CN1900346A - 一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺 - Google Patents

一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺 Download PDF

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Abstract

一种耐热钢的热处理、锻造和氮化工艺,所述耐热钢为1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN;其热处理工艺参数为:固熔温度范围是1050~1150℃,固熔时间为0.5~2小时,回火温度为630~720℃;回火时间为3~12小时;其锻造工艺参数为:加热温度950~1180℃,变形程度5~70%;其氮化工艺为:渗氮温度560~650℃,渗氮保温时间20~70小时,氨分解率为30%~90%。本发明所述热处理、锻造、氮化工艺,操作简便、效果良好、填补了现有技术的空白,达到了预期的要求,具有潜在的巨大价值。

Description

一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺
技术领域:
本发明涉及材料科学,特别提供了一种耐热钢(1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN)的热处理、锻造、氮化工艺。
背景技术:
1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN是含5%Co、16%Cr的马氏体热强不锈钢。5%Co的加入减少了由于加入Ni导致钢AC1点和Ms点下降的趋势,保证了钢的热强性;W、Mo、C、N等固溶强化元素和V、Nb等沉淀强化元素的加入显著提高了钢的综合热强性能;16%Cr的加入使钢的抗氧化和抗热腐蚀性能大幅度提高。由于多元复合强化作用的结果,该钢具有较高的综合强度、抗氧化性能和耐腐性,最高使用温度为650℃。主要用在650℃以上全天候条件下工作的燃气涡轮发动机压气机高承力零件、发动机紧固件及其它零件。作为一种新材料,1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN材料处理技术尚处在探索阶段,人们期待一种耐热钢(1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN)的热处理、锻造、氮化工艺。
发明内容:
本发明的目的是提供一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺。
本发明一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺,其特征在于:其特征在于:所述耐热钢为1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN;
其热处理工艺参数为:固溶温度范围是1050~1150℃,固溶时间为0.5~2小时,回火温度为630~720℃;回火时间为3~12小时;
其锻造工艺参数为:加热温度950~1180℃,变形程度5~70%;
其氮化工艺为:渗氮温度560~650℃,渗氮保温时间20~70小时,氨分解率为30%~90%。
本发明所述一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺,其特征在于:渗氮层深度为0.30~0.40mm。
本发明所述一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺,其特征在于:所述材料的热处理工艺参数优选范围是:固溶温度为1075~1125℃,固溶时间为60~100分钟,回火温度为660~700℃;回火时间为3~5小时。
本发明所述一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺,其特征在于:所述材料的锻造工艺参数优选范围是:加热温度1120~1160℃,变形程度40%~60%;
本发明所述一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺,其特征在于:所述材料的氮化工艺优选范围是:渗氮温度620~640℃,渗氮保温时间55~58小时,氨分解率为50%~80%。
本发明所述一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺,其特征在于:锻件锻后性能为抗拉强度σb≥1080MPa,屈服强度σ0.2≥835MPa,延伸率6≥12.0%,面缩率ψ≥45%,冲击功Ak≥47焦耳;布氏硬度HB(d)=3.2~3.55mm。
本发明对耐热钢(1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN)的锻造工艺、热处理工艺及氮化工艺与组织和性能的关系进行了研究。通过不同固溶温度、固溶时间、回火温度、回火时间等因素对合金组织性能影响的研究,找出了该合金合适的热处理工艺参数;通过不同加热温度、不同变形程度等因素对合金组织、性能影响的研究,确定出较佳的合金锻造工艺参数;通过对不同的渗氮温度、渗氮保温时间等因素对合金组织性能影响的研究,确定了该合金合适的氮化工艺制度。在确定了该合金的处理工艺之后,按此工艺生产出合格的典型件。
本发明提供了一种耐热钢(1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN)的热处理、锻造、氮化工艺,操作简便、效果良好、填补了现有技术的空白,达到了预期的要求,具有潜在的巨大价值。
附图说明:
图1渗氮硬度梯度曲线;
图2固溶温度对室温冲击韧性的影响;
图3固溶温度对室温拉伸性能的影响;
图4固溶时间对室温冲击韧性的影响;
图5固溶时间对室温拉伸性能的影响;
图6回火温度对室温冲击韧性的影响;
图7回火温度对室温拉伸性能的影响;
图8回火时间对室温冲击韧性的影响;
图9回火时间对室温拉伸性能的影响;
图10 950℃条件下锻造的室温冲击;
图11 1000℃条件下锻造的室温冲击;
图12 1100℃条件下锻造的室温冲击;
图13 1120℃条件下锻造的室温冲击;
图14 1140℃条件下锻造的室温冲击;
图15 1160℃条件下锻造的室温冲击;
图16 950℃条件下锻造的室温拉伸;
图17 1000℃条件下锻造的室温拉伸;
图18 1100℃条件下锻造的室温拉伸;
图19 1120℃条件下锻造的室温拉伸;
图20 1140℃条件下锻造的室温拉伸;
图21 1160℃条件下锻造的室温拉伸
图22 1120℃条件下锻造对450℃拉伸性能的影响;
图23 1140℃条件下锻造对450℃拉伸性能的影响;
图24 1160℃条件下锻造对450℃拉伸性能的影响;
图25 1120℃条件下锻造对450℃持久的影响;
图26 1140℃条件下锻造对450℃持久的影响;
图27 1160℃条件下锻造对450℃持久的影响。
具体实施方式:
在本实施例中主要使用以下设备:
25000KN热模锻压力机、2T自由锻锤、2T模锻锤、RX3-45-12型45KW高温炉、RX3-30-0型30KW中温炉、RX-5-12型5KW高温试验炉、RX-4-10型4KW中温试验炉、ZDM-ST机械式拉力试验机、RCL-3型蠕变持久试验机、HB-3000型布氏硬度计、Axiovert 405M光学显微镜、SEM KYKY-2800扫描电镜、35KW氮化炉。
表1试验用原材料状况(购自市售产品)
  序号   规格   冶炼工艺   检测结果
  1   Φ17   真空感应+电渣重熔   合格
  2   Φ50   真空感应+电渣重熔   合格
  3   Φ70   真空感应+电渣重熔   合格
  4   Φ16   真空感应+电渣重熔   合格
一、热处理工艺过程:
试验用原材料:直径17mm的1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN合金棒材。
试验方案:
下面列出不同条件下合金室温冲击韧性和室温拉伸性能的具体情况,具体工艺参数如表2所示:
表2热处理工艺试验方案
  热处理参数(固溶温度×固溶时间,油冷;回火温度×回火时间,空冷)
  固溶温度   1050℃×60min,油冷;680℃×3h,空冷
  1075℃×60min,油冷;680℃×3h,空冷
  1100℃×60min,油冷;680℃×3h,空冷
  1125℃×60min,油冷;680℃×3h,空冷
  1150℃×60min,油冷;680℃×3h,空冷
固溶时间   1100℃×40min,油冷;680℃×3h,空冷
  1100℃×60min,油冷;680℃×3h,空冷
  1100℃×90min,油冷;680℃×3h,空冷
  1100℃×120min,油冷;680℃×3h,空冷
  回火温度   1100℃×60min,油冷;630℃×3h,空冷
  1100℃×60min,油冷;650℃×3h,空冷
  1100℃×60min,油冷;660℃×3h,空冷
  1100℃×60min,油冷;670℃×3h,空冷
  1100℃×60min,油冷;680℃×3h,空冷
  1100℃×60min,油冷;690℃×3h,空冷
  1100℃×60min,油冷;700℃×3h,空冷
  回火时间   1100℃×60min,油冷;680℃×3h,空冷
  1100℃×60min,油冷;680℃×6h,空冷
  1100℃×60min,油冷;680℃×12h,空冷
不同的热处理工艺参数对
Figure A20051004689200091
合金组织和力学性能的影响
(1)固溶温度对合金室温冲击韧性、室温拉伸性能和组织的影响
参照图2可知,随固溶温度的升高,合金的室温冲击韧性降低;参照图3可知,合金室温拉伸强度略有增加,拉伸塑性变化不大。
不同固溶温度下合金的显微组织状况:随固溶温度的升高,原奥氏体晶粒度逐渐增加,并且铁素体尺寸也有所增加,合金冲击韧性降低。合金冲击断口形貌亦显示随固溶温度升高韧窝减少。但是由于随着固溶温度的升高,合金中合金元素的固溶度会随之增加,从而使得合金的拉伸强度略有升高。
(2)固溶时间对合金室温冲击韧性、室温拉伸性能和组织的影响
参照图4、5可知,固溶时间对合金的室温冲击韧性和合金的室温拉伸性能的影响都不大。显微组织观察状况显示:由于合金中存在大量弥散分布的碳化物颗粒,在奥氏体化过程中会阻碍晶粒的长大,因此随固溶时间的增加,原奥氏体晶粒尺寸增加不明显,合金室温冲击韧性和室温拉伸性能变化不大。
(3)回火温度对合金室温冲击韧性、室温拉伸性能和组织的影响
参照图6、7可知,随回火温度的升高,合金的室温冲击韧性增加,合金室温拉伸强度略有降低,拉伸塑性变化不大。
不同回火温度下合金的显微组织状况:随着回火温度的升高,合金中碳化物析出略有增加,回火马氏体中合金元素过饱和度降低,合金的室温冲击韧性增加而拉伸强度降低。室温冲击试样断口形貌亦显示随回火温度升高韧窝增加。
(4)回火时间对合金室温冲击韧性、室温拉伸性能和组织的影响
参照图8、9可知,回火时间对合金的室温冲击韧性性能和合金的室温拉伸性能的影响都不大。显微组织观察显示,随回火时间增加,合金中碳化物尺寸变化不大,合金显微组织变化不明显。
综上所述,以上结果说明该合金性能对热处理工艺参数的变化不敏感,反映出该合金具有良好的工艺适应性。为了保持强度和韧性的良好配合,该合金的热处理工艺参数为:淬火:1050~1110℃(优选1090~1110℃),保温时间:60~120min,油冷;回火:660~700℃,保温时间3~6h,空冷。
二、锻造工艺过程:
试验用原材料:直径50mm的1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN合金棒材。
试验方案:
切取直径50mm,长度70mm±1mm的试棒在不同的加热温度下,压成不同高度的扁材试样,即经过不同的变形程度。
压扁并经固溶温度1100℃、固溶时间90min、油冷、回火温度680℃、回火时间3h、空冷的热处理。然后对扁材的室温拉伸、室温冲击及部分高温拉伸、持久性能进行测试,并与有关标准进行分析对比。具体方案见表3。
                  表3试棒压扁测试方案
(加热规范:锻造加热温度×保温时间;
注:每组试样在炉温到温后装炉,当炉温再次到温时,计时保温。)
  加热规范   950℃×25min   1000℃×25min   1050℃×25min
  最终高度(mm)   47.5   45   42.5   45   40   30   45   40   30
  变形程度(%)   5   10   15   10   20   40   10   20   40
  加热规范   1100℃×25min   1120℃×25min
  最终高度(mm)   40   35   30   25   20   15   40   35   30   25   20   15
  变形程度(%)   20   30   40   50   60   70   20   30   40   50   60   70
  加热规范   1140℃×25min   1160℃×25min
  最终高度(mm)   40   35   30   25   20   15   40   35   30   25   20   15
  变形程度(%)   20   30   40   50   60   70   20   30   40   50   60   70
锻造工艺参数对室温冲击韧性、室温拉伸性能和组织的影响:
(1)锻造工艺参数对合金显微组织的影响
不同锻造温度下,合金经过相同的锻后热处理,其变形量对合金显微组织的影响不十分明显但是还有所区别:
在同一锻造温度下随着变形量的增加,锻造过程中合金中储存的变形能增加,发生动态再结晶时形核率增加,晶粒细化,经过热处理后,合金组织中原奥氏体晶粒尺寸有所降低。变形量对合金组织的影响还体现在对一次碳化物NbC尺寸的影响上:随变形量增加,一次碳化物NbC破碎程度增加,尺寸减小,有利于在固溶处理过程中溶入合金基体,因此热处理后一次碳化物NbC的数量和尺寸随变形量的增加而降低。
锻造温度对合金组织的影响:在较高温度下锻造有利于锻造过程中动态再结晶的发生,从而降低变形抗力。
(2)锻造工艺参数对合金室温冲击韧性的影响
参照图10~15可知,除了在大约1000℃锻造时变形量对室温冲击韧性影响不明显外,在1100℃以下的其余锻造温度下变形量对室温冲击韧性影响都很显著,且冲击韧性值处于较低水平;当在1120℃以上温度锻造时,室温冲击韧性值均处于较高水平,并且随变形量的增加,室温冲击韧性逐渐增加,在40~60%变形量下冲击韧性值达到峰值。
不同变形量下锻造温度对合金室温冲击韧性的影响:不同锻造变形量下,950~1180℃锻造时合金室温冲击韧性较好,1120~1160℃锻造时合金室温冲击韧性最高。
(3)锻造工艺参数对室温拉伸性能的影响
参照图16~21可知,不同锻造温度下,变形量对合金室温拉伸强度和塑性的影响不明显;同时,锻造温度对室温拉伸强度和塑性的影响亦不明显。
(4)锻造工艺参数对450℃拉伸性能的影响
参照图22~24可知,不同锻造温度下,变形量对合金450℃拉伸强度和塑性的影响不明显,不同变形量下锻造温度对450℃拉伸强度和塑性的影响亦不明显。
(5)锻造工艺参数对持久性能的影响
参照图25~27可知,试验温度450℃,试验应力740MPa。表中的持久时间、伸长率、断面收缩率均为试验持续时间等于100h时增加20MPa应力继续试验,之后每隔12h增加20MPa应力直到试样断裂所得。
变形量的变化对合金的持久寿命影响不大;同时,锻造温度对合金持久寿命的影响亦不明显。
总之,锻造工艺参数对合金的室温冲击韧性有影响,在950~1180℃锻造温度下,该合金变形量为5~70%;其中,优选的参数范围是:在1120-1160℃锻造温度、40-60%变形量。锻造工艺参数对合金室温和450℃拉伸性能影响不大,锻造工艺参数对合金持久寿命的影响亦不明显,说明锻造工艺参数的变化对
Figure A20051004689200131
合金的力学性能影响不大,该合金具有很好的锻造工艺参数变化容限。
三、氮化处理工艺过程:
试验用原材料:1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN合金棒材。
试验方案:
选择不同的渗氮温度、保温时间,具体方案见表4。
表4氮化工艺方案
  序号   渗氮温度℃   保温时间h  扩散时间h   催化剂
  1   580   30   43  4   NH4Cl
  2   600   45   50   55   57  4   NH4Cl
  3   640   57  4   NH4Cl
  4   630   57  4   NH4Cl
在渗氮过程中,主要的工艺参数为温度、时间和氨分解率,这几个因素对渗氮质量起着决定作用:
(1)对于方案1、2分别进行了试验,工艺参数及结果见表5和表6。
表5方案1试验结果
  序号   渗氮温度℃   保温时间h   氨分解率%   渗氮层深度mm   表面硬度HR15N   中心硬度HRC   脆性
  1   580   30+4   30~70   0.21~0.23   91.5~92   34~36   I#
  2   580   43+4   30~70   0.23~0.25   93~94   34~36   I#
表6方案2试验结果
  序号   渗氮温度℃   保温时间h   氨分解率%   渗氮层深度mm   表面硬度HR15N   中心硬度HRC   脆性
  1   600   45+4   50~80   0.30   89~91.5   34~35   I#
  2   600   50+4   50~80   0.31   91~93   34~35   I#
  3   600   57+4   50~80   0.27   89   32~33   I#
  4   600   55+4   50~80   0.22   因深度未达设计要求,其它未检
从表中结果可见,580℃、600℃温度下渗氮,虽然表面硬度、中心硬度、脆性等指标均合格,但渗氮层深度多数偏低,即使加长保温时间,其深度也在下限,不能满足较严格的设计及工艺要求。
表7方案3试验结果
  序号   渗氮温度℃   保温时间h   氨分解率%   渗氮层深度mm   表面硬度HR15N   中心硬度HRC 脆性
  1   640   57   50~80   0.42   91.5~92   34~35   I#
  2   640   57   50~80   0.38   88~89   29~31   I#
(2)对于方案3进行了试验,具体工艺参数及结果见表7。从表7中可以看出,通过提高渗氮温度可加深该材料的渗氮层深度。
(3)通过对前3个方案的总结,并结合渗氮的相应规律,可以制定出方案4,参数及结果见表8。
表8方案4试验结果
工艺参数   炉次   渗氮层深度mm(平均值)   表面硬度HR15N 中心硬度HRC   脆性
620~640℃,保温50~60h,扩散3~5h,氨分解率50~80 1   0.31~0.34   92~94.5   37~38.5   I#
  0.34~0.36   90~93   37~38   I#
2   0.30~0.32   92~93   37.5~38   I#
  0.32~0.34   90.5~91.5   37~38.5   I#
取国产料试样进行了显维硬度测试,如表9及图1,从中可以看出显维硬度曲线走势较好:
表9国产料试样显维硬度梯度表
  距表面深度mm 0.10 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50   基体1   基体2   基体3
  硬度HV0.2 810 710 674 631 419 363 369 368 361 360 359
  HR15N对比   92   90.5   90   89   82.5
  HRC对比   38.5   39   39   38.5   38.5   38.5
对于渗氮后的金相组织,本发明中渗氮层为氮化索氏体+分布较均匀的氮化物,渗氮层组织比较致密,无网状及脉状氮化物,渗氮层的中心组织主要为索氏体+极少量铁素体,索氏体稍微粗大一些。分析可见,渗氮后组织水平很高,达到了预期的要求。
综上可见,执行该工艺制度氮化的试件渗氮层深度适中,金相组织正常,室温性能比较理想,其它指标如渗氮表面硬度、中心硬度也都满足设计要求,因此,优选的工艺制度为:620~640℃,保温50~60h,扩散3~5h,氨分解率50~80%。
实施例1
一种耐热钢(1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN)的热处理、锻造、氮化工艺:
其锻造工艺参数为:加热温度950~1180℃,保温时间20~30分钟,变形程度5~70%;
其热处理工艺参数为:固溶温度范围1050~1150℃,固溶时间0.5~2小时,油冷;回火温度630~720℃,回火时间3~12小时,空冷;
其氮化工艺为:渗氮温度560~650℃,渗氮保温时间20~70小时,扩散3~5小时,氨分解率为30%~90%;渗氮层深度为0.30~0.40mm。
锻件性能为抗拉强度σb≥1080MPa,屈服强度σ0.2≥835MPa,延伸率δ≥12.0%,面缩率ψ≥45%,布氏硬度HB(d)=3.2~3.55mm,冲击功AK=47焦耳。
实施例2
一种耐热钢(1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN)的热处理、锻造、氮化工艺:
(1)热处理工艺参数为:固溶温度:1090~1110℃,固溶时间为60~120分钟,油冷;回火温度:660~700℃,回火时间3~6小时,空冷;
(2)锻造工艺参数为:加热温度1120~1160℃,保温时间25分钟,变形程度40%~60%;
(3)氮化工艺为:渗氮温度620~640℃,渗氮保温时间55~58小时,扩散3~5小时,氨分解率为50%~80%;渗氮层深度为0.30~0.40mm。
锻件热处理后性能为抗拉强度σb≥1120MPa,屈服强度σ0.2≥1920MPa,延伸率δ≥17.0%,面缩率ψ≥58%,布氏硬度HB(d)=3.23~3.29mm,冲击功AK=47焦耳。

Claims (7)

1、一种耐热钢的热处理、锻造和氮化工艺,其特征在于:所述耐热钢为1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN;
其热处理工艺参数为:固溶温度范围是1050~1150℃,固溶时间为0.5~2小时,回火温度为630~720℃;回火时间为3~12小时;
其锻造工艺参数为:加热温度950~1180℃,变形程度5~70%;
其氮化工艺为:渗氮温度560~650℃,渗氮保温时间20~70小时,氨分解率为30%~90%。
2、按照权利要求1所述一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺,其特征在于:渗氮层深度为0.30~0.40mm。
3、按照权利要求1所述一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺,其特征在于:
所述材料的热处理工艺参数为:固溶温度范围是1075~1125℃,固溶时间为60~120分钟,回火温度为660~700℃;回火时间为3~6小时;。
4、按照权利要求3所述一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺,其特征在于:
所述合金的热处理工艺参数为:
固溶温度:1090~1110℃,固溶时间为60~120分钟,油冷;回火温度:660~700℃,回火时间3~6小时,空冷。
5、按照权利要求1所述耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺,其特征在于:
所述材料的锻造工艺参数为:加热温度1120~1160℃,变形程度40%~60%;
6、按照权利要求1所述一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺,其特征在于:所述材料的氮化工艺为:渗氮温度620~640℃,渗氮保温时间55~58小时,扩散3~5小时,氨分解率为50%~80%。
7、按照权利要求1~6其中之一所述一种耐热钢的热处理、锻造、氮化工艺,其特征在于:
锻件性能为抗拉强度σb≥1080MPa,屈服强度σ0.2≥835MPa,延伸率δ≥12.0%,面缩率Ψ≥45%,冲击功Ak≥47焦耳;布氏硬度HB(d)=3.2~3.55mm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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