CN111074183B - 一种防止耐热合金厚壁管晶粒异常长大的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种防止耐热合金厚壁管晶粒异常长大的热处理方法，属于耐热合金钢管热处理技术领域。步骤：采用垂直立式挤压机热挤压后的荒管，壁厚为70～120mm，400℃装炉，以加热速率60℃/h升温至800～820℃，保温2～4小时，然后以加热速率80℃/h升温至970～990℃，保温1～3小时，再以加热速率100℃/h升温至1090～1120℃，保温1～6小时，最后以加热速率100℃/h升温至1150～1160℃，保温1～7小时，出炉后水淬至室温。优点在于，不仅防止奥氏体晶粒异常长大，改善厚壁管径向温度场，而且晶粒均匀、级差小，大大改善厚壁管径向组织与性能的均匀性。

Description

一种防止耐热合金厚壁管晶粒异常长大的热处理方法
技术领域
本发明属于耐热合金钢管热处理领域，特别是提供了一种防止耐热合金厚壁管晶粒异常长大的热处理方法，即：防止耐热合金厚壁管 (70～120mm)晶粒异常长大的热处理方法，防止镍基合金厚壁 (70～120mm)晶粒异常长大，导致成品管混晶或产品实际晶粒度超标准要求，尤其适用于700℃蒸汽参数超(超)临界火电机组相关管道制造。
背景技术
提高火电机组蒸汽参数(温度和压力)是提高发电热效率和实现节煤减排的最重要途径。但是，制约火电机组向更高参数发展的主要“瓶颈”问题是耐热材料。2017年，国家能源局正式批复大唐山东郓城630℃超超临界燃煤电站示范项目，是世界首台蒸汽参数最高的火电机组，其锅炉和主蒸汽管道目前唯一工程上可选材料是我国自主研发的G115马氏体耐热钢(专利号：ZL 201210574445.1)。与此同时，我国几大电力集团正积极论证650～700℃先进超超临界燃煤火力发电技术。C-HRA-
Figure BDA0002329848960000013
耐热合金是我国在Inconel 617B基础上、自主研发的固溶强化型镍基耐热合金，已获国家发明专利(专利号：ZL 2014 10095587.9)，是700℃先进超超临界燃煤电站锅炉大口径厚壁管的候选材料之一。
C-HRA-
Figure BDA0002329848960000011
耐热合金具有合金元素含量高、变形抗力大、高温变形易开裂、温度敏感等特点，工程上制造大口径厚壁管难度非常大。但是，通过工程实践摸索，C-HRA-
Figure BDA0002329848960000012
厚壁管热成形等问题已解决。专利ZL 201210574445.1“一种镍铬钴钼耐热合金及其管材制造工艺”通过创新工艺，打通了耐热合金钢管的生产制造工艺路线。专利CN 103938134 B“提高耐热合金厚壁挤压管径向组织均匀性的方法”，通过耐热合金挤压前径向温差，弥补挤压过程内外表面温差，达到耐热合金管挤压后径向组织均匀的目的。
同时，工程实践中还发现：C-HRA-
Figure BDA0002329848960000021
耐热合金交货态厚壁管易出现混晶和晶粒度超标准要求等问题，见图1，其主要原因是C-HRA-
Figure BDA0002329848960000022
耐热合金基体为单一奥氏体，高温固溶热处理时，由于碳化物分布不均或热处理温度匹配不当，极易发生晶粒异常长大，造成混晶和异常晶粒超标准要求，由于是单一奥氏体相，因此也无法通过相变细化达到晶粒细化和晶粒均匀的目的。
专利CN 1890395 A“镍基合金和镍基合金的热处理方法”，即提出了镍基合金的热处理方法，但是此方法只针对特定镍基合金，同时试样尺寸相对较小，工程上厚壁部件产品尺寸较大，尺寸效应造成工程上难以控制。其它镍基合金热处理方法的专利与其相似。
由于耐热合金全流程制备技术属于一个国家特钢领域高技术、高附加值产品，国内、外关于同类合金和产品类型的热处理报道较少。 C-HRA-
Figure BDA0002329848960000023
耐热合金是我国700℃先进超超临界燃煤电站锅炉集箱和主蒸汽管道的候选材料之一，为尽快推动国家700℃电站战略规划项目落地，相关耐热材料的工程化问题加快推进，因此，C-HRA-
Figure BDA0002329848960000024
耐热合金厚壁管晶粒异常长大问题，急需解决。
发明内容
本发明目的在于提供一种防止耐热合金厚壁管晶粒异常长大的热处理方法，解决壁厚70～120mm新型镍基耐热合金(C-HRA-
Figure BDA0002329848960000025
)大口径厚壁管长期存在的异常晶粒长大造成混晶和晶粒度超标准要求等问题。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
采用垂直立式挤压机热挤压后的荒管，壁厚为70～120mm，400℃装炉，以加热速率60℃/h升温至810±10℃，保温2～4小时，然后以加热速率80℃/h升温至980±10℃，保温1～3小时，再以加热速率120℃/h 升温至1090～1120℃，保温1～6小时，最后以加热速率150℃/h升温至 1150～1160℃，保温1～7小时，出炉后快速水淬至室温；出炉至入水淬火时间间隔不超过5分钟；水淬容器中的冷却介质温度不超过50℃；
所述的C-HRA-3钢管化学成分质量百分比如下(wt.％)：Cr 21.0～ 23.0％；C0.04～0.07％；Mn≤0.3％；Co 11.0～13.0％；Mo 6.0～9.0％； Ti 0.3～0.5％；Al 0.8～1.3％；W 0.1～1.0％；B 0.002～0.005％；Zr 0.03-0.15％；Nb＜0.5％；V≤0.5％；Cu≤0.15％；P＜0.008％；S＜0.002％； N≤0.015％；Mg 0.005～0.02％；Ca≤0.01％；As≤0.01％；Pb≤0.007％； Bi≤0.001％；镍为余量以及不可避免的杂质元素。
本发明内容的构成要点立足于以下认识：
C-HRA-3耐热合金属于镍基耐热合金，基体为单一奥氏体相，其交货态热处理为高温固溶热处理。根据热力学计算，C-HRA-3耐热合金中主要析出相有：富Cr的M23C6碳化物和γ′相(Ni3(Al,Ti))等两种。热力学计算结果表明：M23C6碳化物高于980℃开始回溶，γ′相高于810℃时开始回溶。挤压态荒管组织中有碳化物或γ′相析出，碳化物和γ′相的大小、分布等对固溶处理温度选择和热处理后的晶粒尺寸有较大影响，特别是当碳化物呈“带状”分布时，常规固溶热处理后碳化物“带状”内晶粒特别细，而无“带状”碳化物的区域晶粒尺寸异常长大，如图2。碳化物“带状”内晶粒特别细的原因是碳化物提供更多的形核数量，同时钉扎晶界，形核数量增多和阻碍晶粒长大共同作用使得碳化物“带状”区域内晶粒细小。因此，在固溶处理温度到达前，尽可能多的碳化物或γ′相全部回溶，特别是“带状”碳化物回溶，与此同时，厚壁管壁厚方向温度相对均匀分布。
对于尺寸较大、形状复杂的镍基耐热合金工件，一般固溶处理要进行预热和分段加热，但是分段温度的选择很重要，由于不同镍基耐热合金中的析出相类型略有差异，不同的分段温度可能造成很大的组织和性能差异。因此，不同的镍基合金材料或相同材料的不同产品类型(管、板、锻件等)所选择的分段温度和最终固溶温度都不同。对于分段温度的选择，工程上人们只考虑热导率及残余应力的影响，即材料固溶处理时不出现裂纹。但是，在C-HRA-3耐热合金厚壁热处理时，分段温度的选择不仅要考虑该材料的热导率和消除残余应力，而且还要考虑碳化物的溶解温度以及如何防止晶粒异常长大现象。由于C-HRA-3合金厚壁管的管壁较厚，实际固溶处理时，若长时高温下保温，外表面在固溶温度下总保温时间较长，个别晶粒肯定会发生异常长大，造成混晶，从而增加外表面、1/2壁厚处和内表面组织的不均匀性，造成不同位置处常规力学性能不均匀，因此，必须在固溶温度以下的某个温度达到完全透保。然而这个温度与所选择的固溶温度又不能差别很大，否则达不到溶解碳化物和降低在固溶温度下透保时间的目的，若接近固溶温度，长时间透保也会引起晶粒异常长大。
本发明具有的优点和有益效果：本发明通过创新阶梯加热，大大改善C-HRA-
Figure BDA0002329848960000041
耐热合金厚壁管固溶热处理加热过程的温度场和碳化物或γ′相回溶充分，不仅改善厚壁管径向温度场，而且晶粒均匀、级差小，其晶粒不会异常长大，大大改善厚壁管径向组织与性能的均匀性。采用本发明技术方案，获得C-HRA-
Figure BDA0002329848960000042
大口径厚壁管(壁厚70～120mm)平均晶粒度3～5级，且径向组织和性能均匀性良好，大大提高了产品合格率，提高成材率10～15％，有效降低总成本10～15％。
附图说明
图1为现有技术金相图。
图2为“带状”碳化物偏析引起的晶粒不均金相图。
图3为C-HRA-
Figure BDA0002329848960000043
合金大口径厚壁管本发明热处理后的内1/4壁厚处金相图。
图4为C-HRA-
Figure BDA0002329848960000051
合金大口径厚壁管本发明热处理后的1/2壁厚处金相图。
图5为C-HRA-
Figure BDA0002329848960000052
合金大口径厚壁管本发明热处理后的外1/4壁厚处金相图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作进一步描述，但不限于本发明实施例。
实施例1
本发明实施例C-HRA-
Figure BDA0002329848960000053
耐热合金主成分重量百分比为(wt.％)：Cr 22.0％；C0.06％；Mn 0.3％；Co 12.0％；Mo 8.8％；Ti 0.5％；Al 1.0％； W 0.1％；B 0.0035％；Zr0.03％；Nb 0.1％；P 0.006％；S 0.001％；Mg 0.005；镍为余量以及不可避免的杂质元素。
本发明按上述成分VIM+ESR工艺冶炼6吨级合金锭2支，利用垂直热挤压机挤压制管，产品规格皆为外径Φ559mm×壁厚120mm的大口径厚壁耐热钢管。一件按现有技术实施；另一件按本发明工艺实施。
现有技术实施如下：装炉温度300℃，透保后以70～100℃/h加热至 1170℃，透保后再保温1小时，出炉后水淬至室温。
本发明特殊工艺如下：(1)400℃装炉，以加热速率60℃/h升温至 810℃，保温3小时，然后以加热速率80℃/h升温至980℃，保温2小时，再以加热速率120℃/h升温至1120℃，保温1小时，最后以加热速率 150℃/h升温至1155℃，保温5小时，出炉后快速水淬至室温；出炉至入水淬火时间间隔4分钟；水淬容器中的水温45℃。
经上述相同挤压工艺后的两支C-HRA-
Figure BDA0002329848960000054
耐热合金厚壁管进行后续不同固溶热处理。常规热处理后的金相组织图见图1和图2所示；本发明热处理后的金相组织图分别见图3～图5。常规热处理与本发明热处理后的C-HRA-
Figure BDA0002329848960000055
耐热合金大口径厚壁管的力学性能及性能差异分别如表1和表2所示。
表1
Figure BDA0002329848960000061
表2
Figure BDA0002329848960000062
表2中差异降低率由公式(1)给出。由表2可以看出，采用本发明特殊工艺生产的挤压管径向性能差异比常规工艺降低率达40～70％，采用本发明工艺生产的耐热合金挤压厚壁管径向组织和性能明显优于采用常规技术方式，且晶粒相对均匀，级差小。
Figure BDA0002329848960000063

Claims (1)

1.一种防止耐热合金厚壁管晶粒异常长大的热处理方法，其特征在于：工艺步骤及控制的技术参数如下：
采用垂直立式挤压机热挤压后的荒管，壁厚为70～120mm，400℃装炉，以加热速率60℃/h升温至800～820℃，保温2～4小时，然后以加热速率80℃/h升温至970～990℃，保温1～3小时，再以加热速率120℃/h升温至1090～1120℃，保温1～6小时，最后以加热速率150℃/h升温至1150～1160℃，保温1～7小时，出炉后水淬至室温；出炉至入水淬火时间间隔不超过5分钟；水淬容器中的冷却介质温度不超过50℃；
所述的耐热合金厚壁管化学成分质量百分比为：Cr 21.0～23.0％；C 0.04～0.07％；Mn≤0.3％；Co 11.0～13.0％；Mo 6.0～9.0％；Ti 0.3～0.5％；Al 0.8～1.3％；W 0.1～1.0％；B 0.002～0.005％；Zr 0.03-0.15％；Nb＜0.5％；V≤0.5％；Cu≤0.15％；P＜0.008％；S＜0.002％；N≤0.015％；Mg 0.005～0.02％；Ca≤0.01％；As≤0.01％；Pb≤0.007％；Bi≤0.001％；余量镍及不可避免的杂质元素。
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