CN114231700A - 一种9%Ni材料的热处理及冷冻处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，适用于制备大型压缩机转子部件或其它低温服役环境部件的9％Ni材料的处理，依次包括淬火处理，二次淬火，回火处理，冷冻处理及二次回火处理等处理过程。本发明提供的一种9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，可以避免在低温服役环境中残余奥氏体组织转变为马氏体组织，解决了9％Ni材料的部件在低温服役过程中因相变而引起的部件尺寸变化，避免了部件在低温服役环境中抱死或振动超标等工程事故的发生。

Description

一种9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法
技术领域
本发明属于材料热处理技术领域，特别涉及一种9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法。
背景技术
9％Ni材料常用于制备各种低温环境下服役的大型压缩机转子部件，该材料制备的转子部件经热处理工艺后，在低温工况环境中运行，由于在低温下使用时会出现显微组织中的残余奥氏体组织转变为马氏体组织，进而引起部件宏观尺寸变大而导致机组抱死、振动超标等故障。特别是对于9％Ni材料制备的较大尺寸的转子部件，由于制备大尺寸转子部件的9％Ni材料经常规热处理后，其组织中的残余奥氏体数量更多，会导致上述问题更为明显。
因此，目前亟需一种9％Ni材料的处理方法，使处理后的9％Ni材料用在大型压缩机转子部件上或其它任何低温服役环境的部件上后，不会出现低温服役过程中相变引起的部件尺寸变化，从而避免部件抱死或振动超标等工程事故的发生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以避免在低温服役环境中残余奥氏体组织转变为马氏体组织的9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，以解决9％Ni材料的部件在低温服役过程中因相变而引起的部件尺寸变化，避免部件在低温服役环境中抱死或振动超标等工程事故的发生。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，包括如下步骤：
淬火处理：加热至820℃+/-5℃，保温1-2小时后水冷；
二次淬火处理：加热至670℃+/-5℃，保温2-3小时后水冷；
回火处理：加热至590℃+/-5℃，保温2-4小时后空冷；
冷冻处理：冷冻温度为-60℃至-196℃℃，冷冻时间为0.5-1.5小时，然后恢复至室温；
二次回火处理：加热至520℃+/-5℃，保温3-4小时后空冷；
其中，所述淬火处理、二次淬火处理、回火处理及二次回火处理分别通过逐级升温方式使所述9％Ni材料加热到对应的温度。
进一步地，所述冷冻处理的冷冻温度是通过氮气进行控温实现。
进一步地，所述淬火处理加热至820℃+/-5℃的加热速度为80-100℃/小时。
进一步地，所述二次淬火处理加热至670℃+/-5℃的加热速度为70-90℃/小时。
进一步地，所述回火处理加热至590℃+/-5℃的加热速度为50-80℃/小时。
进一步地，所述二次回火处理加热至520℃+/-5℃的加热速度为50-80℃/小时。
进一步地，所述9％材料的化学成分及重量百分比为：C≤0.10％；Mn≤0.80％；P≤0.025％；S≤0.025％；Si：0.15-0.35％；Cu≤0.30％；Ni：8.5-9.5％；Cr≤0.30％；Fe：余量。
本发明提供的一种9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，针对的是低温工况用9％Ni材料制备的较大尺寸部件，如9％Ni材料制备的循环氮压缩机核心转子主轴和叶轮部件，或其它有低温服役环境要求的工件。由于在低温环境中9％Ni材料中的低温不稳定相残余奥氏体会转变为低温稳定的马氏体组织，造成9％Ni材料发生体积变化，因此，为了避免9％Ni材料制备的部件在低温环境中出现显微组织中的残余奥氏体组织转变为马氏体组织，本发明对9％Ni材料按照相应的温度和保温时间依次进行淬火处理、二次淬火处理及回火处理后，再对9％Ni材料在-60℃至-196℃℃的温度下冷冻处理0.5-1.5小时，提前使9％Ni材料中的低温不稳定相残余奥氏体转变为低温稳定的马氏体组织，使该材料制备的部件在低温工况服役过程中不再出现显微组织中的残余奥氏体组织转变为马氏体组织，从而避免该材料制备的部件在低温工况服役过程中由于显微组织转变引起部件宏观尺寸变化而造成的工程问题。
并且，本发明提供的一种9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，以9％Ni材料制备的部件的服役最低温度作为冷冻温度选定标准，但为了避免9％Ni材料制备的部件产生更大的内应力和变形,影响部件的使用寿命，将9％Ni材料的的冷冻处理温度控制在-60℃至-196℃℃，并冷冻处理0.5-1.5小时，保证9％Ni材料中不稳定态奥氏体的转化程度，使9％Ni材料制备的部件可以在更低温度工况下使用，解决了低温环境运行工况中机组无法正常运转的难题。
同时，本发明提供的一种9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，在对9％Ni材料进行冷冻处理后，再在520℃+/-5℃的较高温度下对9％Ni材料进行二次回火处理，使材料中形成一部分低温韧性和低温稳定性好的逆变奥氏体，使得由该9％Ni材料制备的部件的综合力学性能得以保证，以满足部件在其他性能上的要求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法的流程图。
具体实施方式
参见图1，本发明实施例提供的一种9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，包括如下步骤：
步骤1)淬火处理：以80-100℃/小时的加热速度将9％Ni材料加热至820℃+/-5℃，保温1-2小时后水冷；
步骤2)二次淬火处理：以70-90℃/小时的加热速度将9％Ni材料加热至670℃+/-5℃，保温2-3小时后水冷；
步骤3)回火处理：以50-80℃/小时的加热速度将9％Ni材料加热至590℃+/-5℃，保温2-4小时后空冷；
步骤4)冷冻处理：冷冻温度为-60℃至-196℃℃，冷冻时间为0.5-1.5小时，然后恢复至室温；
步骤5)二次回火处理：以50-80℃/小时的加热速度将9％Ni材料加热至520℃+/-5℃，保温3-4小时后空冷；
其中，所述冷冻处理的冷冻温度是通过氮气进行控温实现。
其中，所述9％材料的化学成分及重量百分比为：C≤0.10％；Mn≤0.80％；P≤0.025％；S≤0.025％；Si：0.15-0.35％；Cu≤0.30％；Ni：8.5-9.5％；Cr≤0.30％；Fe：余量。
本发明提供的一种9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，通过冷冻处理使材料中奥氏体的低温稳定性得到提高，解决了该材料制备的部件，尤其是大尺寸产品部件，在低温工况下使用所出现的显微组织转变而引起的部件宏观尺寸变化造成的破坏问题。同时通过后续较高温度二次回火处理使材料的综合力学性能得以保证。并通过控制冷冻温度在-60℃至-196℃范围，来实现不稳定态的残余奥氏体转化的程度，使9％Ni材料可以在更低温度工况下使用，解决了低温环境运行工况中机组无法正常运转的难题。
下面通过实施例对本发明提供的一种9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法做具体说明。
实施例1
将9％Ni材料的低温压缩机部件置于热处理炉及氮气中进行热处理及冷冻处理，依次包括淬火处理，二次淬火，回火处理，冷冻处理及二次回火处理。所述9％Ni材料的化学成分及重量百分比为：C≤0.10％；Mn≤0.80％；P≤0.025％；S≤0.025％；Si：0.15-0.35％；Cu≤0.30％；Ni：8.5-9.5％；Cr≤0.30％；Fe：余量。其中，
淬火处理：以80℃/小时的加热速度，使热处理炉内的温度升至815℃保温2小时后，水冷至室温。
二次淬火处理：以70℃/小时的加热速度，使热处理炉内的温度升至665℃，保温3小时后，水冷至室温。
回火处理：以50℃/小时的加热速度，使热处理炉内的温度升至585℃，保温4小时后，空冷至室温。
冷冻处理：通过氮气将冷冻温度控制为-60℃，冷冻1.5小时后恢复室温状态。
二次回火处理：以50℃/小时的加热速度，使热处理炉内的温度升至515℃保温4小时后，空冷至室温。
经测试热处理及冷冻处理后的9％Ni材料的低温压缩机部件的常温性能、低温冲击数据及低温韧性指标见表1-1及1-2所示。
表1-1实施例1热处理及冷冻处理后材料的常温机械性能数据
材质编号 RS/Mpa Rm/Mpa A％ Z％
9％Ni-1 578 765 29 77
表1-2实施例1热处理及冷冻处理后材料的低温冲击数据
Figure BDA0003375124200000061
由上述表可知，进行上述热处理及冷冻处理，得到的部件的屈服强度为578Mpa，同时具有优异的塑性；在-160℃低温下，经过-120℃冷冻处理后的9％Ni钢表现为100％的韧性断裂。
实施例2
将9％Ni材料的低温压缩机部件置于热处理炉及氮气中进行热处理及冷冻处理，依次包括淬火处理，二次淬火，回火处理，冷冻处理及二次回火处理。所述9％Ni材料的化学成分及重量百分比为：C≤0.10％；Mn≤0.80％；P≤0.025％；S≤0.025％；Si：0.15-0.35％；Cu≤0.30％；Ni：8.5-9.5％；Cr≤0.30％；Fe：余量。其中，
淬火处理：以90℃/小时的加热速度，使热处理炉内温度升至820℃，保温1.5小时后，水冷至室温。
二次淬火处理：以60℃/小时的加热速度，使炉内温度升至670℃，保温2.5小时后，水冷至室温。
回火处理：以75℃/小时的加热速度，使炉内温度升至590℃，保温3小时后，空冷至室温。
冷冻处理：通过氮气将冷冻温度控制为-140℃，冷冻1小时后恢复室温状态。
二次回火处理：以70℃/小时的加热速度，使热处理炉温度升至520℃，保温3.5小时后，空冷至室温。
经测试热处理及冷冻处理后的9％Ni材料的低温压缩机部件的常温性能、低温冲击数据及低温韧性指标见表2-1及2-2所示。
表2-1实施例2热处理及冷冻处理后材料的常温机械性能数据
材质编号 RS/Mpa Rm/Mpa A％ Z％
9％Ni-2 600 761 25 79
表2-2实施例2热处理及冷冻处理后材料的低温冲击数据
Figure BDA0003375124200000071
由上述表可知，进行上述热处理及冷冻处理后，得到的部件的屈服强度为600Mpa，同时具有优异的塑性；在-160℃低温下，经过-120℃冷冻处理后的9％Ni钢表现为大于95％的韧性断裂。
实施例3
将9％Ni材料的低温压缩机部件置于热处理炉及氮气中进行热处理及冷冻处理，依次包括淬火处理，二次淬火，回火处理，冷冻处理及二次回火处理。所述9％Ni材料的化学成分及重量百分比为：C≤0.10％；Mn≤0.80％；P≤0.025％；S≤0.025％；Si：0.15-0.35％；Cu≤0.30％；Ni：8.5-9.5％；Cr≤0.30％；Fe：余量。其中，
淬火处理：以100℃/小时的加热速度，使热处理炉内温度升至825℃，保温1小时后，水冷至室温。
二次淬火处理：以90℃/小时的加热速度，使热处理炉内温度升至675℃，保温2小时后，水冷至室温。
回火处理：以80℃/小时的加热速度，使热处理炉内温度升至595℃，保温,小时后，空冷至室温。
冷冻处理：通过氮气将冷冻温度控制为-160℃，冷冻0.5小时后恢复室温状态；
二次回火处理：以80℃/小时的加热速度，使热处理炉内温度升至525℃，保温3小时后，空冷至室温。
经测试热处理及冷冻处理后的9％Ni材料的低温压缩机部件的常温性能、低温冲击数据及低温韧性指标见表3-1及3-2所示。
表3-1实施例3热处理及冷冻处理后材料的常温机械性能数据
材质编号 RS/Mpa Rm/Mpa A％ Z％
9％Ni-3 591 759 24 75
表3-2实施例3热处理及冷冻处理后材料的低温冲击数据
Figure BDA0003375124200000081
由上述表可知，进行上述热处理及冷冻处理后，得到材料屈服强度为591Mpa，同时具有优异的塑性；在-160℃低温下，经过-120℃冷冻处理后的9％Ni钢表现为大于99％的韧性断裂。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，适用于制备大型压缩机转子部件或其它低温服役环境部件的9％Ni材料的处理，其特征在于，包括如下步骤：
淬火处理：加热至820℃+/-5℃，保温1-2小时后水冷；
二次淬火处理：加热至670℃+/-5℃，保温2-3小时后水冷；
回火处理：加热至590℃+/-5℃，保温2-4小时后空冷；
冷冻处理：冷冻温度为-60℃至-196℃℃，冷冻时间为0.5-1.5小时，然后恢复至室温；
二次回火处理：加热至520℃+/-5℃，保温3-4小时后空冷；
其中，所述淬火处理、二次淬火处理、回火处理及二次回火处理分别通过逐级升温方式使所述9％Ni材料加热到对应的温度。
2.根据权利要求1所述的9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，其特征在于：所述冷冻处理的冷冻温度是通过氮气进行控温实现。
3.根据权利要求1所述的9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，其特征在于，所述淬火处理加热至820℃+/-5℃的加热速度为80-100℃/小时。
4.根据权利要求1所述的9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，其特征在于，所述二次淬火处理加热至670℃+/-5℃的加热速度为70-90℃/小时。
5.根据权利要求1所述的9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，其特征在于，所述回火处理加热至590℃+/-5℃的加热速度为50-80℃/小时。
6.根据权利要求1所述的9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，其特征在于，所述二次回火处理加热至520℃+/-5℃的加热速度为50-80℃/小时。
7.根据权利要求1所述的9％Ni材料的热处理及冷冻处理方法，其特征在于：所述9％材料的化学成分及重量百分比为：C≤0.10％；Mn≤0.80％；P≤0.025％；S≤0.025％；Si：0.15-0.35％；Cu≤0.30％；Ni：8.5-9.5％；Cr≤0.30％；Fe：余量。
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