CN114517253A - 一种消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺 - Google Patents
一种消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114517253A CN114517253A CN202011310333.6A CN202011310333A CN114517253A CN 114517253 A CN114517253 A CN 114517253A CN 202011310333 A CN202011310333 A CN 202011310333A CN 114517253 A CN114517253 A CN 114517253A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- forging
- alloy steel
- temperature
- hot working
- eliminating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005242 forging Methods 0.000 title claims abstract description 126
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 63
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims abstract description 58
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 56
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 33
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000005496 tempering Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims abstract description 26
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 18
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 9
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 claims description 37
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 31
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 24
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 229910001563 bainite Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 238000005204 segregation Methods 0.000 claims description 10
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 claims description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 8
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 claims description 5
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 claims description 5
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000007670 refining Methods 0.000 claims description 3
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 2
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 4
- 230000002411 adverse Effects 0.000 abstract description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 18
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001085205 Prenanthella exigua Species 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000002224 dissection Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
- C21D8/005—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment of ferrous alloys
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
- C21D1/185—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering from an intercritical temperature
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/26—Methods of annealing
- C21D1/28—Normalising
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/005—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing rare earths, i.e. Sc, Y, Lanthanides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/46—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with vanadium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
- C21D2211/002—Bainite
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
- C21D2211/008—Martensite
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Forging (AREA)
- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Abstract
本发明属于钢铁材料热加工领域，特别是一种消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，适应于解决低合金钢大型锻件在热处理后因显微组织中含有粗大的块状组织引起冲击韧性偏低或严重波动的问题。该热加工工艺具体过程如下：(1)钢锭或坯料进行高温扩散后进行多道次锻造；(2)合理设计预备热处理，即在多道次锻造后，进行一道适当的退正火+回火处理；(3)控制由淬火+回火组成的质量热处理；(4)合理吊装出炉，并在空气中静置降温后，再入循环水中进行淬火，最后按照传统高温回火进行回火。本发明工艺可很大程度上消除块状组织对低温冲韧性的不利影响，大幅提高低合金钢大型锻件心部和次表面的综合性能。
Description
技术领域
本发明属于钢铁材料热加工领域，特别是一种消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺。
背景技术
大型锻件(一般重量在100吨以上)是国民经济建设与国防工业发展所必需的多种重大装备中的关键基础零部件，其生产能力与技术水平是衡量一个国家基础工业发展水平的重要标志之一。重型机械、电力、冶金、石油化工、船舰制造和原子能工业等都需要高品质的大型锻件。其中，低合金钢大型锻件占比在80％以上，如风电主轴、石化加氢容器、船舰曲轴和核电压力容器等。虽然我国已形成了较为完善的大型低合金锻件制造体系，满足了我国经济和国防建设用常规大型低合金锻件的基本需求，但对于一些关键领域用大型低合金锻件，由于力学性能不稳定、成品率低等原因，导致产品交货周期长或延误，甚至部分产品仍需进口，制约了我国相关产业的发展。
近年来，我国在高均质钢锭制备方面取得飞速的进展，最大钢锭已突破700吨。在锻件锻造能力方面，我国一重、二重和中信重工等企业通过技术改造，都已具备600t钢锭/400t锻件的制造能力，仅从锻造装备来讲，甚至优于国外。不过国内面临的主要问题是：调质热处理后锻件低温冲击韧性偏低或严重波动，它不仅降低了产品的合格率，也给评价锻件韧性带来困难。
近期，发明人所在团队与某重型企业合作中对某特厚核电SA508-3钢锻件实物解剖发现，锻件局部位置易出现一种新的组织；如图3(a)-(b)所示，该组织呈大块状，常与传统贝氏体或马氏体共存，金相上呈亮白色，扫描电镜下呈深灰色，通常称为“块状组织”。发明人在实验室条件下利用连续冷却和等温淬火冷却方式模拟，但均未发现核电SA508-3钢中出现块状组织，根据大型锻件的共同特点(如：成分偏析、晶粒粗大和应力等)，发明人开展了一系列动态热力模拟试验，发现了块状组织形成与低合金钢合金成分、晶粒尺寸、应力大小等密切相关，并明确了影响块状组织形成热加工关键因素，证实了块状组织是导致核电SA508-3钢锻件冲击韧性偏低或波动的原因之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，在不依靠调整低合金大型锻件合金成分和锻造工艺的条件下，尽量不增加或者少量增加生产成本的情况下，仅通过合理控制热加工工艺和工件吊装，即可消除低合金钢大型锻件中块状组织，进而达到不降低低合金钢大型锻件强度条件下，显著提高大型锻件心部或次表层低温冲击韧性及其稳定性的目的。
本发明的技术方案是：
一种消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，该热加工工艺包括以下步骤：
(1)钢锭或坯料进行高温扩散后进行两道次以上的锻造，以减轻或消除偏析；
(2)将低合金钢大型锻件在Ac3以上40～100℃范围内进行常规正火，大型锻件升温速率按不高于100℃/h进行，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长0.5～1h计算，保温结束后，吊装出炉空冷；
(3)低合金钢大型锻件经正火后，进行回火处理，以得到均匀、弥散分布的合金碳化物，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长1～2h计算，保温结束后，置于空气中或随炉缓冷至室温；
(4)回火处理后，将大型锻件缓慢加热升温，升温速率按不高于50℃/h进行，并在Ac1以下20～50℃设置一均温台阶，最终在略低于Ac3温度下进行临界区奥氏体化，以此形成少量的片状或针状铁素体，避免大块状铁素体的出现，并达到有效分割原奥氏体晶粒目的；锻件升温速率按照不高于80℃/h进行，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长0.5～1h计算；
(5)经临界区奥氏体化后，吊装出炉，并在空气中静置降温30～50℃后，再入水循环水中进行淬火，以此减轻淬火应力。
所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，将钢锭或坯料加热至1150～1250℃进行保温，保温时间在8h以上，且随钢锭或坯料等效截面尺寸每增加100mm保温时间延长不低于1h计算；经一道次锻造或两道次以上的不同方向锻造，以减轻或消除偏析。
所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，步骤(2)的正火热处理，主要起细化晶粒和均匀化组织作用，将晶粒尺寸控制在80μm以下；步骤(5)的临界区淬火热处理，大型锻件淬火喷水或搅拌均匀充分，避免引起局部位置淬火冷速过低或应力过大。
所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，步骤(2)的回火处理温度由热力学计算确定，目的是在低合金钢中得到弥散分布的富Cr/Mo合金碳化物，让组织中的合金碳化物弥散析出，一方面为后续步骤(3)临界区奥氏体化过程形核提供位置，以便形成片状和针状铁素体，有效分割原奥氏体晶粒，阻碍贝氏体板条铁素体的长大和聚合；另一方面为消除预备热处理时组织中内应力和遗传倾向。
所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，步骤(3)的回火处理合并到步骤(4)的加热过程中，即通过在步骤(4)的加热过程中设置均温台阶，均温台阶的时间为2～12h，以实现基体组织中析出弥散分布的富Cr/Mo合金碳化物的目的，促进后续奥氏体晶粒均匀、同步形核。
所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，步骤(4)的临界区奥氏体化温度略低于Ac3，温度在Ac3以下10～60℃范围内，以控制未转变铁素体含量在30vol.％以内，且铁素体以片状或针状形貌存在于奥氏体中，避免大块状铁素体的出现降低低合金钢大型锻件的强度。
所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，步骤(5)临界区奥氏体化后，吊装出炉时，合理使用吊装夹具使大型锻件吊装过程应力分布均匀，避免吊装引起拉应力集中。
所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，低合金钢化学成分主要包含：C≤0.50wt.％、Mn≤2.0wt.％、Cr≤2.5wt.％、Mo≤1.5wt.％、V≤0.3wt.％、Ni≤1.5wt.％以及微合金元素稀土RE、Nb、Ti、B之一种或两种以上，合金元素的质量分数总和不超过5wt.％，铁余量。
所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，块状组织在学界和行业界也常称“块状铁素体(Coalesced bainite)”、聚合贝氏体(Coalesced bainite)”或“凸型铁素体(raised ferrite)”。
本发明消除块状组织的主要思路和机理如下：
1.本发明工艺在步骤(1)和(2)进行了包括高温均匀扩散、多道次锻造+淬火的预备热处理工艺。其中，高温扩散和多道次锻造，以减少成分的偏析和晶粒的粗大或不均的问题，还可以减少化学成分均或晶粒不均锻件在后续加工过程微观应力分布和变形不均问题；另外，可以消除锻造过程由于变形引入的织构，增加贝氏体或马氏体晶体学变体的随机取向性，进而减少因贝氏体或马氏体板条聚合形成块状组织倾向。
2.而高温回火，以使得富Cr或富Mo等合金碳化物均匀弥散析出，这些富Cr或富Mo等合金碳化物在后续的临界区奥氏体化处理时，会成为奥氏体的形核核心，一方面可以使后续的未转变成奥氏体的铁素体以片状和针状形式存在，有效分割原奥氏体晶粒；另一方面还有助于消除淬火阶段相变产生的内应力和组织遗传性。基于上述原理，也可以将本发明工艺中步骤(3)的回火热处理合并到步骤(4)的加热过程中，即通过在步骤(4)的加热过程中设置保温台阶，实现得到均匀弥散分布的富Cr或富Mo等合金碳化物的目的。
3.本发明采用的临界区热处理，奥氏体化温度略低于Ac3，尽量控制未转变铁素体含量在5～15vol.％范围内，过低铁素体含量对原奥氏体晶粒分割效果有限，过高铁素体含量对室/高温强度均不利，保证显微组织中铁素体以片状和针状形貌形式存在，避免大块状铁素体形成；吊装出炉时，合理使用吊装夹具使大型锻件吊装过程应力分布均匀，尽量避免吊装引起应力集中(特别是拉应力)；出炉后在空气中静置降温30～50℃后，再入循环水进行淬火，以此减轻淬火过程热应力和相变应力。
4.由于本发明工艺不仅能消除块状组织，而且对细化原奥氏体晶粒、贝氏体组织和组织单元尺寸(如：M-A岛、碳化物等)均匀性等起到积极作用，从而不易由于粗大的块状组织、M-A岛等的出现引起变形条件下应力分布不均，导致冲击韧性偏低或严重的问题。
本发明的优点及有益效果是：
1、基于对现有技术的研究和工业实践，本发明提出了一种消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，即在不依靠改变低合金大型锻件合金成分条件下，通过调整低合金钢大型锻件在热加工过程温度-应力场及其显微组织的演变历史，实现消除低合金钢大型锻件中块状组织，达到提升低合金钢大型锻件低温冲击韧性及其稳定性的目的。
2、本发明消除低合金钢大型锻件中块状组织(也称聚合贝氏体、块状/凸型铁素体)的热加工工艺，适应于解决低合金钢大型锻件在热处理后因显微组织中含有粗大的块状组织引起冲击韧性偏低或严重波动的问题。
3、本发明工艺可很大程度上消除块状组织对低温冲韧性的不利影响，大幅提高低合金钢大型锻件心部和次表面的综合性能。
附图说明
图1：传统工艺石化加氢大型锻件显微组织的金相(a)和SEM像(b)。
图2：新发明工艺石化加氢大型锻件显微组织的金相(a)和SEM像(b)。
图3：某核电大型锻件中出现的“块状组织”金相(a)和SEM像(b)。
图4：新发明工艺核电大型锻件显微组织的金相(a)和SEM像(b)。
具体实施方式：
在具体实施过程中，某重型企业生产某大尺寸(厚截面尺寸超过350mm)低合金CrMoV钢石化加氢用锻件的局部位置(通常为锻件的心部或次表层)出现一种块状组织，该组织经硝酸酒精刻蚀后，在光学显微镜下呈随机分布，形状不规则的白亮块状组织，见图1(a)；在扫描电镜下观察，块状组织呈深灰色，无明显的板条亚结构，且内部含有较少的碳化物，见图1(b)。力学性能测试结果表面，在含有一定块状组织的位置取样，虽材料室/高温强度满足要求，但低温冲击常出现偏低或波动现象，具体结果如表1所示。
本发明旨在通过高温扩散和多道次锻造，以减少成分的偏析和晶粒的粗大或不均的问题，减少化学成分均或晶粒不均造成锻件在后续加工过程微观应力分布和变形不均问题；同时可以减轻锻造过程由于变形引入的织构，增加贝氏体或马氏体晶体学变体的随机取向性，进而减少因贝氏体或马氏体板条聚合形成块状组织倾向；通过调节热处理工艺，在奥氏体晶粒中构筑片状或针状铁素体，有效分割原奥氏体晶粒和减小淬火相变应力；合理控制淬火锻件工装过程，减少甚至消除大型锻件中块状组织，进而达到不降低低合金钢大型锻件强度条件下，显著提高大型锻件心部或次表层低温冲击韧性及其稳定性的目的。
本发明消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，包括如下步骤：
(1)钢锭或坯料进行高温扩散后进行多道次锻造以减轻或消除偏析；(2)合理设计预备热处理，即在多道次锻造后，进行一道适当的退正火+回火处理，将原奥氏体晶粒控制在50μm以内，并获得均匀弥散分布的合金碳化物，以此来促进后续质量热处理时奥氏体过程中晶粒均匀、同步形核。此外，也可消除锻造应力以及组织遗传；(3)控制由淬火+回火组成的质量热处理，淬火加热阶段的升温速率不高于100℃/h，并在Ac1以下20～50℃设置保温台阶，最终在略低于Ac3温度下进行临界区奥氏体化，以此形成少量的片状或针状铁素体，避免大块状铁素体的出现，达到有效分割原奥氏体晶粒效果，减少贝氏体铁素体板条长大和聚合倾向；(4)合理吊装出炉，并在空气中静置降温30～50℃后，再入循环水中进行淬火，以此减轻淬火应力，最后按照传统高温回火进行回火。
实施例1
下面，本实施例为某企业制造石化加氢用低合金2.25Cr1Mo0.25V钢大型锻件，其重量为200余吨，具体的实施工艺如下：
(1)首先对钢锭取样进行化学成分分析，测试结果为：0.17C(质量百分比，下同)、2.48Cr、1.05Mo、0.27V、0.08Si、0.09Ni、0.005S、0.005P、Fe余量，结果满足相关标准对2.25Cr1Mo0.25V钢化学成分要求，且属于本发明适用范围。在轧制厚板上取
的圆棒，使用热膨胀方法测得材料的Ac3、Ac1分别为890℃和782℃。将钢锭在1200℃保温28h进行高温扩散以减轻或消除偏析，采用多道次镦拔工艺(终锻温度为850℃)，使其锻造后大型锻件晶粒均匀，无明显变形织构，且晶粒大小控制在30μm左右；
(2)将大型锻件在960℃进行传统正火，锻件升温速率按照50℃/h进行，保温时间按照16h计算，保温结束后，吊装出炉并采用空冷的方式冷却；
(3)低合金钢大型锻件经正火后，以30℃/h升温至700℃进行高温回火处理，以得到均匀、弥散分布的M7C3和M23C6合金碳化物，保温时间为16h，保温结束后，置于空气中冷却至室温；
(4)高温回火处理后，将大型锻件以30℃/h缓慢加热升温，并在720℃设置均温台阶(均温台阶的时间为12h)，最终在略低于Ac3温度下的870℃进行临界区奥氏体化14h，以形成少量的片状或针状铁素体，避免大块状铁素体的出现，控制未转变铁素体含量在5vol.％左右，并达到有效分割原奥氏体晶粒目的。
(5)经870℃临界区奥氏体化后，合理吊装出炉，并在空气中静置30min左右使大型锻件表面温度降至约840℃后，入循环水中进行淬火冷却至室温，再经过700℃的传统高温回火处理，高温回火保温时间为14h。
经上述热加工后，石化加氢大型锻件某位置1(距大型锻件外表面100mm处的次表面位置)显微组织见图2。可见，其显微组织为典型的贝氏体和马氏体组成的混合组织，无块状组织出现。力学性能测试结果表明(见表1)，新发明工艺在保证材料的强度基本不变的前提下，-30℃平均冲击韧性及其稳定性得到大幅提高。
表1某石化加氢用大型锻件力学性能
实施例2
本实施例为某企业制造核电用低合金SA508-3钢锻件，其重量为300余吨，且锻件形状较为复杂，具体的实施工艺如下：
(1)首先对钢锭取样进行化学成分分析，测试结果为：0.21C(质量百分比，下同)、0.22Cr、0.50Mo、1.44Mn、0.25Si、0.96Ni、0.006S、0.004P、Fe余量，结果满足相关标准对核电SA508-3钢化学成分要求，且属于本发明适用范围。对钢锭取
的圆棒试样，使用热膨胀方法测得材料的Ac3、Ac1分别为818℃和730℃。将钢锭在1180℃保温20h进行高温扩散以减轻或消除偏析，采用多道次镦拔工艺(终锻温度为900℃左右)，使其锻造后大型锻件晶粒均匀，无明显变形织构；
(2)将大型核电锻件在910℃进行常规正火，锻件升温速率按照50℃/h进行，保温时间按照16h计算，保温结束后，吊装出炉并采用空冷的方式冷却至室温，将晶粒大小控制在25μm左右；
(3)大型核电锻件经正火后，以30℃/h升温至680℃进行高温回火处理，以得到均匀、弥散分布的M3C合金碳化物，保温时间为8h，保温结束后，置于空气中冷却至室温；
(4)高温回火处理后，将大型锻件以30℃/h缓慢加热升温，并在690℃设置均温台阶(均温台阶的时间为12h)，最终在略低于Ac3温度下的800℃进行临界区奥氏体化10h，以形成少量的片状或针状铁素体，其未转变铁素体含量在7vol.％左右。
(5)经800℃临界区奥氏体化后，合理吊装出炉，并在空气中静置20min左右使大型锻件表面温度降至约760℃后，入循环水中进行淬火冷却至室温，再经过640℃的传统高温回火处理，高温回火保温时间为12h。
经上述热加工后，石化加氢大型锻件某位置1(距大型锻件外表面100mm处的次表面位置)显微组织见图4。可见，其显微组织为典型的贝氏体和马氏体组成的混合组织，无块状组织出现。
实施例结果表明，本发明的热加工工艺可以很大程度消除块状组织对力学性能带来的不利影响，大幅提高低合金钢大型锻件心部和次表层的强韧性。块状组织在学界和行业界也常称“块状铁素体(Coalesced bainite)”、聚合贝氏体(Coalesced bainite)”或“凸型铁素体(raised ferrite)”，本发明工艺对消除该类组织均起到明显的作用，均在该工艺的保护范围内。
值得强调的是，对本领域的技术人员来说，可以根据上述技术方案与构想，结合实际做出相应的改变，而所有的改变都应该属于本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，其特征在于，该热加工工艺包括以下步骤：
(1)钢锭或坯料进行高温扩散后进行两道次以上的锻造，以减轻或消除偏析；
(2)将低合金钢大型锻件在Ac3以上40～100℃范围内进行常规正火，大型锻件升温速率按不高于100℃/h进行，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长0.5～1h计算，保温结束后，吊装出炉空冷；
(3)低合金钢大型锻件经正火后，进行回火处理，以得到均匀、弥散分布的合金碳化物，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长1～2h计算，保温结束后，置于空气中或随炉缓冷至室温；
(4)回火处理后，将大型锻件缓慢加热升温，升温速率按不高于50℃/h进行，并在Ac1以下20～50℃设置一均温台阶，最终在略低于Ac3温度下进行临界区奥氏体化，以此形成少量的片状或针状铁素体，避免大块状铁素体的出现，并达到有效分割原奥氏体晶粒目的；锻件升温速率按照不高于80℃/h进行，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长0.5～1h计算；
(5)经临界区奥氏体化后，吊装出炉，并在空气中静置降温30～50℃后，再入水循环水中进行淬火，以此减轻淬火应力。
2.按照权利要求1所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，其特征在于，将钢锭或坯料加热至1150～1250℃进行保温，保温时间在8h以上，且随钢锭或坯料等效截面尺寸每增加100mm保温时间延长不低于1h计算；经一道次锻造或两道次以上的不同方向锻造，以减轻或消除偏析。
3.按照权利要求1所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，其特征在于，步骤(2)的正火热处理，主要起细化晶粒和均匀化组织作用，将晶粒尺寸控制在80μm以下；步骤(5)的临界区淬火热处理，大型锻件淬火喷水或搅拌均匀充分，避免引起局部位置淬火冷速过低或应力过大。
4.按照权利要求1所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，其特征在于，步骤(2)的回火处理温度由热力学计算确定，目的是在低合金钢中得到弥散分布的富Cr/Mo合金碳化物，让组织中的合金碳化物弥散析出，一方面为后续步骤(3)临界区奥氏体化过程形核提供位置，以便形成片状和针状铁素体，有效分割原奥氏体晶粒，阻碍贝氏体板条铁素体的长大和聚合；另一方面为消除预备热处理时组织中内应力和遗传倾向。
5.按照权利要求1所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，其特征在于，步骤(3)的回火处理合并到步骤(4)的加热过程中，即通过在步骤(4)的加热过程中设置均温台阶，均温台阶的时间为2～12h，以实现基体组织中析出弥散分布的富Cr/Mo合金碳化物的目的，促进后续奥氏体晶粒均匀、同步形核。
6.按照权利要求1所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，其特征在于，步骤(4)的临界区奥氏体化温度略低于Ac3，温度在Ac3以下10～60℃范围内，以控制未转变铁素体含量在30vol.％以内，且铁素体以片状或针状形貌存在于奥氏体中，避免大块状铁素体的出现降低低合金钢大型锻件的强度。
7.按照权利要求1所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，其特征在于，步骤(5)临界区奥氏体化后，吊装出炉时，合理使用吊装夹具使大型锻件吊装过程应力分布均匀，避免吊装引起拉应力集中。
8.按照权利要求1所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，其特征在于，低合金钢化学成分主要包含：C≤0.50wt.％、Mn≤2.0wt.％、Cr≤2.5wt.％、Mo≤1.5wt.％、V≤0.3wt.％、Ni≤1.5wt.％以及微合金元素稀土RE、Nb、Ti、B之一种或两种以上，合金元素的质量分数总和不超过5wt.％，铁余量。
9.按照权利要求1所述的消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺，其特征在于，块状组织在学界和行业界也常称“块状铁素体(Coalesced bainite)”、聚合贝氏体(Coalesced bainite)”或“凸型铁素体(raised ferrite)”。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011310333.6A CN114517253A (zh) | 2020-11-20 | 2020-11-20 | 一种消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011310333.6A CN114517253A (zh) | 2020-11-20 | 2020-11-20 | 一种消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114517253A true CN114517253A (zh) | 2022-05-20 |
Family
ID=81594786
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011310333.6A Pending CN114517253A (zh) | 2020-11-20 | 2020-11-20 | 一种消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114517253A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103290192A (zh) * | 2013-06-27 | 2013-09-11 | 洛阳中创重型机械有限公司 | 一种压力容器拼焊式超大型管板锻件的热处理工艺 |
| CN103789686A (zh) * | 2014-02-27 | 2014-05-14 | 中国科学院金属研究所 | 一种消除加氢反应器用钢混晶、粗晶组织的热处理工艺 |
| CN104164548A (zh) * | 2014-06-19 | 2014-11-26 | 中国科学院金属研究所 | 一种厚大断面低碳低合金钢铸锻件的热处理工艺 |
| CN109207693A (zh) * | 2017-07-04 | 2019-01-15 | 中国科学院金属研究所 | 一种提高调质态低合金粒状贝氏体钢冲击韧性的方法 |
-
2020
- 2020-11-20 CN CN202011310333.6A patent/CN114517253A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103290192A (zh) * | 2013-06-27 | 2013-09-11 | 洛阳中创重型机械有限公司 | 一种压力容器拼焊式超大型管板锻件的热处理工艺 |
| CN103789686A (zh) * | 2014-02-27 | 2014-05-14 | 中国科学院金属研究所 | 一种消除加氢反应器用钢混晶、粗晶组织的热处理工艺 |
| CN104164548A (zh) * | 2014-06-19 | 2014-11-26 | 中国科学院金属研究所 | 一种厚大断面低碳低合金钢铸锻件的热处理工艺 |
| CN109207693A (zh) * | 2017-07-04 | 2019-01-15 | 中国科学院金属研究所 | 一种提高调质态低合金粒状贝氏体钢冲击韧性的方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 蒋中华: ""厚壁低合金钢锻件冲击功波动机制及控制方法研究"", 《中国博士学位论文全文数据库（电子期刊） 工程科技I辑》, pages 022 - 76 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112981235B (zh) | 一种屈服强度420MPa级的调质型建筑结构用钢板及其生产方法 | |
| CN102134681B (zh) | 一种锯片基体用钢及其制造方法 | |
| CN103789686B (zh) | 一种消除加氢反应器用钢混晶、粗晶组织的热处理工艺 | |
| CN109852880A (zh) | 一种高热强性热作模具钢及其制造方法 | |
| CN103409699B (zh) | 超高强度超高低温冲击压裂泵阀箱体钢锻件及其制造方法 | |
| CN106811580A (zh) | 一种h13热作模具钢的球化退火工艺 | |
| CN105506249A (zh) | 一种高氮耐蚀塑料模具钢的热处理方法 | |
| CN107287500A (zh) | 一种压水堆核电站安注箱基板用钢及其制造方法 | |
| CN104120341A (zh) | 一种轧制极薄材料的Cr5型锻钢工作辊及其制备方法 | |
| CN112359274A (zh) | 一种高强度风电锚栓用圆钢及其制造方法 | |
| CN109706296A (zh) | 消除af1410钢锻件组织混晶的方法 | |
| CN105925895B (zh) | 抗应变时效脆化与消除残余应力退火脆化特厚600MPa级调质钢板及其制造方法 | |
| CN108085591A (zh) | 一种具有低焊接裂纹敏感性能的钢板htnm400及其生产方法 | |
| CN103789520B (zh) | 匀速冷却介质及其在锻后控制冷却过程中的应用 | |
| CN109694983A (zh) | 一种高镜面耐腐蚀塑料模具钢及其制造方法 | |
| CN103045958A (zh) | 一种高强度-50℃低温用钢板及其制备方法 | |
| CN101165195B (zh) | 一种细化船用曲轴用钢显微组织的方法 | |
| CN1091164C (zh) | 一种微合金化塑料模具钢的制造方法 | |
| CN109837367B (zh) | 细化低碳低合金钢粒状贝氏体组织中m-a岛的热处理工艺 | |
| CN115074492B (zh) | 一种提升热作模具钢热疲劳性能的热处理工艺 | |
| CN114517253A (zh) | 一种消除低合金钢大型锻件中块状组织的热加工工艺 | |
| CN116702526A (zh) | 一种可提高力学性能且降低阻力的高速翻转犁栅条的建模及制造方法 | |
| CN113604639B (zh) | 一种改善相变型铁素体不锈钢表面起皱的热处理方法 | |
| CN112080621B (zh) | 一种管模材料及其锻后热处理方法 | |
| CN110396646B (zh) | 一种低碳高强船板钢的屈强比调控和评估方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |