CN113523012A - 一种含铌高合金奥氏体耐热不锈钢棒材的热加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不锈钢棒材的加工方法，包括：(1)对钢锭进行加热，加热温度是1200℃～1270℃；(2)按照总压缩比大于3进行径锻开坯，得到方坯；(3)对方坯进行加热，加热温度是1200℃～1270℃；(4)进行热轧，得到棒材。本发明的加工方法通过优化工艺流程、控制关键过程参数，在保证生产效率的前提下，避免产生表面裂纹质量缺陷，从而能够制备得到表面质量和组织良好的含铌高合金奥氏体耐热不锈钢棒材。

Description

一种含铌高合金奥氏体耐热不锈钢棒材的热加工方法
技术领域
本发明属于钢铁材料加工领域，具体地，本发明涉及一种含铌高合金奥氏体耐热不锈钢棒材的热加工方法。
背景技术
为了提高发电效率，减少排放，火力电站蒸汽温度和压力参数不断提高，传统材料无法满足机组锅炉要求，其中锅炉过热器和再热器管道是服役环境最苛刻的部件，需要大量使用高性能的含铌奥氏体耐热不锈钢材料。Nb元素的加入，在服役过程中可以析出纳米尺寸的MX和NbCrN，这些析出能很好地弥散分布在基体中，阻碍位错运动，提高析出强化效果及蠕变抗力，提高了奥氏体不锈钢的耐高温性能。然而由于该类材料的Cr、Ni含量也偏高，在凝固过程中容易形成大块状的铌化物，大幅降低了材料的热塑性，在热加工过程中极容易开裂。
近年来，为了降低生产成本，国内制管企业逐渐开始开发热穿孔工艺来代替传统的热挤压工艺，因此原料棒材的规格越来越小，由原先的φ180～250mm逐渐降低为φ65～130mm。原先该类材料棒材制备工艺为钢锭一火次直接径锻成材。成品规格变小后，如果按照原工艺直接锻造成形，由于锻造过程道次过多，温降过大，需要多火次锻造，生产效率过低；若按照常规不锈钢小规格棒材的钢锭初轧开坯+热轧或初轧开坯+锻造生产，则表面开裂现象严重。
目前，亟需一种含铌高合金奥氏体耐热不锈钢棒材的热加工方法，以便解决上述这些问题。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的含铌高合金奥氏体耐热不锈钢棒材的热加工方法。
具体来说，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种不锈钢棒材的加工方法，包括：
(1)对钢锭进行加热，加热温度是1200℃～1270℃；
(2)按照总压缩比大于3进行径锻开坯，得到方坯；
(3)对方坯进行加热，加热温度是1200℃～1270℃；
(4)进行热轧，得到棒材。
可选地，在步骤(1)中，按照以下公式确定保温时间：
T＝0.5D+600×w(Nb)×100
其中：
T是保温时间，单位是分钟；
D是钢锭直径，单位是毫米；
w(Nb)是Nb的质量百分含量。
可选地，在步骤(2)中，开锻表面温度1000℃～1050℃，锻造过程及终锻表面温度900℃～950℃。
可选地，在步骤(2)中，锻造过程分4～10道次进行，其中，第1道次和第2道次的单道次变形量是4％～8％，锻造频次是200～240次/分钟，后续道次的单道次变形量是15％～20％，锻造频次30～50次/分钟。
可选地，在步骤(3)中，按照以下公式确定保温时间：
T＝0.5L+100×w(Nb)×100
其中：
T是保温时间，单位是分钟；
L是方坯边长，单位是毫米；
w(Nb)是Nb的质量百分含量。
可选地，在步骤(4)中，开轧表面温度是1100℃～1150℃，轧制过程及终轧表面温度是1000℃以上。
可选地，在步骤(4)中，轧制过程分5～10道次进行，单道次变形量是10％～15％，轧制速度是1～1.2m/s。
可选地，所述不锈钢棒材的元素组成是：
C 0.04％～0.10％，Si≤0.75％，Mn≤2.00％，P＜0.03％，S＜0.03％，Cr24.0％～26.0％，Ni 17.0％～23.0％，Nb 0.20％～0.60％，N 0.15％～0.35％，和余量Fe。
一种不锈钢棒材，采用上述的加工方法制备得到。
相比于现有技术，本发明的不锈钢棒材的加工方法至少具有如下有益效果：
本发明的不锈钢棒材的加工方法通过优化工艺流程、控制关键过程参数，在保证生产效率的前提下，避免产生表面裂纹质量缺陷，从而能够制备得到表面质量和组织良好的含铌高合金奥氏体耐热不锈钢棒材。
按照ASTME112-2013平均晶粒度测定的标准试验方法对棒材的组织晶粒度进行检测，晶粒度3-7级，级差＜2。
附图说明
图1显示了本发明实施例1的棒材微观组织。
具体实施方式
为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。
针对生产小规格含铌高合金奥氏体耐热不锈钢棒材过程中遇到的技术困难，本发明的发明人对热加工工艺进行深入分析，对工艺流程和关键过程参数进行深入研究。
针对的含铌高合金奥氏体耐热不锈钢的元素组成(重量％)：
C 0.04％～0.10％，Si≤0.75％，Mn≤2.00％，P＜0.03％，S＜0.03％，Cr24.0％～26.0％，Ni 17.0％～23.0％，Nb 0.20％～0.60％，N 0.15％～0.35％，和余量Fe。
发明人通过研究发现，该含铌高合金奥氏体耐热不锈钢棒材的特性如下：①由于合金元素含量高，特别是N含量偏高，热变形的抗力较大，在1100～1200℃变形抗力是传统奥氏体不锈钢的1.5～2倍；②Cr含量高、含Nb，导致合金凝固时容易在Nb元素偏聚的地方形成大块状铌化物，造成局部塑形恶化，造成局部裂纹。
基于上述研究发现，发明人进一步认为，在工艺流程设计方面，由于该材料铸态组织下热塑性极差，若采用轧制开坯，轧向金属为拉应力变形，变形条件较差，无法充分发挥金属的全部塑性，造成表面开裂。因此，选择径锻工艺进行开坯，变形过程中金属主要承受压应力，塑性较好。锻造之后形成形变再结晶组织后，热塑性大为改善，为了提高生产效率，采用轧制工艺成材。因此，变形采用“径锻开坯+轧制成材”工艺生产。
基于上述研究发现和工艺构思，本发明的发明人提出了一种含铌高合金奥氏体耐热不锈钢棒材的热加工方法。该方法的总体工艺路线是：钢锭→加热→径锻方坯→表面检查修磨→加热→热轧→矫直→检验。
具体地，本发明的不锈钢棒材的加工方法包括：
(1)钢锭加热
对钢锭进行加热，加热温度是1200℃～1270℃，例如，1200℃、1210℃、1220℃、1230℃、1240℃、1250℃、1260℃或1270℃等。并且，按照以下公式确定保温时间：
T＝0.5D+600×w(Nb)×100
其中：
T是保温时间，单位是分钟；
D是钢锭直径，单位是毫米；
w(Nb)是Nb的质量百分含量。
发明人通过对上述含铌高合金奥氏体耐热不锈钢相图进行分析，并辅以实验观察，发现该不锈钢材料在1270℃以上加热会出现铌的低熔点共晶相，在1200℃以下开始析出NbC相，而由于凝固时Nb元素的偏聚，钢锭中析出的NbC相往往呈大块状。因此，发明人选择目标加热温度为1200～1270℃，既可以防止NbC析出影响热塑性，也可避免高温下产生低熔点共晶相。
此外，发明人通过研究还发现，按照传统的加热制度，到温后的保温时间通常根据钢锭直径D不同，为0.5～0.8min/mm，在该时间内能保证钢锭热透，但无法使NbC溶解。为了尽可能消除大块状NbC，应适当延长保温时间，但保温时间过长后又容易导致晶粒过于粗大，形成晶界裂纹。因此，发明人提出利用上述公式来确定保温时间，借此，既能够尽可能消除大块状NbC，同时又能够避免晶粒过于粗大或形成晶界裂纹。
(2)径锻开坯
对经过加热的钢锭进行径锻开坯，整个径锻过程总压缩比应大于3，以保证钢锭铸态组织已破碎。
开锻时表面温度应控制在1000～1050℃，例如，1000℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃或1050℃等，锻造过程及终锻表面温度应控制在900～950℃，例如，900℃、910℃、920℃、930℃、940℃或950℃等，低温状态下防止动态再结晶之后的晶粒长大，以保证表面的细晶组织。
锻造分4～10道次进行，例如，4道次、5道次、6道次、7道次、8道次、9道次或10道次。前两个道次采用小变形量高频锻造，单道次变形量4～8％，例如4％、5％、6％、7％或8％等；锻造频次200～240次/分钟，例如200次/分钟、210次/分钟、220次/分钟、230次/分钟或240次/分钟等。借此，通过快速小应变，破碎表面铸态组织，使表面成为均匀细小晶粒的再结晶组织，形成表面硬化层，防止开坯过程中铸坯塑性不好引起的开裂。后续道次采用大变形量低频锻造，低应变速率大变形状态下保证心部变形过程再结晶充分，改善心部组织，单道次变形量15～20％，例如，15％、16％、17％、18％、19％或20％；锻造频次30～50次/分钟，例如，30次/分钟、31次/分钟、32次/分钟、33次/分钟、34次/分钟、35次/分钟、36次/分钟、37次/分钟、38次/分钟、39次/分钟、40次/分钟、41次/分钟、42次/分钟、43次/分钟、44次/分钟、45次/分钟、46次/分钟、47次/分钟、48次/分钟、49次/分钟或50次/分钟。最终产品为方坯。
(3)方坯加热
对方坯进行加热，加热温度是1200℃～1270℃，例如，1200℃、1210℃、1220℃、1230℃、1240℃、1250℃、1260℃或1270℃等。并且，按照以下公式确定保温时间：
T＝0.5L+100×w(Nb)×100
其中：
T是保温时间，单位是分钟；
L是方坯边长，单位是毫米；
w(Nb)是Nb的质量百分含量。
(4)热轧
由于步骤(2)的锻造过程铸态组织已破碎，因此，热轧过程主要控制表面不开裂，开轧表面温度应控制在1100～1150℃(例如，1100℃、1110℃、1120℃、1130℃、1140℃或1150℃等)，由于该材料在1000℃以下热塑性急剧下降，轧制过程存在拉应力轧制更容易开裂，因此，轧制过程及终轧表面温度应控制在1000℃以上，保证温度范围在最佳热塑性区。
根据成品规格，轧制分5～10道次进行，例如，5道次、6道次、7道次、8道次、9道次或10道次；单道次变形量10～15％，例如，10％、11％、12％、13％、14％或15％等，轧制速度1～1.2m/s，例如，1m/s、1.1m/s或1.2m/s。
然后，进行矫直、检验，可采用常规方法进行，此处不做赘述。
实施例
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1：
钢种Nb含量0.5％，钢锭规格为Φ600mm，目标棒材规格为Φ140mm。总工艺路线为：钢锭→加热→径锻方坯→表面检查修磨→加热→热轧→矫直→检验。具体如下：
1、钢锭加热：目标温度1230℃，保温时间600min。
2、锻造开坯：开锻温度1030℃，分9道次进行，前2道次单道次变形量6％，锻造频次210次/分钟，后7道次单道次变形量均为16％，锻造频次45次/分钟。终锻温度920℃，方坯规格为271×271mm。
3、方坯加热：加热温度1250℃，保温时间185min
4、热轧：开轧表面温度1120℃，终轧表面温度1050℃，轧制分8道次进行，前4道次单道次变形量13％，后4道次单道次变形量11％，轧制速度1m/s。
制备得到的棒材的微观组织如图1所示。由图1可以看出，棒材组织良好，晶粒度均匀。
实施例2：
钢种Nb含量0.4％，钢锭规格为Φ500mm，目标棒材规格为Φ140mm。总工艺路线为：钢锭→加热→径锻方坯→表面检查修磨→加热→热轧→矫直→检验。具体如下：
1、钢锭加热：目标温度1230℃，保温时间490min。
2、锻造开坯：开锻温度1040℃，分9道次进行，前2道次单道次变形量7％，锻造频次215次/分钟，后7道次单道次变形量均为20％，锻造频次50次/分钟。终锻温度930℃，方坯规格为220×220mm。
3、方坯加热：加热温度1260℃，保温时间150min
4、热轧：开轧表面温度1130℃，终轧表面温度1030℃，轧制分7道次进行，前5道次单道次变形量15％，后2道次单道次变形量13％，轧制速度1.1m/s。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种不锈钢棒材的加工方法，其特征在于，包括：
(1)对钢锭进行加热，加热温度是1200℃～1270℃；
(2)按照总压缩比大于3进行径锻开坯，得到方坯；
(3)对方坯进行加热，加热温度是1200℃～1270℃；
(4)进行热轧，得到棒材。
2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在步骤(1)中，按照以下公式确定保温时间：
T＝0.5D+600×w(Nb)×100
其中：
T是保温时间，单位是分钟；
D是钢锭直径，单位是毫米；
w(Nb)是Nb的质量百分含量。
3.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在步骤(2)中，开锻表面温度1000℃～1050℃，锻造过程及终锻表面温度900℃～950℃。
4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在步骤(2)中，锻造过程分4～10道次进行，其中，第1道次和第2道次的单道次变形量是4％～8％，锻造频次是200～240次/分钟，后续道次的单道次变形量是15％～20％，锻造频次30～50次/分钟。
5.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在步骤(3)中，按照以下公式确定保温时间：
T＝0.5L+100×w(Nb)×100
其中：
T是保温时间，单位是分钟；
L是方坯边长，单位是毫米；
w(Nb)是Nb的质量百分含量。
6.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在步骤(4)中，开轧表面温度是1100℃～1150℃，轧制过程及终轧表面温度是1000℃以上。
7.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在步骤(4)中，轧制过程分5～10道次进行，单道次变形量是10％～15％，轧制速度是1～1.2m/s。
8.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述不锈钢棒材的元素组成是：
C 0.04％～0.10％，Si≤0.75％，Mn≤2.00％，P＜0.03％，S＜0.03％，Cr 24.0％～26.0％，Ni 17.0％～23.0％，Nb 0.20％～0.60％，N 0.15％～0.35％，和余量Fe。
9.一种不锈钢棒材，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的加工方法制备得到。
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