CN113957360B - 一种防止奥氏体不锈钢铸钢件开裂的热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铸钢产品生产技术领域，主要涉及一种防止奥氏体不锈钢铸钢件开裂的热处理方法，包括以下步骤：将待热处理铸钢件置于热处理炉中；采用阶梯升温的方式加热铸钢件；铸钢件在热处理炉中短时保温后出炉；采用水‑空气的交替式冷却方式冷却铸钢件；将铸钢件置于空气中自然冷却；主要通过对铸钢件热处理过程步骤及固溶步骤的优化控制，生产出的铸钢件满足标准要求的力学性能，同时防止了通过固溶处理后铸钢件产生细小裂纹缺陷，显著提高了铸钢件的质量，且步骤过程操作简单，易于控制。

Description

一种防止奥氏体不锈钢铸钢件开裂的热处理方法

技术领域

本发明属于铸钢产品生产技术领域，主要涉及一种防止奥氏体不锈钢铸钢件开裂的热处理方法。

背景技术

奥氏体不锈钢具有较强的防锈、耐腐蚀和低温使用性能，又有极佳的可塑性和韧性，方便冲压成型。它的金属制品耐高温，加工性能也好，因此广泛使用于工业、家具装饰行业和食品医疗等行业，具有很大的应用前景。随着奥氏体不锈钢运用更加广泛，和重大装备制造业的发展需要，产品种类逐步增多，结构也更加复杂，重量也越来越大。对于本发明所述的奥氏体不锈钢铸件产品，铸件整体轮廓为1181*1104*838mm，吨位2t，毛坯件最大截面76mm，最小壁厚30mm，属于大型工业级奥氏体不锈钢铸件。

因为铸件产品为奥氏体相基体，一般为达到最终使用性能要求和将铸造凝固过程中以及后期焊补过程中焊缝区基体析出的碳化物等脆性相溶进基体以改善组织，提高铸件的抗腐蚀性，一般都需要将铸件进行固溶处理。相关材料规范和标准中基本要求固溶采用水冷，而且需要比较快的冷却速度，以避免冷却过程中不要因为冷速慢，导致碳化物等脆性相析出来。但在实际的热处理生产过程中发现，该铸件采用以下工艺方法固溶后，即：以70℃/h的升温速度将铸件加热到固溶温度1050～1100℃，炉偶控温，保温3h后铸件快速转运到淬火槽用自来水连续冷却至到铸件最高温度为200～300℃后结束淬火，自然空冷到室温。各项力学性能和金相组织都满足标准要求，但铸件表面PT检测时，会在局部的一些位置发现小细线性缺陷(铸件进炉固溶前表面都PT检测过，没有缺陷存在)，小线性缺陷部分呈网状或半网状分布，其余成离散单个线条分布。小细缺陷深度多数为5～10mm左右，经检测判定为小裂纹。这种缺陷不允许存在，因此必须挖除干净，焊补合格。如果大量焊补，增加了铸件应力，降低了焊补区抗腐蚀能力，如果焊补后铸件再进行固溶处理，则会有恶化力学性能的风险，也容易导致铸件变形。因此，这种缺陷的存在，增加了返修成本，降低了铸件质量。对这种铸件的这种缺陷，查阅相关文献资料，亦没有发现比较系统的介绍奥氏体不锈钢铸钢件在固溶的过程中防开裂铸造生产方法。因此，急需要发明一种比较实用的解决办法。

发明内容

本发明的目的是提供一种防止奥氏体不锈钢铸钢件开裂的热处理方法，该类材质的铸钢件的化学成分元素及质量百分比：C≤0.08％，Cr：18％～28％，Ni：8％～13％，Mo：≤0.5，Si≤2.0％，Mn≤1.5％，P≤0.040％，S≤0.04％，其余为铁(Fe)和不可避免的杂质，且抗拉强度为≥483MPa，屈服强度≥207MPa,延伸率≥35％，低温状况下使用，对耐蚀性也有很高的要求。采用现有技术的热处理方法生产的铸钢件表面产生细小裂纹，说明热处理时铸钢件表面产生的应力超过了材料本身的抗拉强度；首先，由于铸钢件材质为奥氏体材质，进入热处理炉前原始组织为奥氏体，铸钢件加热保温结束后，进入水中固溶，固溶后铸钢件材质的最终组织状态还是奥氏体组织，即铸钢件材质的组织没有发生明显的变化。因此，此类材质铸钢件热处理固溶组织应力相对比较小，可以不做重点参考。其次，铸钢件热应力是由于温度变化时变形受阻而产生的，本发明主要涉及的铸钢件属于筒状夹层半封闭结构，铸钢件在热胀冷缩时，不同部位互相阻碍，尤其是厚薄壁差异较大部位和R角部位，受阻应力较大，当局部变形应力超过材料抗拉强度时，就会发生开裂；研究发现铸钢件固溶过程中，造成上述温度差异的主要因素为升温阶段和液体冷却阶段。

本发明提供一种防止奥氏体不锈钢铸钢件开裂的热处理方法，包括以下步骤：

步骤S01,将待热处理铸钢件置于热处理炉中；

步骤S02,采用阶梯升温的方式加热铸钢件；

步骤S03,铸钢件在热处理炉中短时保温后出炉；

步骤S04,采用水-空气的交替式冷却方式冷却铸钢件；

步骤S05,将铸钢件置于空气中自然冷却。

优选的，所述步骤S01中，所述热处理炉的温度为50℃至100℃时，将待热处理铸钢件放置于所述热处理炉中。铸钢件在热处理炉中采用低温进炉后阶梯式升温的加热方式；铸钢件经过前序的切割、打磨以及缺陷焊补后，立即置于热处理炉中进行固溶热处理，且铸钢件置于热处理炉时，炉温不能过高，炉温太高会导致炉温和铸件温度差异过大，进而导致铸件表面和心部温度差异过大，容易造成铸件较大的应力，对铸件预防变形和防止开裂不利。因此优选炉温为50℃至100℃时，将待热处理铸钢件放置于所述热处理炉中。

优选的，所述步骤S02中，阶梯升温的具体步骤为：以40℃/h至70℃/h的升温速度将铸钢件加热至800℃至850℃，铸钢件在800℃至850℃范围内保温1h至3h后，以70℃/h至100℃/h的升温速度将铸钢件加热至1050℃至1100℃。这样采用先慢后快的加热方式，主要是由于铸钢件在低温阶段材料的塑韧性相对较低，铸钢件在加热或冷却时，若是铸钢件各个部分温度不一致，比如炉内不同区域的温度不一致或铸钢件厚壁、薄壁位置的温度不一致，或者铸钢件同一部位外层和心部温度不一致，温度高的部位会膨胀伸长，温度低的部位则限制膨胀，这样导致在铸钢件高温部位产生压应力，低温部位产生拉应力。铸钢件在800℃至850℃范围内保温1h至3h，这样通过升温到中间阶段后，通过均温，使铸钢件不同部位温度趋于一致，减小温差，即减小铸钢件的热应力；将升温速度提高至70℃/h至100℃/h，这样是由于均温后，铸钢件的基体组织中一些析出的脆性相多数已回溶到基体中，基体塑韧性得到提高，即使有热应力的存在，铸钢件也不容易开裂。

优选的，所述步骤S03中，短时保温的时间为30min至60min，这样可保证铸钢件心部透热到保温温度后即可出炉淬火。

优选的，所述步骤S04中，铸钢件整体温度满足大于900℃，将铸钢件置于水中冷却。

优选的，所述步骤S04中，水的温度范围为10℃至30℃，并且淬火槽中的水处于循环搅拌状态。

优选的，所述步骤S04中，交替式冷却过程步骤包括，铸钢件在水中的时间与在空气中的时间的具体原则为：铸钢件依次在水中冷却的时间为上次在水中冷却的时间值增加1min；铸钢件每次在空气中冷却的时间相等；具体地，铸钢件首次在水中冷却的时间为1min至2min，铸钢件每次在空气中冷却的时间均为1min至2min。由于铸钢件的材料为奥氏体材料，因为奥氏体铸件总的来说，快速的冷却对组织转变是比较好的，尤其是可以防止脆性相的析出。但在铸件连续水冷过程中，如果冷速比较富裕的话，从减小开裂变形的角度说，在避免脆性相析出的或析出不多的情况下，可以适当减缓冷却速度是比较有利的。因此铸钢件冷却时间的原则主要以在水中冷却为主，在空气中冷却辅助；所以在冷却过程中，每次循环冷却时，在水中冷却的时间可以逐次增加，在空气中冷却的时间保持不变，这样也有利于过程操作。

优选的，交替式冷却过程步骤还包括，当铸钢件的温度小于200℃后，停止交替式冷却，将铸钢件置于空气中自然冷却。

优选的，在交替式冷却过程中，满足铸钢件的温度在10min至20min时间范围之内冷却到200℃至300℃。

优选的，所述铸钢件处于热处理炉中时，采用在所述铸件本体上设置热电偶进行温度监控，铸钢件加热过程中一般采用炉体自带的热电偶(即炉偶)监控温度，优选的采用在铸钢件本体上设置热电偶(即铸钢件本体热偶)，这样可较准确的监控铸钢件的温度及保温时间。

本发明提供一种奥氏体不锈钢铸钢件在固溶过程中防止表面产生细小裂纹的热处理生产方法，主要通过对铸钢件热处理过程步骤及固溶步骤的优化控制，生产出的铸钢件满足标准要求的力学性能，同时防止了通过固溶处理后铸钢件产生细小裂纹缺陷，显著提高了铸钢件的质量，且步骤过程操作简单，易于控制。

附图说明

图1为实施例中铸钢件冷却过程工艺曲线示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

本发明提供一种防止奥氏体不锈钢铸钢件开裂的热处理方法，包括以下步骤：

步骤S01,热处理炉的温度设置为50℃至100℃，将待热处理铸钢件置于热处理炉中。

具体地，铸钢件在热处理炉中采用低温进炉后阶梯式升温的加热方式；铸钢件经过前序的切割、打磨以及缺陷焊补后，立即置于热处理炉中进行固溶热处理，且铸钢件置于热处理炉时，炉温不能过高，炉温太高会导致炉温和铸件温度差异过大，进而导致铸件表面和心部温度差异过大，容易造成铸件较大的应力，对铸件预防变形和防止开裂不利。因此优选炉温为50℃至100℃时，将待热处理铸钢件放置于所述热处理炉中。

步骤S02,采用阶梯升温的方式加热铸钢件；以40℃/h至70℃/h的升温速度将铸钢件加热至800℃至850℃，铸钢件在800℃至850℃范围内保温1h至3h后，以70℃/h至100℃/h的升温速度将铸钢件加热至1050℃至1100℃。

具体地，采用先慢后快的加热方式，主要是由于铸钢件在低温阶段材料的塑韧性相对较低，铸钢件在加热或冷却时，若是铸钢件各个部分温度不一致，比如炉内不同区域的温度不一致或铸钢件厚壁、薄壁位置的温度不一致，或者铸钢件同一部位外层和心部温度不一致，温度高的部位会膨胀伸长，温度低的部位则限制膨胀，这样导致在铸钢件高温部位产生压应力，低温部位产生拉应力。铸钢件在800℃至850℃范围内保温1h至3h，这样通过升温到中间阶段后，通过均温，使铸钢件不同部位温度趋于一致，减小温差，即减小铸钢件的热应力；将升温速度提高至70℃/h至100℃/h，这样是由于均温后，铸钢件的基体组织中一些析出的脆性相多数已回溶到基体中，基体塑韧性得到提高，即使有热应力的存在，铸钢件也不容易开裂。

需要说明的是，根据热应力计算公式：

б热＝k×α×E×△T

其中：k-系数；α-膨胀系数(线)1/℃；Е-杨氏模量(抵抗形变能力的物理量)，Pa(N/m2)；ΔT-温度差。

同类材质的k、α、Е是一样的。所以对于同一种材质，热应力与主要温度差大小成正比。所以铸件不同部位或同一部位表面和心部如果温度差异比较大，会产生较大的热应力。采用阶梯升温的方式及先慢后快的方式，即加热过程中，后期的升温速度适当加快，以弥补前期的升温慢导致生产时间加长的问题，且均温后，铸钢件基体组织逐步重新奥氏体化，加快升温，减小奥氏体晶粒长大的时间，则可以避免奥氏体晶粒长大。晶粒细小有利于提高铸钢件基体的强度，也有利于提高材料的塑韧性，降低了材料开裂及裂纹延伸的风险。

步骤S03,铸钢件在热处理炉中短时保温后出炉；为了保证铸钢件心部透热到保温温度后即可出炉淬火，短时保温的时间为30min至60min。

具体地，铸钢件处于热处理炉中时，采用在铸钢件本体上设置热电偶进行温度监控，铸钢件加热过程中一般采用炉体自带的热电偶(即炉偶)监控温度，优选的采用在铸钢件本体上设置热电偶(即铸钢件本体热偶)，这样可较准确的监控铸钢件的温度及保温时间。

需要说明的是，为了将铸钢件基体内析出的各种C,N化合物等脆性相溶入基体组织中，比如说将化合物中的Cr回溶到基体中，以增强基体强度并提高基体的抗蚀性。铸钢件升温到固溶保温温度1050至1100℃。铸钢件加热过程除了炉子上面自身所带的热电偶(可以简称炉偶)测温控温外，还采用附着在铸钢件本体上的热电偶(可以称为本体热电偶)进行测温监控，根据铸钢件大小至少附着2个本体热电偶。待所有本体热电偶温度达到工艺设定的固溶保温温度后，再保温30min至60min后，以保证铸件心部透热到保温温度后即出炉淬火。因为炉偶和本体偶的温度有差异，到达固溶保温温度的时间有差异，而这个差异因炉子状况、装炉量等有所不同。所以用本体热电偶测温监控并以其保温时间为主，可较准确监控铸件的保温时间，避免因炉偶监控而导致保温时间有可能过长，导致铸件晶粒长大而恶化性能或者使铸件产生裂纹。

步骤S04,请参见附图1所示，采用水-空气的交替式冷却方式冷却铸钢件；铸钢件整体温度满足大于900℃，将铸钢件置于水中冷却，此时水的温度范围为10℃至30℃，并且淬火槽中的水处于循环搅拌状态。具体冷却的步骤为，铸钢件首次在水中冷却的时间为1min至2min，铸钢件依次在水中冷却的时间为上次在水中冷却的时间值增加1min；铸钢件每次在空气中冷却的时间均为1min至2min；且需要满足在交替式冷却过程中，铸钢件的温度在10min至20min时间范围之内冷却到200℃至300℃，当铸钢件的温度小于200℃后，停止交替式冷却，将铸钢件置于空气中自然冷却。

具体地，由于铸钢件的材料为奥氏体材料，因为奥氏体铸件总的来说，快速的冷却对组织转变是比较好的，尤其是可以防止脆性相的析出。但在铸件连续水冷过程中，如果冷速比较富裕的话，从减小开裂变形的角度说，在避免脆性相析出的或析出不多的情况下，可以适当减缓冷却速度是比较有利的，因此铸钢件冷却时间的原则主要以在水中冷却为主，在空气中冷却辅助；所以在冷却过程中，每次循环冷却时，在水中冷却的时间可以逐次增加，在空气中冷却的时间保持不变，这样也有利于过程操作。

本发明克服了现有技术中固溶热处理后铸钢件表面出现小细线性缺陷及小裂纹的问题，通过现场大量的试验总结，提供了一种大型奥氏体不锈钢铸钢件在固溶的过程中防止表面产生小细裂纹的热处理生产方法，包括铸件升温加热，保温以及液体内冷却三个部分，实现了铸钢件标准要求的力学性能，同时达到了防止固溶热处理后铸件产生小细裂纹的作用，从而提高铸钢件的质量，并且容易操作。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种防止奥氏体不锈钢铸钢件开裂的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待热处理铸钢件置于热处理炉中；

采用阶梯升温的方式加热铸钢件，以40℃/h至70℃/h的升温速度将铸钢件加热至800℃至850℃，铸钢件在800℃至850℃范围内保温1h至3h后，以70℃/h至100℃/h的升温速度将铸钢件加热至1050℃至1100℃；

铸钢件在热处理炉中短时保温后出炉；

采用水-空气的交替式冷却方式冷却铸钢件；铸钢件在水中的时间与在空气中的时间的具体原则为：铸钢件依次在水中冷却的时间为上次在水中冷却的时间值增加1min；铸钢件首次在水中冷却的时间为1min至2min；铸钢件每次在空气中冷却的时间相等；铸钢件每次在空气中冷却的时间均为1min至2min；在交替式冷却过程中，满足铸钢件的温度在10min至20min时间范围之内冷却到200℃至300℃；

将铸钢件置于空气中自然冷却。

2.根据权利要求1所述的防止奥氏体不锈钢铸钢件开裂的热处理方法，其特征在于，所述步骤将待热处理铸钢件置于热处理炉中之前，所述热处理炉的温度为50℃至100℃时，将待热处理铸钢件放置于所述热处理炉中。

3.根据权利要求1所述的防止奥氏体不锈钢铸钢件开裂的热处理方法，其特征在于，所述步骤铸钢件在热处理炉中短时保温后出炉中，短时保温的时间为30min至60min。

4.根据权利要求1所述的防止奥氏体不锈钢铸钢件开裂的热处理方法，其特征在于，所述步骤采用水-空气的交替式冷却方式冷却铸钢件中，铸钢件整体温度满足大于900℃，将铸钢件置于水中冷却。

5.根据权利要求4所述的防止奥氏体不锈钢铸钢件开裂的热处理方法，其特征在于，所述步骤采用水-空气的交替式冷却方式冷却铸钢件中，水的温度范围为10℃至30℃。

6.根据权利要求5所述的防止奥氏体不锈钢铸钢件开裂的热处理方法，其特征在于，交替式冷却过程步骤还包括，当铸钢件的温度小于200℃后，停止交替式冷却，将铸钢件置于空气中自然冷却。

Images