CN111705195B - 一种含Nb奥氏体耐热钢沉淀强化热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含Nb奥氏体耐热钢沉淀强化热处理工艺，包括：在1200‑1300℃保温1‑6h进行一次固溶热处理，然后按照5‑20℃/min降温速度冷却至400‑700℃进行非恒温时效热处理，之后再升温至950‑1100℃保温0.5‑2h进行二次固溶热处理，最后水冷至室温。本发明采用两次固溶热处理工艺，结合非恒温时效强化热处理，高温强化效果好，既能保证高密度细小弥散MX相的析出，又能避免晶界M23C6相的形成及其导致的脆性开裂，显著提高奥氏体耐热钢强度。

Description

一种含Nb奥氏体耐热钢沉淀强化热处理工艺
技术领域
本发明涉及冶金行业合金钢的热处理工艺，尤其涉及一种含Nb奥氏体耐热钢沉淀强化热处理工艺。
背景技术
随着我国能源需求不断增长和结构优化，超超临界技术作为一种高效率、低排放的新型先进发电技术，应用将日益广泛。奥氏体耐热不锈钢具有优异的高温抗氧化能力和良好的抗蠕变性能，可以作为超超临界机组结构材料的重要选择，应用于锅炉管、过热器和再热器管道等承压结构件。但随着超超临界机组参数的进一步发展，锅炉管等关键大型部件用奥氏体耐热钢材料的服役蠕变强度逐渐不能满足需求，成为制约现代重大装备制造业发展的瓶颈。
研究表明，奥氏体耐热钢中Nb元素与C、N元素相结合形成Nb(C,N)析出相，在高温服役过程中Nb(C,N)可以钉扎位错，大幅提高耐热钢的高温强度。此外，Nb(C,N)的析出还可以降低基体中C含量，抑制晶界M23C6的析出，提高抗应力腐蚀和沿晶开裂能力。虽然Nb(C,N)的形成有利于提高奥氏体钢的综合性能，但是奥氏体钢基体组织中亚结构较少，不能为析出相形核提供足够位置，导致Nb(C,N)析出数量较少。耐热钢在服役过程中，数量密度较低的Nb(C,N)析出相粗化速率加快，强化效果较差，影响耐热钢的高温性能。因此，有必要开发一种能够形成高密度析出相方法，以实现奥氏体耐热钢更好高温强化效果。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种含Nb奥氏体耐热钢沉淀强化热处理工艺，采用两次固溶热处理工艺，结合非恒温时效强化热处理，既能保证高密度细小弥散MX相的析出，又能避免晶界M23C6相的形成及其导致的脆性开裂，显著提高奥氏体耐热钢强度。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种含Nb奥氏体耐热钢沉淀强化热处理工艺，包括以下步骤：
S1.一次固溶热处理：将含Nb奥氏体耐热钢加热至1200-1300℃，保温1-6h；
S2.非恒温时效热处理：将S1得到的含Nb奥氏体耐热钢以5-20℃/min降温速度冷却至400-700℃；
S3.二次固溶热处理：将S2得到的含Nb奥氏体耐热钢升温至950-1100℃，保温0.5-2h；
S4.将S3得到的含Nb奥氏体耐热钢水冷至室温。
进一步地，所述含Nb奥氏体耐热钢由按质量百分比计的如下成分组成：
C 0.02-0.1％，Cr 20-26％，Ni 18-30％，Si<1.0％，Mn<1.5％，N 0.05-0.30％，Nb0.2-0.6％，Al≤0.05％，Ti≤0.05％，Fe余量。
优选地，所述一次固溶热处理的温度为1200℃、保温时间为1h。
所述非恒温时效热处理中，将S1得到的含Nb奥氏体耐热钢以10℃/min降温速度冷却至400℃。
所述二次固溶热处理的温度为1000℃、保温时间为0.5h。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明工艺中的一次固溶热处理工艺，可以使钢材的析出相完全溶解在基体内，获得晶粒尺寸均匀的单相奥氏体组织。本发明工艺中的非恒温时效强化热处理采用的温度位于MX相和M23C6相析出的温度区间，可以使材料析出MX相和M23C6相；而且，此温度区间内温度的变化还能引起材料内部产生微结构缺陷，促进高密度析出相形核，使更多的MX析出相细小弥散分布在晶粒内部。本发明工艺在非恒温时效强化热处理后，再次升温进行二次固溶热处理，选择介于M23C6和MX相溶解温度之间的温度作为二次固溶温度，使晶界M23C6相溶解，仅保留MX析出相。本发明的强化热处理工艺在保证析出高密度细小弥散MX相的同时，还能避免形成晶界M23C6相，并避免其导致的脆性开裂，使奥氏体耐热钢强度显著提高，满足日益增长的性能需求。
附图说明
图1为实施例1含Nb奥氏体耐热钢的显微组织图；
图2为对比例1含Nb奥氏体耐热钢的显微组织图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
一种含Nb奥氏体耐热钢沉淀强化热处理工艺，包括以下步骤：
S1.一次固溶热处理：将含Nb奥氏体耐热钢加热至1200-1300℃，保温1-6h；通过本次高温固溶热处理使析出相完全溶解在基体内，能够获得均匀晶粒组织；
S2.非恒温时效热处理：将S1得到的含Nb奥氏体耐热钢以5-20℃/min降温速度冷却至400-700℃；
S3.二次固溶热处理：将S2得到的含Nb奥氏体耐热钢升温至950-1100℃，保温0.5-2h；
S4.将S3得到的含Nb奥氏体耐热钢水冷至室温。
其中，含Nb奥氏体耐热钢由按质量百分比计的如下成分组成：
C 0.02-0.1％，Cr 20-26％，Ni 18-30％，Si<1.0％，Mn<1.5％，N 0.05-0.30％，Nb0.2-0.6％，Al≤0.05％，Ti≤0.05％，Fe余量。
一次固溶热处理中采用的温度高于NbC的溶解温度，经过固溶热处理一段时间后，绝大部分NbC相溶解在基体中，获得晶粒尺寸均匀的单相奥氏体组织。非恒温时效热处理采用特定的温度区间，位于MX相和M23C6相析出温度区间内，且该温度区间内温度变化能引起材料内部产生微结构缺陷，促进高密度析出相形核，促使析出高密度弥散分布的MX相。最后再升温进行二次固溶热处理，采用的温度介于M23C6和MX相溶解温度之间，经二次固溶热处理后晶界M23C6相溶解，而仅保留细小弥散的MX强化相，避免了晶界M23C6相导致的脆性开裂，使奥氏体耐热钢强度显著提高。
实施例1
一种含Nb奥氏体耐热钢，由按照质量百分比计的如下成分组成：
C 0.06％，Cr 25.5％，Ni 21.3％，Si 0.9％，Mn 1.4％，N 0.19％，Nb 0.5％，Al0.002％，Ti 0.001％，Fe余量。
本实施例的含Nb奥氏体耐热钢通过以下工艺加工而成：
(1)根据本实施例含Nb奥氏体耐热钢的成分组成，通过真空感应熔炼方式，冶炼成符合要求的铸锭；
(2)将铸锭在1300℃下保温2小时进行高温固溶，保证组织中一次碳化物完全溶解，并消除钢锭中的枝晶偏析；
(3)为保证致密性和组织均匀性，将步骤(2)得到的钢锭炉冷至1200℃，并进行锻造，始锻温度为1200℃，终锻温度为900℃，锻造采用“三墩三拔”，以防止碳化物的不均匀，以及避免锻造过程中的开裂现象；
(4)沉淀强化热处理：
1)一次固溶热处理：将步骤(3)锻造得到的耐热钢在1200℃下保温1小时进行高温固溶热处理，使析出相完全溶解在基体内；
2)非恒温时效强化热处理：将一次固溶热处理后的耐热钢以约10℃/min降温速度冷却至400℃，析出M23C6相和高密度MX相；
3)二次固溶热处理：将2)得到的耐热钢再进行升温至1000℃并保温0.5小时，使晶界M23C6相溶解，仅保留细小弥散MX析出相；最后进行水冷至室温。
对比例1
一种含Nb奥氏体耐热钢，化学成分组成与实施例1的耐热钢相同。
本对比例的含Nb奥氏体耐热钢通过以下工艺加工而成：
(1)按照本实施例含Nb奥氏体耐热钢的成分组成，通过真空感应熔炼方式，冶炼成符合要求的铸锭；
(2)将铸锭在1300℃下保温2小时进行高温固溶，保证组织中一次碳化物完全溶解，并消除钢锭中的枝晶偏析；
(3)为保证致密性和组织均匀性，将步骤(2)得到的钢锭炉冷至1200℃，并进行锻造，始锻温度为1200℃，终锻温度为900℃，锻造采用“三墩三拔”，以防止碳化物的不均匀，以及避免锻造过程中的开裂现象；
(4)将步骤(3)锻造得到的耐热钢在1200℃下保温1小时进行高温固溶热处理，然后水冷至室温。
测试例
(1)扫描电镜检测
对实施例1和对比例1的含Nb奥氏体耐热钢进行扫描电镜检测，结果分别如图1和2所示。其中，图1为实施例1中含Nb奥氏体耐热钢的组织照片，图2为对比例1中含Nb奥氏体耐热钢的组织照片，对比图1和2可以看出，在一次固溶热处理后，再经非恒温时效强化和二次固溶热处理，组织中明显析出大量弥散细小的MX析出相，MX析出相分布的均匀性和密度显著提高。
(2)硬度检测
对实施例1和对比例1的含Nb奥氏体耐热钢进行显微硬度测试，试样尺寸为10mm×10mm×10mm，采用载荷为500g。对比例1经传统固溶热处理后耐热钢的硬度为152HV0.5，实施例1热处理后材料硬度为191HV0.5，经本发明工艺处理后的耐热钢硬度显著提升，性能优异。
(3)屈服强度检测
对实施例1和对比例1的含Nb奥氏体耐热钢进行高温拉伸测试，试样为M10标准拉伸试样，拉伸温度为700℃，拉伸试验按照国标GB/T 228.2-2015进行。对比例1经传统固溶热处理后的耐热钢的屈服强度为186MPa，实施例1热处理后材料屈服强度为213MPa。结果表明，经本发明工艺处理后的耐热钢屈服强度高，蠕变性能得到了显著的提升，使奥氏体耐热钢材料更适用于日益发展的超超临界机组。
上述实施方式仅为本发明专利的优选实施方式，不能以此来限定本发明专利保护的范围，本领域的技术人员在本发明专利的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明专利所要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种含Nb奥氏体耐热钢沉淀强化热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1.一次固溶热处理：将含Nb奥氏体耐热钢加热至1200-1300℃，保温1-6h；
S2.非恒温时效热处理：将S1得到的含Nb奥氏体耐热钢，以5-20℃/min降温速度冷却至400-700℃，可以使含Nb奥氏体耐热钢析出MX相和M23C6相；
S3.二次固溶热处理：将S2得到的含Nb奥氏体耐热钢升温至950-1100℃，保温0.5-2h，在保留所述MX相析出的同时，使晶界处所述M23C6相溶解，避免了晶界处所述M23C6相导致的脆性开裂；
S4.将S3得到的含Nb奥氏体耐热钢水冷至室温。
2.根据权利要求1所述的含Nb奥氏体耐热钢沉淀强化热处理工艺，其特征在于，所述含Nb奥氏体耐热钢由按质量百分比计的如下成分组成：
C 0.02-0.1%，Cr 20-26%，Ni 18-30%，Si <1.0%，Mn <1.5%，N 0.05-0.30%，Nb 0.2-0.6%，Al≤0.05%，Ti≤0.05%，Fe 余量。
3.根据权利要求1所述的含Nb奥氏体耐热钢沉淀强化热处理工艺，其特征在于，所述一次固溶热处理的温度为1200℃、保温时间为1h。
4.根据权利要求1所述的含Nb奥氏体耐热钢沉淀强化热处理工艺，其特征在于，所述非恒温时效热处理中，将S1得到的含Nb奥氏体耐热钢以10℃/min降温速度冷却至400℃。
5.根据权利要求1所述的含Nb奥氏体耐热钢沉淀强化热处理工艺，其特征在于，所述二次固溶热处理的温度为1000℃、保温时间为0.5h。
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