冒口厚度值中的最大值，之后再将铸件以20～40℃/h的降温速度随炉冷却至500℃～550℃，保温4h～8h以减小铸钢件各部位的温差；2)浇冒系统切割：高温扩散退火后将铸钢件出炉用保温棉进行覆盖保温处理，并露出待切割的冒口和浇注系统，进行高温切割，同时保证切割部位的温度＞400℃；3)正火空冷：将切割后的铸钢件移入热处理炉，以20～50℃/h的升温速度升温至AC3+(120～150)℃，并保温T时间，然后出炉在无对流风的静止空气中冷却至≤Mf；4)一次回火：将正火空冷后的铸件回热处理炉以20～50℃/h的升温速度升温至640～670℃，保温6h～10h，然后以20～40℃/h的降温速度冷却至150～200℃后出炉，立即对铸件表面进行碳弧气刨以进一步修整步骤2)中的切割部位；5)二次回火：铸钢件表面碳弧气刨后进热处理炉进行二次回火，以20～50℃/h的升温速度升温至720～750℃，并保温8h～12h，然后将铸钢件以20～40℃/h的降温速度炉内冷却至小于200℃出炉，在静止的空气中冷却至室温。
本发明的有益效果为：因大型耐热合金铸钢件的合金元素种类多，合金含量高，且浇注温度较高，砂箱内冷却后，铸件基体组织属于易开裂的马氏体铸态组织，内部组织不良，有较大的偏析，且残余应力大，因此，本发明的方法中，将铸件打箱落砂后的，直接进行高温扩散退火，使壁厚较大的部位及冒口热透，铸态组织充分均匀化、软化，从而避免后续冒口及浇注系统切割时开裂，并为下步的热处理奠定良好的组织基础；本发明中的浇冒系统切割期间，对铸件表面采用保温棉覆盖，露出需要切割的部位，，这样做即可防止铸件热量影响操作者操作又可保证铸件温度不至于降低的太快，以防止铸件切割过程中或切割后发生开裂；第3)步，正火空冷中，一般的铸钢件正火的保温温度在材料的奥氏体转变点AC3+30～80℃之间进行选择，但对于本发明的合金材料，合金元素多，含量高，因此，采用更高的退火保温温度，为保证铸件组织进一步均匀化，且尽可能让更多的合金碳化物先溶入奥氏体，以便在后续的正火冷却和回火过程中再析出一定量的碳化物，从而实现该材料的固溶强化和析出强化作用，以保证最终获得较好的常温力学性能和高温力学性能，并且正火保温后的缓慢空冷，相对传统的正火炉冷，既能保证铸件整体冷却均匀同时又提高设备利用率也便于热处理操作，铸件冷却至小于Mf可以实现马氏体组织的完全转变；本发明的中设置两次回火，并在两次回火之间增加加碳弧气刨以进一步去除浇冒系统切割的余量，，安排在一次回火后进行碳弧气刨，是因为通过一次回火，可以消除正火后的铸件残余应力，并软化正火后的高硬度组织，在这种情况下对高合金钢铸件实施碳弧气刨，可以防止铸件开裂。碳弧气刨后，通过第二次回火，进一步消除铸件残余应力，并软化碳弧气刨区域的硬化层，进一步改善铸件组织状态，便于铸件后续的加工、焊接等处理。
为便于铸钢件浇冒系统的切割，所述步骤2)中切割浇冒系统时，切割面与铸件本身轮廓之间留有10mm～30mm余量；对于多个需要切除的部位采用逐一露出切割的方式，每切割完一个部位后立即用保温棉再次覆盖保温。
具体实施方式
下面以具体的实施方式详细说明本发明。
本发明的大型耐热高合金铸钢件的热处理方法，包括如下步骤：
1)高温扩散退火：将浇注完毕后的大型铸钢件在砂型内自然冷却至200—150℃后，进行打箱落砂，将铸件表面的砂块及型骨、冷铁去除，然后连带浇冒系统将铸钢件整体移入热处理炉中进行高温扩散退火，以20～50℃/h的升温速度，升温至1050℃～1110℃保温T时间，其中，保温时间T＝D*2min/mm，D取值为铸件最大壁厚或冒口厚度值中的最大值，之后再将铸件以20～40℃/h的降温速度随炉冷却至500℃～550℃，保温4h～8h以减小铸钢件各部位的温差；本步的高温扩散退火工艺可以使壁厚较大的部位及冒口热透，铸态组织充分均匀化、软化，以便于下步的浇冒系统切割；2)浇冒系统切割：高温扩散退火后将铸钢件出炉采用保温棉进行覆盖保温处理，准备切割，切割时并逐一露出待切割部位进行切割，并且切割完一个部位后用保温棉盖好，再进行下一部位的切割，同时保证切割部位的温度＞400℃；同时切割中为防止切割部位的铸件本体开裂，各切割部位留有10mm～30mm切割余量，本步骤的切割工艺中可以防止铸钢件切割开裂；3)正火空冷：将切割后的铸钢件移入热处理炉，以20～50℃/h的升温速度升温至AC3+(120～150)℃，并保温T时间，其中AC3可根据本发明的铸钢件合金材料成份计算得出约为940℃，然后出炉在无对流风的静止空气中冷却至≤Mf，本发明中计算得出Mf为90℃，以完成全部马氏体组织的转变；4)一次回火：将正火空冷后的铸件回热处理炉以20～50℃/h的升温速度升温至640～670℃，保温6h～10h，进一步消除正火的残余应力，并软化正火后的高硬度组织，然后以20～40℃/h的降温速度冷却至150～200℃后出炉，立即进行表面碳弧气刨以进一步修整步骤2)中的切割部位；5)二次回火：铸钢件表面碳弧气刨后重新进热处理炉进行二次回火，以20～50℃/h的升温速度升温至720～750℃，并保温8h～12h，然后将铸钢件以20～40℃/h的降温速度炉内冷却至小于200℃出炉，在静止的空气中冷却至室温。进一步消除残余应力，并软化气刨表面硬化层，改善调配铸件最终组织状态，便于后续铸钢件的精加工和焊接等处理。
采用本发明的热处理方法的大型铸钢件，通过实际的生产试验检测，铸件常规性能和高温性能指标均能很好满足技术要求，其中抗拉强度Rm为740～800MPa，屈服强Rp0.2为520～580MPa，延伸率A为19～24％，断面收缩率Z为40～55％，本体硬度为220～260HB，室温金属夏比V型缺口冲击功AKv为34～50J。同时高温持久检测值三种试验温度及对应加载试验应力下，持久时间分布为105～115h，均符合标准要求，最终各项力学性能符合率达到100％，批量铸件热处理过程中及之后均有效的避免了铸件开裂的问题。

Claims (2)

1.一种大型耐热高合金铸钢件的热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：1)高温扩散退火：将浇注完毕后的铸钢件在砂型内自然冷却至200～150℃后，进行打箱落砂，再将铸钢件整体移入热处理炉中进行高温扩散退火，以20～50℃/h的升温速度，升温至1050℃～1110℃保温T时间，其中，保温时间T＝D*2mi n/mm，D取值为铸件最大壁厚或冒口厚度值中的最大值，之后再将铸钢件以20～40℃/h的降温速度随炉冷却至500～550℃，保温4h～8h以减小铸钢件各部位的温差；2)浇冒系统切割：高温扩散退火后将铸钢件出炉用保温材料进行覆盖保温处理，并逐一露出待切割的冒口或浇注系统，进行高温切割，同时保证切割部位的温度始终大于400℃；3)正火空冷：将切割后的铸钢件移入热处理炉，以20～50℃/h的升温速度升温至AC3+(120～150)℃，并保温T时间，然后出炉在无对流风的静止空气中冷却至≤Mf，其Mf为马氏体组织转化完全的温度；4)一次回火：将正火空冷后的铸件进热处理炉以20～50℃/h的升温速度升温至640～670℃，保温6h～10h，然后以20～40℃/h的降温速度冷却至150～200℃后出炉，立即对铸件表面进行碳弧气刨以进一步修整步骤2)中的切割部位；5)二次回火：铸钢件表面碳弧气刨后进热处理炉进行二次回火，以20～50℃/h的升温速度升温至720～750℃，并保温8h～12h，然后将铸钢件以20～40℃/h的降温速度炉内冷却至小于200℃出炉，在静止的空气中冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的大型耐热高合金铸钢件的热处理方法，其特征在于，所述步骤2)中切割浇冒系统时，切割面与铸件本身轮廓之间留有10mm～30mm切割余量；铸件切割期间，用保温棉覆盖铸件表面，对于多个需要切除的部位采用逐一揭开保温棉进行切割的方式，每切割完一个部位后立即用保温棉再次覆盖。
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