[發(fā)明專(zhuān)利]中高合金鋼大型鍛件的晶粒細(xì)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110009744.6
• 申請(qǐng)日: 2011-01-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102134637A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-07-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 顧劍鋒;陳睿愷;韓利戰(zhàn);潘健生
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C21D11/00
• 分類(lèi)號(hào): C21D11/00;C21D1/18
• 代理公司: 上海交達(dá)專(zhuān)利事務(wù)所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種金屬熱處理技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種中高合金鋼大型鍛件的晶粒細(xì)化方法。

背景技術(shù)

大型鍛件是核電、火電等電站裝備和大型冶金、礦山和運(yùn)輸裝備中的承力和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)部件，屬于核心構(gòu)件，更是裝備得以可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。裝備的大型化也使鍛件大型化，特別是在提高效率、降低消耗、安全可靠的設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，除大量使用高合金鋼外，也將原來(lái)通過(guò)后續(xù)組裝而成的組合部件集成于一體，使單體鍛件的尺寸和重量急劇增大。在核電、火電、水電和燃?xì)獍l(fā)電的主體裝備中，數(shù)百?lài)嵉奶卮笮湾懠嫉闹亓勘瘸^(guò)了60％。核電、火電等先進(jìn)的重大裝備對(duì)大型鍛件提出了“一體化”和“高性能化”的要求，使熱加工的技術(shù)難度突增，造成制作過(guò)程中材料和能源的巨大浪費(fèi)，而且遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足我國(guó)大型裝備發(fā)展的迫切需求。

為滿(mǎn)足力學(xué)性能指標(biāo)，大型鍛件淬火后通常須得到馬氏體或貝氏體組織，故通常按一定比例加入Cr、Ni、Mo等合金元素，在提高大型鍛件強(qiáng)度、塑性和韌性的同時(shí)，增加奧氏體在過(guò)冷狀態(tài)下的穩(wěn)定性，使等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)強(qiáng)烈右移，從而大大提高淬透性。但是，當(dāng)大型鍛件發(fā)生馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，新形成的α相與母相之間保持一定的晶體學(xué)取向關(guān)系，導(dǎo)致在隨后再次慢速加熱(≤300℃/h)奧氏體化過(guò)程中發(fā)生組織遺傳現(xiàn)象，造成晶粒粗大和不均勻，進(jìn)而影響其沖擊韌性、脆性轉(zhuǎn)變溫度(FATT)、超聲波可探性和導(dǎo)磁性。

為了解決中高合金鋼大型鍛件的組織遺傳帶來(lái)的晶粒粗大和不均勻的問(wèn)題，傳統(tǒng)方法通常采用多次正火的鍛后熱處理工藝，其可能的機(jī)理包括：(1)通過(guò)α←→γ之間多次的相互轉(zhuǎn)變，增加α相/γ相在母相中均勻形核的位置，從而細(xì)化晶粒；(2)通過(guò)將奧氏體化溫度控制在切爾諾夫B點(diǎn)以上，利用奧氏體化重結(jié)晶效應(yīng)細(xì)化晶粒；(3)通過(guò)提高Ac₁附近的升溫速率，增加奧氏體均勻形核率來(lái)細(xì)化晶粒。而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，多次正火消除組織遺傳細(xì)化晶粒這一方法的實(shí)際效果并不理想，其具體原因在于：(1)伴隨著發(fā)電設(shè)備大型化的發(fā)展趨勢(shì)，大型鍛件尺寸的增加造成其升溫和降溫速率的減緩，使每次正火的能源消耗和時(shí)間花費(fèi)大幅增加；(2)為保證晶粒細(xì)化效果，大型鍛件尺寸的增加的必然導(dǎo)致正火次數(shù)的增加，這樣整個(gè)多次正火工藝的時(shí)間和能源成本將大大增加；(3)大型鍛件各部分的鍛比不一及成分不均，導(dǎo)致各部分的再結(jié)晶溫度相差很大，在實(shí)際生產(chǎn)中難以保證整個(gè)大型鍛件都發(fā)生再結(jié)晶細(xì)化晶粒；(4)發(fā)生再結(jié)晶后必須嚴(yán)格控制保溫時(shí)間，否則細(xì)化的晶粒極易再次長(zhǎng)大，由于大型鍛件各部分到溫時(shí)間差異很大，實(shí)際生產(chǎn)中各部位的保溫時(shí)間難以兼顧，從而導(dǎo)致細(xì)化效果不佳；(5)提高加熱速率來(lái)細(xì)化晶粒要求大型鍛件加熱速率大于350℃/h，對(duì)直徑800mm以上的大型鍛件，現(xiàn)有的工業(yè)加熱設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足條件。所以，從制造成本、生產(chǎn)周期、實(shí)際可操作性和具體實(shí)施效果的角度來(lái)講，現(xiàn)有多次正火工藝須經(jīng)歷多次升溫降溫，能源浪費(fèi)大，工藝過(guò)程復(fù)雜，工序時(shí)間長(zhǎng)，操作控制難度高，實(shí)際效果不穩(wěn)定，綜合制造成本昂貴，有很大的空間可以改進(jìn)。

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，采用多次正火的鍛后熱處理工藝是解決中高合金鋼大型鍛件組織遺傳帶來(lái)的晶粒粗大和不均勻問(wèn)題的常用方法，正火次數(shù)隨著鍛件尺寸和重量的增加而增加，正火溫度隨鋼種的化學(xué)成分不同而不同。第一重機(jī)廠用三次正火處理的30Cr2Ni4MoV鋼300MW低壓整體轉(zhuǎn)子晶粒度可達(dá)4～7級(jí)，日本室蘭廠采用兩次正火，晶粒度可達(dá)4～5級(jí)(《大型鍛件材料及熱處理》P392)。

但是該現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)際效果并不理想，其具體原因在于：(1)多次正火的正火溫度和正火次數(shù)的選取受鍛件尺寸大小及其材料成分的影響較大，必須對(duì)各個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行排列組合的基礎(chǔ)上進(jìn)行大量試驗(yàn)才能篩選出正火溫度和正火次數(shù)之間的最佳匹配，從而獲得較好的細(xì)化效果；(2)伴隨著發(fā)電設(shè)備大型化的發(fā)展趨勢(shì)，大型鍛件尺寸的增加造成其升溫和降溫速率的減緩，使每次正火的能源消耗和時(shí)間花費(fèi)大幅增加；(3)為保證晶粒細(xì)化效果，大型鍛件尺寸的增加的必然導(dǎo)致正火次數(shù)的增加，這樣整個(gè)多次正火工藝的時(shí)間和能源成本將大大增加；(4)大型鍛件各部分的鍛比不一及成分不均，導(dǎo)致各部分所需的正火參數(shù)相差很大，在實(shí)際生產(chǎn)中難以保證整個(gè)大型鍛件都獲得很好的細(xì)化效果；(5)多次正火必須嚴(yán)格控制保溫時(shí)間，否則細(xì)化的晶粒容易再次長(zhǎng)大，由于大型鍛件各部分到溫時(shí)間差異很大，實(shí)際生產(chǎn)中各部位的保溫時(shí)間難以兼顧，從而導(dǎo)致細(xì)化效果不佳。