CN112430721A - 防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法 - Google Patents

防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法，属于钢铁热处理技术领域。本发明针对叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb因固溶热处理后易发生开裂的问题，提供了一种防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法，包括：将钢坯加热至600～650℃预热保温；然后加热至1050℃±10℃，并保温；最后进行水淬冷却，冷至15～20min时，吊出水面，3～5min后再次没入水中，重复该冷却方式，冷至100～150℃，吊出水池空冷至室温。本发明方法有效防止了叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb在固溶热处理工程中发生开裂，同时保证钢具有优异的力学性能。

Description

防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法
技术领域
本发明属于钢铁热处理技术领域，具体涉及一种防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法。
背景技术
0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢是一种典型沉淀硬化不锈钢，具有高强度、耐腐蚀、耐氧化、优良的成型性和可焊性等特点，广泛应用于航天航空、石油、化工、核工业、能源等工业领域。该不锈钢的热处理工艺一般由固溶处理和时效处理组成,目前用户根据使用综合力学性能的要求，通常对该不锈钢进行固溶热处理后采用不同的时效热处理工艺，以满足不同使用工况对强度的要求。
该马氏体不锈钢通常采用1020℃～1060℃进行固溶热处理，其目的是部分消除成分的不均匀性，使合金碳化物溶入到奥氏体中，强化固溶体，冷却后得到过饱和的马氏体，为后续时效过程中析出强化相做好准备。此外，固溶处理还可以提高材料的韧性及耐蚀性，消除应力与软化，便于随后进行加工或成型。但该马氏体不锈钢在固溶热处理的过程中，如果温度偏低会使奥氏体不均匀且其中溶入的合金碳化物过少，导致奥氏体中合金元素贫乏，淬火后马氏体硬度偏低；温度偏高时合金碳化物的大量溶入会使奥氏体中，合金元素含量升高，Ms点下降，导致淬火后残余奥氏体含量增多，硬度下降。
同时，固溶热处理时冷却速率对材料的影响也很大。合金强度随着固溶冷却速度的降低而减小，油冷时冷却速度最大，合金强度最高。塑性先降后升，炉冷时具有最低塑性。钢在固溶时要求钢的实际固溶冷却速度大于临界冷却速度，使奥氏体不发生分解而能全部或大部分转变成马氏体，以获得满意的固溶硬度。对于不锈钢，由于铬、镍含量高，C曲线右移，其临界固溶冷却速度很小，即使是大型零件，用空冷固溶，其实际冷却速度也远超过临界冷速。因此，冷却速度越快，就有越多的奥氏体转变成马氏体，不锈钢的强度也就高，而合金在缓冷过程中有大量的富铜相析出，导致时效后的有效弥散析出相含量减少，导致强度降低，另外，残留奥氏体含量增加，也导致强度降低。
因此，通常认为采用油冷比较合理。但在实际操作中，油冷对周边环境有一定的污染，通常生产厂家采用水冷的的方式进行冷却，而水冷冷却方式不当，常常会导致钢坯开裂，尤其是方坯。
CN201910904946.3公开了一种05Cr17Ni4Cu4Nb马氏体不锈钢及其热理工艺方法，其工艺流程为：台车式燃气炉进行700～760℃预热并保温→继续加热至1030～1050℃并保温→出炉水淬至低于100℃→台车式燃气炉进行520～540℃时效，并保温→出炉空冷至室温。该马氏体不锈钢为包含有下述重量份组分的固溶时效处理不锈钢板：C0.040％～0.055％、Si0.20％～0.40％、Mn0.20％～0.40％、Cr15.1％～15.45％、Ni4.10％～4.45％、Cu3.10％～3.40％，余量为Fe和不可避免的杂质，固溶时效处理后的不锈钢板的σb为1431～1460MPa，σ0.2为1235～1265MPa，A为14％～19％，Z为60％～75％，Ak为34.35～37.47J，HBW为426～435，综合力学性能良好。
但该工艺包括按顺序设置的固溶热处理和时效热处理，其是通过固溶热处理后，立即进行时效热处理，以避免产生开裂现象；然而在生产实践中，由于客户要求0Cr17Ni4Cu4Nb钢仅需固溶热处理后交货，但采用上述工艺进行固溶热处理，极易出现开裂现象，因此亟需开发一种防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法。
发明内容
本发明针对目前叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb因固溶热处理后易发生开裂的现象，提供了一种防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、将0Cr17Ni4Cu4Nb钢坯加热至600～650℃进行预热处理，并保温；
B、将预热后的坯料加热至1050℃±10℃，并保温，保温时间按t＝(0.71～0.75)×棒材截面积计算，单位为秒；
C、将步骤B保温后的坯料完全没入水中进行水淬冷却，当冷却时间为15～20min时，将坯料吊出水面，3～5min后再次没入水中；并重复进行该冷却方式，直至坯料温度为100～150℃后，吊出水池空冷至室温。
其中，上述防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法中，所述叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb的化学成分按重量百分比计为：C：0.035～0.055％、Si：0.15～0.40％、Mn：0.15～0.35％、Cr：15.1～15.50％、Ni：3.85～4.45％、Cu：3.20～3.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。
其中，上述防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法，步骤A中，以60～80℃/h的加热速率加热至600～650℃。
其中，上述防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法，步骤A中，所述保温的时间为60～80分钟。
其中，上述防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法，步骤B中，以≤70℃/h的加热速率加热至1050℃±10℃。
需要说明的是，保温时间的计算公式中，“棒材截面积”是指取以mm2为单位的截面积的数值。
本发明的有益效果：
本发明针对叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb固溶热处理后易开裂的问题，采用合理的固溶热处理温度、优化冷却方式，从而既能保护环境，还能防止因不锈钢固溶热处理开裂而产生的损失，并保证钢具有优异的力学性能，实现了节约生产成本，大幅度提高经济效益，满足用户需求。
具体实施方式
具体的，防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法，包括以下步骤：
A、将0Cr17Ni4Cu4Nb钢坯加热至600～650℃进行预热处理，并保温；
B、将预热后的坯料加热至1050℃±10℃，并保温，保温时间按t＝(0.71～0.75)×棒材截面积计算，单位为秒；
C、将步骤B保温后的坯料完全没入水中进行水淬冷却，当冷却时间为15～20min时，将坯料吊出水面，3～5min后再次没入水中；并重复进行该冷却方式，直至坯料温度为100～150℃后，吊出水池空冷至室温。
本发明方法中叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb的化学成分按重量百分比计为：C：0.035～0.055％、Si：0.15～0.40％、Mn：0.15～0.35％、Cr：15.1～15.50％、Ni：3.85～4.45％、Cu：3.20～3.50％，余量为Fe和不可避免的杂质；其中，不可避免的杂质包括P和S，其按重量百分比计，P≤0.020％，S≤0.004％。
本发明方法步骤A中，基于该钢作为马氏体不锈钢，若加热温度或加热速率不当则可能导致坯料开裂，为防止预热温度过高或加热速率过快而导致钢坯开裂，以60～80℃/h的加热速率加热至600～650℃，然后保温60～80分钟；同时也能使热处理中所有坯料在进行高温加热时的温度一致，防止加热不均，导致开裂现象。
本发明方法步骤B中，以≤70℃/h的加热速率加热至1050℃±10℃，防止加热速率过快而使钢坯开裂，并部分消除成分的不均匀性，使合金碳化物溶入到奥氏体中，强化固溶体，冷却后得到过饱和的马氏体，为后续时效过程中析出强化相做好准备。
按马氏体不锈钢的特性，在冷却过程中，特别在空气中冷却都可能很快转变为马氏体，因此若冷却速率过快，会导致钢坯表面与心部因冷却速率不一致而导致组织差异，从而产生组织间应力而发生开裂，因此本发明采用将坯料完全没入水中进行水淬冷却，当冷却时间为15～20min时，将坯料吊出水面，3～5min后再次没入水中；并重复进行该冷却方式，直至坯料温度为100～150℃，该冷却方式能够有效控制冷却速率，从而避免开裂。
本发明固溶热处理后的叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb，在固溶热处理后未发生淬火开裂现象，且经时效热处理后的力学性能满足：Rm：1430～1446MPa，RP0.2：1230～1300，A：14.5～16.5％，布氏硬度：420～430，完全满足用户要求。
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明保护范围限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例中产品技术要求：固溶热处理后的扁钢钢坯在不经过时效热处理时，不发生炸裂的现象，且经过时效热处理后的力学性能满足表1要求。
表1力学性能要求
Figure BDA0002758379800000041
以规格为300×350mm的扁钢为例，其固溶热处理工艺如下：
坯料在台车式燃气炉逐支布料，坯料与坯料之间应有一定间隙，1层布料。首先将坯料按60℃/h加热至600～650℃进行均热热处理，保温60分钟；然后，将坯料按70℃/h加热至1050℃±10℃，并保温20小时；最后，将保温后的坯料完全没入水中进行水淬冷却，当冷却时间为15～20分钟时，将坯料吊出水面，3分钟后再次没入水中，并重复进行上述冷却方式，直至坯料温度为100℃后，吊出水池空冷至室温；采用本发明固溶热处理方法，产品固溶热处理后未发生淬火开裂现象。
时效热处理：钢坯发往用户后，用户将坯料按60℃/h加热至480±10℃，保温10小时，然后出炉空冷至室温。
所得产品的力学性能数据如表2所示：
表2产品固溶和时效热处理后的力学性能
Figure BDA0002758379800000042
由表1和表2可知，根据本实施例方法所获得的产品固溶热处理后未发生淬火开裂现象，同时，经后期时效热处理后，其力学性能满足用户需求。

Claims (5)

1.防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、将0Cr17Ni4Cu4Nb钢坯加热至600～650℃进行预热处理，并保温；
B、将预热后的坯料加热至1050℃±10℃，并保温，保温时间按t＝(0.71～0.75)×棒材截面积计算，单位为秒；
C、将步骤B保温后的坯料完全没入水中进行水淬冷却，当冷却时间为15～20min时，将坯料吊出水面，3～5min后再次没入水中；并重复进行该冷却方式，直至坯料温度为100℃～150℃后，吊出水池空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法，其特征在于：所述叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb的化学成分按重量百分比计为：C：0.035～0.055％、Si：0.15～0.40％、Mn：0.15～0.35％、Cr：15.1～15.50％、Ni：3.85～4.45％、Cu：3.20～3.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法，其特征在于：步骤A中，以60～80℃/h的加热速率加热至600～650℃。
4.根据权利要求1所述的防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法，其特征在于：步骤A中，所述保温的时间为60～80分钟。
5.根据权利要求1～4任一项所述的防止叶片钢0Cr17Ni4Cu4Nb开裂的固溶热处理方法，其特征在于：步骤B中，以≤70℃/h的加热速率加热至1050℃±10℃。
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