CN112011749B - 一种无孤岛组织的镍基合金n08120环件的加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无孤岛组织的镍基合金N08120环件的加工工艺，以电渣钢锭为原料，在开坯得到环形坯料后，对所得坯料循环进行两次以上的如下处理过程：依次进行中间预处理、坯料加热和轧制工序；其中，所述开坯的变形比≥6；所述中间预处理工序的具体操作为：将坯料加热升温至1180‑1200℃后，保温4‑8小时，然后冷却至室温；然后将经过中间预处理的坯料加热后，进行轧制，在全部的所述处理过程完成后，所有轧制工序的总变形比≥5。本发明通过优化热加工变形量和中间预处理工艺，可以消除异常的“孤岛晶粒”组织，得到均匀的奥氏体晶粒组织和优异的探伤质量。

Description

一种无孤岛组织的镍基合金N08120环件的加工工艺

技术领域

本发明属于镍基合金领域，具体涉及镍基合金N08120，特别涉及一种无孤岛组织的镍基合金N08120环件的加工工艺。

背景技术

镍基合金N08120是发电厂常用的一种合金材料，多用来制造环件产品。受合金特性影响，制造的环件成品经常出现一种异常的晶粒组织，具体表现为：在大的奥氏体晶粒内部，出现一个或多个孤立的独立奥氏体小晶粒，内外晶粒的晶界互不相连，本发明将这种孤立的独立奥氏体小晶粒命名为孤岛组织。现有的制造方法以电渣钢锭为原料，依次按照如下工序进行：钢锭加热→锻造开坯：开坯变形比为3左右→精整→坯料加热→轧制→车光→固溶→检验，其中坯料加热和轧制可能多次进行，轧制的总变形比为2左右,所得 N08120环件的金相照片如图1所示，其金相组织照片中有多处异常组织，即孤岛组织。这些异常的孤岛组织使得合金成品不能够满足产品标准中对探伤质量和晶粒度的要求，导致产生大量的废品，同时，根据探伤检测，其显示实际水平为B级或C级，且杂波过高。在这种背景下，通过优化制造工艺，有效的消除异常组织，提高环件的良品率，对于减少制造企业的生产成本尤为重要，而目前尚未见对镍基合金N08120的异常组织改善的相关报道。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中由镍基合金N08120加工成的环件产品经常出现孤岛组织而导致环件产品性能无法满足标准要求的技术问题，而提出一种无孤岛组织的镍基合金N08120环件的加工工艺。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种无孤岛组织的镍基合金N08120环件的加工工艺，以电渣钢锭为原料，在开坯得到环形坯料后，对所得坯料循环进行两次以上的如下处理过程：依次进行中间预处理、坯料加热和轧制工序(即将依次进行的中间预处理、坯料加热和轧制工序记为一次处理过程)：

其中，所述开坯的变形比≥6；

所述中间预处理工序的具体操作为：将坯料加热升温至1180-1200℃后，保温4-8小时，然后冷却至室温；

然后将经过中间预处理的坯料加热后，进行轧制，在全部的所述处理过程完成后，所有轧制工序的总变形比≥5。

如上所述的无孤岛组织的镍基合金N08120环件的加工工艺，优选地，所述开坯采用锻造开坯的方法，所述锻造开坯的变形比为≥5。

如上所述的无孤岛组织的镍基合金N08120环件的加工工艺，优选地，进行所述锻造开坯前，先对所述电渣钢锭进行三段加热，所述三段加热依次为预热段、均热段和保温段；所述预热段的温度为690-710℃，所述均热段的温度990-1010℃，所述保温段的温度1100-1170℃。

如上所述的无孤岛组织的镍基合金N08120环件的加工工艺，优选地，所述预热段的时间为1-2小时，所述均热段的时间为2-4小时，所述保温段的时间为4-8小时。

如上所述的无孤岛组织的镍基合金N08120环件的加工工艺，优选地，所述处理过程的次数为两次。

如上所述的无孤岛组织的镍基合金N08120环件的加工工艺，优选地，所述坯料加热工序的具体操作为：将经所述中间预处理后的坯料加热升温至 1100-1140℃，保温时间按照3-4.5min/cm设定，更优选4min/cm，保温结束后，进行轧制；

如上所述的无孤岛组织的镍基合金N08120环件的加工工艺，优选地，所述坯料加热工序在室式加热炉内进行。

如上所述的无孤岛组织的镍基合金N08120环件的加工工艺，优选地，还包括精整工序，所述精整工序在所述开坯之后且在所述处理过程之前。

如上所述的无孤岛组织的镍基合金N08120环件的加工工艺，优选地，还包括车光工序，所述车光工序在所有处理过程全部完成之后，且所述车光工序完成后，得到成品环件。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明提供一种消除镍基合金N08120环件内孤岛组织的加工工艺，采用该加工工艺，可以消除环件产品内的孤岛组织，获得理想组织、提升探伤质量，有效地提高环件产品的良品率。本发明通过优化热加工变形量和中间预处理工艺，可以消除异常的“孤岛晶粒”组织，得到均匀的奥氏体晶粒组织和优异的探伤质量，且加工工艺简单、有效，无需增加专用装备和工装，成本低。

本发明改善能源行业用N08120合金晶粒组织及探伤质量的技术原理为：该合金电渣钢锭形成了Cr23C6、σ相、r’相等众多析出相，各析出相的析出温度不同，同时，由于元素的微观偏析现象，导致析出区域也不同。实验证明，当中间预处理温度在1180-1200℃时，合金的析出相达到峰值，大量析出相的钉扎作用限制了晶粒的长大，同时由于1180-1200℃的高温为回复再结晶提供了充足的能量，由此形成均匀细小的晶粒组织，进而得到良好的探伤质量。而随着温度继续升高，析出相开始回溶，晶粒在没有钉扎作用的情况下，开始急剧长大。

本发明已在生产中实施，通过对所加工得到的环件产品进行检测发现，本发明通过加工工艺的优化，能够消除环件产品内孤岛组织的异常晶粒，同时提高了环件探伤质量，按照GB/T4162标准规定，优于A级要求，环件的良品率整体也得到提高。

附图说明

图1是现有的制造方法所得N08120环件的金相组织照片(a图为100X，b图为200X)；

图2是实施例1所得N08120环件的金相组织照片；

图3是实施例1锻造开坯后所得坯料的金相组织照片；

图4是实施例3的金相组织照片；

图5是对比例1的金相组织照片；

图6是对比例2的金相组织照片；

图7是对比例3的金相组织照片。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

根据本发明的实施例，提供了一种无孤岛组织的镍基合金N08120环件的加工工艺，以电渣钢锭为原料，在开坯得到环形坯料后，对所得坯料循环进行两次以上的如下处理过程：依次进行中间预处理、坯料加热和轧制工序(即将依次进行的中间预处理、坯料加热和轧制工序记为一次处理过程)：

其中，所述开坯的变形比≥6(比如6.5、7、8、9等)，理论上，开坯变形比越大，越有利于电渣钢锭中原始铸态组织的破除，经试验发现，至少6 倍的变形比方可完全破除电渣钢锭中的原始铸态组织，同时通过较大的开坯变形比来保证得到相对均匀的动态回复再结晶晶粒，从而获得良好的基础晶粒条件，为后续的热处理做好准备。

实验证明，N08120合金在拥有均匀且细于等于3级的等轴晶粒时具有良好的探伤质量和机械性能。本发明研究了中间预处理温度和时间对晶粒度的影响，在1120℃以上的温度，晶粒开始急剧长大，晶粒度级别呈线性趋势增长，但直至1180℃，尽管大部分为细小的等轴晶，依然存在不同程度的异常孤岛晶粒组织，而异常的孤岛组织的存在严重影响探伤质量。随着温度进一步升高，孤岛组织消失不见，呈现出均匀的晶粒组织，晶粒度细于等于3级，当温度升高至1200℃以上时，晶粒开始随温度升高、保温时间增加而急剧长大，且以1180℃为界限，低于此温度时，保温时间对晶粒度的影响较小，高于此温度时，保温时间的影响非常大，而晶粒过大同样会影响到N08120的探伤质量。综合考虑下，本发明中，所述中间预处理工序的具体操作为：将坯料加热升温至1180-1200℃后(比如1185℃、1190℃、1198℃等)，保温4-8 小时，然后冷却至室温；然后将经过中间预处理的坯料加热后，进行轧制，在全部的所述处理过程完成后，所有轧制工序的总变形比≥5(比如6、7.5、 8、10等)，理论上讲，轧制时的变形比也是越大越好，以利于原始晶粒的充分破碎和回复再结晶，根据本发明，对于每次处理过程中的轧制工序没有具体的变形比要求，而只需控制所有轧制工序的总变形比,即多次所述处理过程的总轧制变形比≥5。

根据本发明，所述处理过程的循环次数越多，更有利于孤岛组织的充分消除，而且根据本发明的所述处理过程，其中中间预处理、坯料加热和轧制工序必须一一对应，也就是说，每次热加工变形(即坯料加热和轧制/开坯工序)之后，只能进行一次中间预处理，否则可能会出现晶粒急剧长大现象。

在本发明的具体实施例中，所述电渣钢锭中各元素成分的质量百分比为： C：0.02％-0.10％；Cr：23.00％-27.00％；Ni：35.00％-39.00％；Nb：0.4-0.9％； N：0.15％-0.30％；其余为Fe和不可避免的杂质。

在本发明的具体实施例中，所述开坯采用锻造开坯的方法。

在本发明的具体实施例中，进行所述锻造开坯前，先对所述电渣钢锭进行三段加热，所述三段加热依次为预热段、均热段和保温段；所述预热段的温度为690-710℃，所述均热段的温度990-1010℃，所述保温段的温度 1100-1170℃。

本发明采用三段加热的加热方式，是缘于该电渣钢锭的热传导系数较小，而通过本发明的钢锭预热、中间均热段均温、保温段保温的加热制度，可以保证钢锭内部各部位温度均匀一致，同时消除钢锭心部和表面温度差带来的热应力，减少后期热变形的裂纹风险。

在本发明的具体实施例中，所述预热段的时间为1-2小时，所述均热段的时间为2-4小时，所述保温段的时间为4-8小时。

在本发明的具体实施例中，所述处理过程的次数为两次，考虑到生产的实际需要，进行两次的处理过程就能够达到较好的消除孤岛组织的效果，达到生产所要求的良品率。

在本发明的具体实施例中，所述坯料加热工序的具体操作为：将经所述中间预处理后的坯料加热升温至1100-1140℃，保温时间按照3-4.5min/cm 设定，保温结束后，进行轧制；坯料加热是为了轧制过程的顺利进行，本发明所选择的坯料加热温度和保温时间可以保证在本发明较大的轧制变形比的情况下，不会产生裂纹等缺陷。

在本发明的具体实施例中，所述坯料加热工序在室式加热炉内进行。

在本发明的具体实施例中，还包括精整工序和车光工序，所述精整工序在所述开坯之后，所述车光工序在所有处理过程全部完成之后，所述车光工序完成后，得到成品环件。

综上，本发明所提供的一种无孤岛组织的镍基合金N08120环件的加工工艺，以电渣钢锭为原料，所述生产方法优选依次按照如下工序进行：钢锭加热→锻造开坯→精整→中间预处理→坯料加热→预轧制→中间预处理→中间环加热→终轧制→车光→检验，最终得到合格的成品环件，现结合具体实施例予以说明。

实施例1

原料：Φ710mm电渣钢锭，其中，钢锭中各元素成分的质量百分比为：C： 0.056；Cr：25.05；Ni：37.03；Nb：0.66；N：0.23；其余为Fe和不可避免的轧制元素；

本发明实施例1利用Φ710mm电渣钢锭生产N08120环件，所需环件成品的规格为Φ3200mm*Φ2800mm*200mm(外径*内径*高度)，具体加工工艺包括以下步骤：

步骤1：电渣钢锭装炉：将Φ710mm电渣钢锭采用随炉升温的方式放入加热炉中进行加热；

步骤2：钢锭加热分为预热段、均热段和保温段三段加热，其中，预热段的温度700℃，保温时间1小时；均热段的温度1000℃，保温时间2小时；保温段的温度1150℃，保温时间为4小时；

步骤3：锻造开坯：钢锭加热后进行三次镦粗、两次拔长，开坯成Φ 1080mm*550mm圆饼，中间冲孔Φ150mm，锻造开坯工序的总变形比： 2.1+2+2+2+1.4+1.4＝10.9；

锻造开坯后所得坯料的金相照片如图3所示，锻造开坯后得到的坯料沿金属塑性变形方向存在大量的拉长态晶粒，此时为部分动态回复再结晶或完全未进行动态回复再结晶的变形组织，后续经过中间预处理，可以使得该组织进行完全静态回复再结晶，得到尺寸相对均匀的等轴奥氏体晶粒。

步骤4：坯料精整：坯料车光，车光后尺寸Φ1030mm*Φ200mm*500mm；

步骤5：中间预处理：将坯料装入加热炉，随炉升温至1180℃后，保温 4小时，出炉空冷至室温；

步骤6：坯料加热：将坯料装入加热炉，随炉升温至1130℃，保温90 分钟(环件的保温时间按照环壁厚或高度中的最小尺寸计算，此处计算举例：(103-20)/2/2*4min/cm＝83min，工业上进整，按90分钟计算)；

步骤7：预轧制：保温时间到后，出炉轧制，轧制后得到中间环件，其尺寸为Φ1350mm*Φ750mm*400mm，轧制变形比为1.71+1.23＝2.94；

步骤8：中间预处理：将上述中间环件装入加热炉，随炉升温至1180℃后，保温4小时，出炉空冷至室温。

步骤9：中间环加热：将步骤8中间预处理后的中间环件装入加热炉，随炉升温至1130℃，保温60分钟。

步骤10：终轧制：保温时间到后，出炉轧制，尺寸为Φ3250mm*Φ1750mm* 250mm。轧制变形比为2.90+1.91＝4.81。

实施例1中，实际预轧制和终轧制总的变形比为2.94+4.81＝7.75。

步骤11：车光：轧制环件按照标准要求固溶处理后(所述固溶处理是在 1120℃保温2h)，然后车光，车光后的环件尺寸为Φ3200mm*Φ1800mm*200mm。

步骤12：检验：按照GB/T4162标准要求进行超声波探伤检验，对多件产品进行检验后，全部产品探伤均达到A级；按照GB/T6394标准进行金相检验，晶粒度:5级。产品的金相组织图片参见图2；且各项力学性能检验均满产品标准要求。

实施例2

原料：Φ880mm电渣钢锭，其中，钢锭各元素成分的质量百分比为：C： 0.060；Cr：25.07；Ni：37.05；Nb：0.63；N：0.22；其余为Fe和不可避免的杂质元素；

本发明实施例2利用Φ880mm电渣钢锭生产N08120环件的制造方法，所需成品的规格为Φ3230mm*Φ1820mm*220mm，具体加工工艺包括以下步骤：

步骤1：钢锭装炉：将Φ880mm电渣钢锭采用随炉升温的方式放入加热炉中进行钢锭加热；

步骤2：钢锭加热分为预热段、均热段和保温段三段加热，其中，预热段的温度690℃，保温时间1.5小时；均热段的温度1010℃，保温时间3小时；保温段的温度1150℃，保温时间为5小时；

步骤3：锻造开坯：Φ880mm钢锭加热后采用两次镦粗、一次拔长开坯成Φ1080mm*550mm圆饼，中间冲孔Φ150mm，锻造开坯工序总变形比： 1.5+2+2+1.4＝6.9。

步骤4：坯料精整：坯料车光，车光后尺寸Φ1030mm*Φ200mm*500mm。

步骤5：中间预处理：将坯料装入加热炉，随炉升温至1200℃后，保温 4小时，出炉空冷。

步骤6：坯料加热：将坯料装入加热炉，随炉升温至1140℃，保温90 分钟。

步骤7：预轧制：保温时间到后，出炉轧制，尺寸为Φ1350mm*Φ750mm* 400mm，轧制变形比为1.71+1.23＝2.94。

步骤8：中间预处理：将上述中间环件装入加热炉，随炉升温至1200℃后，保温5小时，出炉空冷。

步骤9：中间环加热：将中间环件装入加热炉，随炉升温至1140℃，保温60分钟。

步骤10：终轧制：保温时间到后，出炉轧制，尺寸为Φ3250mm*Φ1750mm* 250mm。轧制变形比为2.90+1.91＝4.81。

实施例2中，实际预轧制和终轧制总的变形比为2.94+4.81＝7.75。

步骤11：车光：轧制环件按照标准要求固溶处理(所述固溶处理是在1120℃保温2h)，然后车光。尺寸为Φ3230mm*Φ1820mm*220mm。

步骤12：检验：按照GB/T4162标准要求进行超声波探伤检验，对多件产品进行检验后，全部产品探伤均达到A级；按照GB/T6394标准进行金相检验，晶粒度:5级。且各项力学性能检验均满产品标准要求。

实施例3

实施例3环件的制备除了步骤(5)和(8)的中间预处理温度与实施例 1略有不同以外，其余均与实施例1相同，实施例3中，步骤(5)和(8) 的中间预处理温度为1190℃，其金相照片如图4所示，可以看出，经过两次 1190℃，保温4小时的中间预处理后，晶粒组织已经完全回复在结晶，为均匀的奥氏体等轴晶粒，而无未回复再结晶的拉长晶粒和“孤岛晶粒”组织。

实施例4

实施例4除了步骤(5)和(8)的中间预处理温度与实施例1略有不同以外，其余均与实施例1相同，实施例4中，步骤(5)和(8)的中间预处理温度为1200℃，其金相照片如图5所示，经过两次1200℃，保温4小时的中间预处理后，晶粒组织已经完全回复再结晶，为均匀的奥氏体等轴晶粒，而无未回复再结晶的拉长晶粒和“孤岛晶粒”组织。且相比1190℃，晶粒已经开始长大，晶粒度级别变大。

对比例1

对比例1环件的制备除了步骤(5)和(8)的中间预处理温度与实施例 1略有不同以外，其余均与实施例1相同，对比例1中，步骤(5)和(8) 的中间预处理温度为1140℃，得到的最终环件的金相照片如图6所示，经过两次1140℃，保温4小时的中间预处理后，组织已经开始进行静态回复再结晶，但是该温度下回复再结晶未能够完全进行，表现为晶粒大小不均匀，出现严重的混晶现象，同时存在少量的“孤岛晶粒”组织。

对比例2

对比例2环件的制备除了步骤(5)和(8)的中间预处理温度与实施例 1略有不同以外，其余均与实施例1相同，对比例2中，步骤(5)和(8) 的中间预处理温度为1160℃，得到的最终环件的金相照片如图7所示，经过两次1160℃，保温4小时的中间预处理后，组织同样已经开始进行静态回复再结晶。相比1140℃，1160℃时的静态回复再结晶进行的程度进一步加大，整体组织已经为大量的细小等轴晶。但是仍然有少量的未能静态回复再结晶的的晶粒组织，且同样有少量的“孤岛晶粒”组织。

N08120合金中含有Cr23C6、σ相、r’相等众多析出相，各析出相的析出温度不同，同时，由于元素的微观偏析现象，导致析出区域也不同。根据本发明的实验，当中间预处理温度在1180-1200℃时，合金的析出相达到峰值，大量的析出相钉扎作用限制了晶粒的长大，同时由于1180-1200℃的高温为回复再结晶提供了充足的能量，所以能够形成均匀细小的晶粒组织，进而得到良好的探伤质量。根据本发明的对比试验，对比例1和2的中间预处理温度分别为1140℃和1160℃，其合金中仍存在部分异常组织，这可能是由于回复再结晶不完全所致。而随着温度继续升高，如实施例1在1180℃时、实施例3在1190℃时以及实施例4在1200℃时，均得到了较为均匀的晶粒组织；但倘若超过1200℃，根据该类镍基合金的特性，析出相开始回溶，晶粒在没有钉扎作用的情况下，继续升高温度则会促使晶粒急剧长大，会造成晶粒度过大，直至达到00级以上，不能满足产品标准，以及影响到探伤质量水平。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无“孤岛组织”的镍基合金N08120环件的加工工艺，其特征在于，以电渣钢锭为原料，在开坯得到环形坯料后，对所得坯料循环进行两次以上的如下处理过程：即依次进行中间预处理、坯料加热和轧制工序；

其中，所述开坯的变形比≥6；

所述中间预处理工序的具体操作为：将坯料加热升温至1180-1200℃后，保温4-8小时，然后冷却至室温；

然后将经过中间预处理的坯料加热后，进行轧制，在全部的所述处理过程完成后，所有轧制工序的总变形比≥5；所述坯料加热工序的具体操作为：将经所述中间预处理后的坯料加热升温至1100-1140℃，保温时间按照3-4.5min/cm设定；

在开坯前，先对所述电渣钢锭进行三段加热，所述三段加热依次为预热段、均热段和保温段；所述预热段的温度为690-710℃，所述预热段的时间为1-2小时；所述均热段的温度990-1010℃，所述均热段的时间为2-4小时；所述保温段的温度1100-1170℃，所述保温段的时间为4-8小时。

2.如权利要求1所述的无“孤岛组织”的镍基合金N08120环件的加工工艺，其特征在于：所述开坯采用锻造开坯的方法。

3.如权利要求1所述的无“孤岛组织”的镍基合金N08120环件的加工工艺，其特征在于：所述三段加热在室式加热炉内进行。

4.如权利要求1所述的无“孤岛组织”的镍基合金N08120环件的加工工艺，其特征在于：所述处理过程的次数为两次。

5.如权利要求1所述的无“孤岛组织”的镍基合金N08120环件的加工工艺，其特征在于：所述坯料加热工序在室式加热炉内进行。

6.如权利要求1所述的无“孤岛组织”的镍基合金N08120环件的加工工艺，其特征在于：还包括精整工序，所述精整工序在所述开坯之后且在所述处理过程之前。

7.如权利要求1所述的无“孤岛组织”的镍基合金N08120环件的加工工艺，其特征在于：还包括车光工序，所述车光工序在所有处理过程全部完成之后，且所述车光工序完成后，得到成品环件。

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