CN108998638A - 一种620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法 - Google Patents

一种620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法，属于热处理技术领域。本发明包括以下步骤：S1.均质化热处理；S2.低温退火热处理；S3.正火热处理；S4.回火热处理；低温退火热处理工艺为：将所述超超临界汽轮机铸件置入80～150℃待料炉，保温5h，再以≤50℃/h的速率升温至650～850℃，保温30～100h。通过制定合理的均质化、正火和回火热处理工艺制度，同时在均质化热处理和正火热处理之间，进行低温退火热处理，获得近乎平衡的铁素体和碳化物组织，消除组织遗传性，细化晶粒，解决ZG08Cr9W3Co3VNbNB材质铸件因组织遗传性导致晶粒粗大的问题，满足产品对综合性能的要求。

Description

一种620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法
技术领域
本发明属于热处理技术领域，特别涉及一种620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法。
背景技术
超超临界火电机组成为世界主要国家清洁燃煤技术的主要发展方向。超超临界机组铸件材料所用的铁素体耐热钢具有导热系数高、线膨胀系数小、耐腐蚀能力高和工艺性好等优点。随着机组参数的提高，适用于620℃以上的9Cr铁素体耐热钢被不断开发及应用，ZG08Cr9W3Co3VNbNB材质被作为630-650℃超超临界火电机组大型汽轮机铸件的备选材料之一。
由于大型铸件无法利用锻压、轧制等热变形方法来调整产品内部组织，只能单纯依靠热处理对产品进行最大限度的组织与性能优化，所以合理的热处理工艺对铸件产品的质量至关重要。汽轮机铸件热处理工艺主要包括均质化热处理、正火和回火热处理。均质化热处理需通过高温保温，使硼碳化物、δ铁素体溶解以及消除大型铸件的成分偏析，这就造成铸件晶粒粗大。同时，ZG08Cr9W3Co3VNbNB材质为马氏体型耐热钢，合金含量较高，在发生铁素体转变时，铁素体组织与原奥氏体总保持一定的晶体学取向关系，导致大型铸件具有严重的组织遗传性。如果不能有效细化铸造和均质化过程中长大的晶粒，就会破坏超超临界钢的综合力学性能，需通过热处理工艺进行晶粒细化处理，以满足使用要求。
目前晶粒细化热处理方法主要包括两种，一种是多次循环往复奥氏体化处理，再结晶细化晶粒。对于ZG08Cr9W3Co3VNbNB材质而言，经循环往复奥氏体化后，晶粒尺寸由均质化+正火+回火工艺的768μm，细化至404μm，但是晶粒出现明显混晶现象，且由于超超临界材料组织遗传性较强，需要较多次的奥氏体化，会大幅增加生产成本并延长制造周期。另外一种是在平衡组织转变温度进行等温处理，获得珠光体型等温转变组织，打破组织遗传性细化晶粒。通过平衡组织转变细化铸件晶粒，需在珠光体转变温度进行较长时间的等温保温，使马氏体组织转变为珠光体型平衡组织，切断原始粗大奥氏体晶粒度的组织遗传，最终细化晶粒。在珠光体转变温度保温80h后，珠光体组织转变量较少且不均匀，晶粒尺寸仅细化至565μm，出现混晶现象。现有热处理方法无法满足超超临界ZG08Cr9W3Co3VNbNB材质铸件对晶粒细化及综合性能的要求。
发明内容
鉴于上述分析，本发明旨在提供一种620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法，通过制定合理的均质化、正火和回火热处理工艺制度，同时在均质化热处理和正火热处理之间，进行低温退火热处理，获得近乎平衡的铁素体和碳化物组织，消除组织遗传性，细化晶粒，解决ZG08Cr9W3Co3VNbNB材质铸件因组织遗传性导致晶粒粗大的问题，满足产品对综合性能的要求。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法，步骤为
S1.均质化热处理；
S2.低温退火热处理；
S3.正火热处理；
S4.回火热处理；
低温退火热处理工艺为：将所述超超临界汽轮机铸件置入80～150℃待料炉，保温5h，再以≤50℃/h的速率升温至650～850℃，保温30～100h。
进一步的，低温退火热处理工艺中，升温至650～850℃后，保温30～50h。
进一步的，超超临界汽轮机铸件为ZG08Cr9W3Co3VNbNB材质，所述材质各组分的含量以质量百分数计为C：0.07～0.09，Si：0.25～0.35，Mn：0.45～0.55，Cr：8.5～9.2，Nb：0.04～0.06，W：2.7～3.0，Co：2.8～3.5，V：0.15～0.25，B：0.012～0.014，N：0.005～0.009，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步的，均质化热处理工艺为：将所述超超临界汽轮机铸件置入200～250℃待高温炉，保温5h，以≤50℃/h的速率升温至800℃，保温5h，再以≤80℃的速率升温至1140～1200℃，保温10-14h，保温结束后炉冷至150℃以下。
进一步的，正火热处理工艺为：将所述超超临界汽轮机铸件置入200～250℃高温炉，保温5h，再以≤50℃/h的速率升温至800℃，保温5h，再以≤80℃的速率升温至1100～1200℃，均热保温进行奥氏体化处理，后鼓风冷却至80℃以下。
进一步的，回火热处理工艺为：将所述超超临界汽轮机铸件置入80～150℃回火炉，保温5h，然后以≤50℃/h的速率升温至710～760℃，均热保温14-20h，以≤50℃/h的速率降温至150℃以下。
进一步的，低温退火热处理工艺中，升温速率为30～50℃/h。
进一步的，均质化热处理工艺中，以30～50℃/h的速率升温至800℃，保温5h，再以50～80℃/h的速率升温至1140～1200℃。
进一步的，均热保温时间由最大主壁厚度确定，为1～3h/100mm。
进一步的，回火热处理工艺中，降温速率为30～50℃/h。
与现有技术相比，本申请有以下有益效果：
1)在均质化热处理和正火热处理之间，进行低温退火热处理，获得近乎平衡的铁素体和碳化物组织，有效地削弱了组织遗传性，晶粒尺寸细小、均匀，铸件未出现混晶现象，提高了铸件使用性能，满足探伤要求。
2)正火热处理一方面可以细化晶粒，获得合适的晶粒度，另一方面可以使组织更加均匀，合金元素更加均匀的固溶到基体中。
3)回火过程中，ZG08Cr9W3Co3VNbNB铸件中的元素扩散并形成细小弥散的、不易粗化的Cr23(C,B)6等析出相从基体中析出，为材料提供优良稳定的高温性能；另一方面，回火处理可使正火后样品中残余的奥氏体继续转变成马氏体，同时回火热处理可以适当降低材料内位错密度，提高材料韧性，降低材料加工难度。
本发明操作简单，在ZG08Cr9W3Co3VNbNB汽轮机铸件生产中易于实施，用时短，消耗能源低，成本增加少。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1热处理工艺图；
图2实施例1铸件经热处理后金相图；
图3实施例1铸件经热处理后扫描图；
图4实施例1铸件经热处理后原奥晶粒；
图5对比例1铸件经热处理后原奥晶粒。
具体实施方式
图1为本发明热处理工艺图，下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
对采用真空感应炉熔炼的ZG08Cr9W3Co3VNbNB铸件进行热处理，ZG08Cr9W3Co3VNbNB铸件成分为C：0.09，Si：0.31，Mn：0.53，Cr：9.11，Nb：0.05，W：2.96，Co：2.98，V：0.18，B：0.014，N：0.0068，余量为Fe和不可避免的杂质。
具体步骤及工艺参数如下：
S1.均质化热处理：将铸件置入200℃待高温炉保温5h，以50℃/h的速率升温至800℃保温5h，再以80℃的速率升温至1140℃，保温10h进行均质化热处理，使硼碳化物、δ铁素体溶解以及消除大型铸件的成分偏析，保温结束后，以30℃/h的速率炉冷至150℃以下。
S2.低温退火热处理：将铸件置入150℃待料炉，保温5h,再以50℃/h的速率升温至800℃，保温30h后，以50℃/h速率炉冷至150℃以下，完成退火处理，消除组织遗传性，细化晶粒。
S3.正火热处理：将铸件置入200℃高温炉保温5h，以50℃/h的速率升温至800℃，保温8h，再以80℃/h的速率升温至1160℃，保温8h，进行奥氏体化处理，保温时间不宜过长，避免晶粒过度长大，保温时间由铸件最大壁厚确定，为1～3h/100mm，鼓风冷却至80℃以下，完成正火处理。正火处理可以细化晶粒，获得合适的晶粒度；使组织更加均匀，合金元素更加均匀的固溶到基体中。
S4.回火热处理：将铸件置入150℃回火炉保温5h，再以50℃/h的速率升温至740℃，均热保温20h，后以50℃/h速率炉冷至150℃以下，完成回火处理。
实施例2：
对采用真空感应炉熔炼的ZG08Cr9W3Co3VNbNB铸件进行热处理，ZG08Cr9W3Co3VNbNB铸件成分为C：0.07，Si：0.29，Mn：0.48，Cr：9.0，Nb：0.04，W：2.7，Co：3.3，V：0.24，B：0.012，N：0.008，余量为Fe和不可避免的杂质。
具体步骤及工艺参数如下：
S1.均质化热处理：210℃高温炉保温5h，以40℃/h的速率升温至800℃保温5h，再以70℃的速率升温至1180℃，保温12h进行均质化热处理。保温结束后，以25℃/h的速率炉冷至150℃以下。
S2.低温退火热处理：将铸件置入80℃待料炉，保温5h，再以40℃/h的速率升温至700℃，保温40h后，以40℃/h速率炉冷至150℃以下，完成退火处理。
S3.正火热处理：铸件置入220℃高温炉保温5h，以40℃/h的速率升温至800℃保温8h，再以80℃/h的速率升温至1120℃，保温8h，进行奥氏体化处理，保温时间不宜过长，避免晶粒过度长大，保温时间由铸件最大壁厚确定，为1～3h/100mm。鼓风冷却至70℃以下，完成正火处理。
S4.回火热处理：将铸件置入80℃回火炉保温5h，再以40℃/h的速率升温至760℃，均热保温14h，后以40℃/h速率炉冷至150℃以下，完成回火处理。
实施例3：
对采用真空感应炉熔炼的ZG08Cr9W3Co3VNbNB铸件进行热处理，ZG08Cr9W3Co3VNbNB铸件成分为C：0.08，Si：0.33，Mn：0.54，Cr：8.8，Nb：0.05，W：2.9，Co：3.3，V：0.24，B：0.013，N：0.008，余量为Fe和不可避免的杂质。
具体步骤及工艺参数如下：
S1.均质化热处理：将铸件置入250℃待高温炉保温5h，以30℃/h的速率升温至800℃保温5h，再以60℃的速率升温至1200℃，保温14h进行均质化热处理。保温结束后，以20℃/h的速率炉冷至150℃以下。
S2.低温退火热处理：将铸件置入110℃待料炉，保温5h,再以30℃/h的速率升温至850℃，保温50h后，以45℃/h速率炉冷至150℃以下，完成退火处理。
S3.正火热处理：铸件置入250℃高温炉保温5h，以30℃/h的速率升温至800℃，保温8h，再以50℃/h的速率升温至1180℃，保温8h，进行奥氏体化处理，保温时间不宜过长，避免晶粒过度长大，保温时间由铸件最大壁厚确定，为1～3h/100mm。鼓风冷却至80℃以下，完成正火处理。
S4.回火热处理：将铸件置入100℃回火炉保温5h，再以30℃/h的速率升温至710℃，均热保温17h，后以30℃/h速率炉冷至150℃以下，完成回火处理。
对比例1：
作为对比例，不添加中间的低温退火热处理，仅对ZG08Cr9W3Co3VNbNB材质铸件进行均质化、正火和回火热处理，热处理工艺参数与实施例1相同。
图2-图4为实施例1铸件经热处理后金相、扫描及原奥晶粒图，可以看出，添加低温退火热处理后，铸件未出现混晶现象，晶粒尺寸均匀，为399μm。图5为对比例1晶粒尺寸图，热处理后，铸件晶粒尺寸较大，为768μm。对比可知，经本发明热处理后，ZG08Cr9W3Co3VNbNB材质汽轮机铸件的晶粒尺寸得到显著细化。
表1为铸件的力学性能，由表1可以看出，抗拉强度为760～840MPa，屈服强度为600～700MPa，延伸率为16～19％，断面收缩率为55％～65％，常温冲击功为30～50J，高温持久性能为170MPa、650℃条件下3200～3900h。对比可知，经本发明热处理后，ZG08Cr9W3Co3VNbNB汽轮机铸件具有良好的高温持久性能，约为对比例的两倍。晶粒尺寸得到显著细化，晶粒尺寸均匀，未出现混晶现，充分地消除了组织遗传性，有效地提升了综合力学性能。
表1铸件的力学性能
通过制定合理均质化、正火和回火热处理工艺制度，并在均质化热处理和正火热处理之间，进行低温退火热处理，获得近乎平衡的铁素体和碳化物组织，有效地削弱了组织遗传性，晶粒尺寸细小、均匀，铸件未出现混晶现象，提高了铸件使用性能。
均质化热处理使硼碳化物、δ铁素体溶解以及消除大型铸件的成分偏析。通过增加低温退火热处理，获得近乎平衡的铁素体和碳化物组织，消除原始粗大奥氏体晶粒的组织遗传性，使热处理后晶粒得到细化。正火热处理细化晶粒，获得合适的晶粒度，使组织更加均匀，合金元素更加均匀的固溶到基体中。回火过程中，ZG08Cr9W3Co3VNbNB铸件中的元素扩散并形成细小弥散的、不易粗化的Cr23(C,B)6等析出相从基体中析出，为材料提供优良稳定的高温性能；回火处理可使正火后样品中残余的奥氏体继续转变成马氏体，同时回火热处理可以适当降低材料内位错密度，提高材料韧性，降低材料加工难度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术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 (10)

1.一种620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.均质化热处理；
S2.低温退火热处理；
S3.正火热处理；
S4.回火热处理；
所述低温退火热处理工艺为：将所述超超临界汽轮机铸件置入80～150℃待料炉，保温5h，再以≤50℃/h的速率升温至650～850℃，保温30～100h。
2.根据权利要求1所述的620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法，其特征在于，所述低温退火热处理工艺中，升温至650～850℃后，保温30～50h。
3.根据权利要求1所述的620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法，其特征在于，所述超超临界汽轮机铸件为ZG08Cr9W3Co3VNbNB材质，所述材质各组分的含量以质量百分数计为C：0.07～0.09，Si：0.25～0.35，Mn：0.45～0.55，Cr：8.5～9.2，Nb：0.04～0.06，W：2.7～3.0，Co：2.8～3.5，V：0.15～0.25，B：0.012～0.014，N：0.005～0.009，余量为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法，其特征在于，所述均质化热处理工艺为：将所述超超临界汽轮机铸件置入200～250℃待高温炉，保温5h，以≤50℃/h的速率升温至800℃，保温5h，再以≤80℃的速率升温至1140～1200℃，保温10-14h，保温结束后炉冷至150℃以下。
5.根据权利要求1所述的620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法，其特征在于，所述正火热处理工艺为：将所述超超临界汽轮机铸件置入200～250℃高温炉，保温5h，再以≤50℃/h的速率升温至800℃，保温5h，再以≤80℃的速率升温至1100～1200℃，均热保温进行奥氏体化处理，后鼓风冷却至80℃以下。
6.根据权利要求1所述的620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法，其特征在于，所述回火热处理工艺为：将所述超超临界汽轮机铸件置入80～150℃回火炉，保温5h，然后以≤50℃/h的速率升温至710～760℃，均热保温14-20h，以≤50℃/h的速率降温至150℃以下。
7.根据权利要求1所述的620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法，其特征在于，所述低温退火热处理工艺中，升温速率为30～50℃/h。
8.根据权利要求4所述的620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法，其特征在于，所述均质化热处理工艺中，以30～50℃/h的速率升温至800℃，保温5h，再以50～80℃/h的速率升温至1140～1200℃。
9.根据权利要求5所述的620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法，其特征在于，所述均热保温时间由最大主壁厚度确定，为1～3h/100mm。
10.根据权利要求1-6所述的620℃以上超超临界汽轮机铸件的热处理方法，其特征在于，所述回火热处理工艺中，降温速率为30～50℃/h。
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