中高合金钢大型锻件的晶粒细化方法技术

一种金属热处理技术领域的中高合金钢大型锻件的晶粒细化方法，通过将锻造后的锻件在奥氏体化后冷却至珠光体转变区鼻尖温度进行等温保温或波动保温，实现珠光体等温分解，然后冷却至室温并经过二次奥氏体化过程后，实现重结晶再次细化晶粒。本发明专利技术解决实际生产中传统的多次正火工艺对大型锻件晶粒细化效果不稳定、粗晶和混晶现象严重的问题。通过奥氏体的不完全等温平衡分解来切断和消除组织遗传，获得ASTM?No.5级以上的原奥氏体平均晶粒度，改善大型锻件的组织状态，提高大型锻件的超声波探伤性能，同时大大缩短工时降低能耗节约成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种金属热处理
的方法，具体是一种中高合金钢大型锻 件的晶粒细化方法。
技术介绍
大型锻件是核电、火电等电站装备和大型冶金、矿山和运输装备中的承力和传动 结构部件，属于核心构件，更是装备得以可靠运行的基础。装备的大型化也使锻件大型化， 特别是在提高效率、降低消耗、安全可靠的设计思想指导下，除大量使用高合金钢外，也将 原来通过后续组装而成的组合部件集成于一体，使单体锻件的尺寸和重量急剧增大。在核 电、火电、水电和燃气发电的主体装备中，数百吨的特大型锻件所占的重量比超过了 60%。 核电、火电等先进的重大装备对大型锻件提出了“一体化”和“高性能化”的要求，使热加工 的技术难度突增，造成制作过程中材料和能源的巨大浪费，而且远不能满足我国大型装备 发展的迫切需求。为满足力学性能指标，大型锻件淬火后通常须得到马氏体或贝氏体组织，故通常 按一定比例加入Cr、Ni、Mo等合金元素，在提高大型锻件强度、塑性和韧性的同时，增加奥 氏体在过冷状态下的稳定性，使等温转变曲线强烈右移，从而大大提高淬透性。但是，当大 型锻件发生马氏体或贝氏体转变时，新形成的α相与母相之间保持一定的晶体学取向关 系，导致在随后再次慢速加热(< 300°C /h)奥氏体化过程中发生组织遗传现象，造成晶粒 粗大和不均勻，进而影响其冲击韧性、脆性转变温度(FATT)、超声波可探性和导磁性。为了解决中高合金钢大型锻件的组织遗传带来的晶粒粗大和不均勻的问题，传统 方法通常采用多次正火的锻后热处理工艺，其可能的机理包括(1)通过α —— Y之间多 次的相互转变，增加α相/Y相在母相中均勻形核的位置，从而细化晶粒；( 通过将奥氏 体化温度控制在切尔诺夫B点以上，利用奥氏体化重结晶效应细化晶粒；(3)通过提高Ac1 附近的升温速率，增加奥氏体均勻形核率来细化晶粒。而在实际生产过程中，多次正火消除 组织遗传细化晶粒这一方法的实际效果并不理想，其具体原因在于(1)伴随着发电设备 大型化的发展趋势，大型锻件尺寸的增加造成其升温和降温速率的减缓，使每次正火的能 源消耗和时间花费大幅增加；( 为保证晶粒细化效果，大型锻件尺寸的增加的必然导致 正火次数的增加，这样整个多次正火工艺的时间和能源成本将大大增加；C3)大型锻件各 部分的锻比不一及成分不均，导致各部分的再结晶温度相差很大，在实际生产中难以保证 整个大型锻件都发生再结晶细化晶粒；(4)发生再结晶后必须严格控制保温时间，否则细 化的晶粒极易再次长大，由于大型锻件各部分到温时间差异很大，实际生产中各部位的保 温时间难以兼顾，从而导致细化效果不佳；( 提高加热速率来细化晶粒要求大型锻件加 热速率大于350°C /h，对直径800mm以上的大型锻件，现有的工业加热设备无法满足条件。 所以，从制造成本、生产周期、实际可操作性和具体实施效果的角度来讲，现有多次正火工 艺须经历多次升温降温，能源浪费大，工艺过程复杂，工序时间长，操作控制难度高，实际效 果不稳定，综合制造成本昂贵，有很大的空间可以改进。经过对现有技术的检索发现，采用多次正火的锻后热处理工艺是解决中高合金钢 大型锻件组织遗传带来的晶粒粗大和不均勻问题的常用方法，正火次数随着锻件尺寸和重 量的增加而增加，正火温度随钢种的化学成分不同而不同。第一重机厂用三次正火处理的 30Cr2Ni4MoV钢300MW低压整体转子晶粒度可达4 7级，日本室兰厂采用两次正火，晶粒 度可达4 5级(《大型锻件材料及热处理》P392)。但是该现有技术的实际效果并不理想，其具体原因在于(1)多次正火的正火温 度和正火次数的选取受锻件尺寸大小及其材料成分的影响较大，必须对各个工艺参数进行 排列组合的基础上进行大量试验才能筛选出正火温度和正火次数之间的最佳匹配，从而获 得较好的细化效果；( 伴随着发电设备大型化的发展趋势，大型锻件尺寸的增加造成其 升温和降温速率的减缓，使每次正火的能源消耗和时间花费大幅增加；C3)为保证晶粒细 化效果，大型锻件尺寸的增加的必然导致正火次数的增加，这样整个多次正火工艺的时间 和能源成本将大大增加；(4)大型锻件各部分的锻比不一及成分不均，导致各部分所需的 正火参数相差很大，在实际生产中难以保证整个大型锻件都获得很好的细化效果；(5)多 次正火必须严格控制保温时间，否则细化的晶粒容易再次长大，由于大型锻件各部分到温 时间差异很大，实际生产中各部位的保温时间难以兼顾，从而导致细化效果不佳。文献(宋传宝，金嘉瑜，刘志颖，郭培亮.300丽汽轮机低压转子晶粒细化与均勻 化的热处理工艺方法研究.大型铸锻件，1998，(04))中，以采用30Cr2Ni4MoV钢生产的 300MW低压整体转子为例，试验验证了多次正火细化晶粒工艺的实际效果，文中提出了增加 前处理的改进工艺，但之后仍需要进行两次正火，才能得到与原来三次正火相同的细化晶 粒效果。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种中高合金钢大型锻件的晶粒细化 方法，解决实际生产中传统的多次正火工艺对大型锻件晶粒细化效果不稳定、粗晶和混晶 现象严重的问题。通过奥氏体的不完全等温平衡分解来切断和消除组织遗传，获得ASTM No. 5级以上的原奥氏体平均晶粒度，改善大型锻件的组织状态，提高大型锻件的超声波探 伤性能，同时大大缩短工时降低能耗节约成本。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术将锻造后的锻件在奥氏体化后冷却至 珠光体转变区鼻尖温度进行等温保温或波动保温，实现珠光体等温分解，然后冷却至室温 并经过二次奥氏体化过程后，实现重结晶再次细化晶粒。所述的奥氏体化是指将锻造后的大型锻件加热至Acj^度以上30°C 70°C，并 在整体到温后保温0. 5 3小时，以材料奥氏体均勻化所需时间为准，其中=Ac3温度指钢在 连续加热升温过程中，由原始组织完全转变为奥氏体组织的温度，主要由该钢种的化学成 分决定，其范围可通过相变膨胀仪测定或从相图确定。所述的珠光体转变鼻尖温度是指钢在奥氏体化后的冷却过程中，发生珠光体转 变，且转变速度最快的温度，主要由该钢种的化学成分决定，可从该钢种的TTT曲线上确定。所述的等温保温或波动保温的时间为以生成15%的网状珠光体所需要的时间 为准，不同钢种所需时间不同，主要由钢种的化学成分决定。所述的波动保温的范围为珠光体转变鼻尖温度士20°C。所述的珠光体等温分解根据中高合金钢的TTT曲线，在珠光体转变区鼻尖温度附 近进行等温足够时间，以生成少量沿晶界分布的网状珠光体组织，体积分数达15%以上；所述的二次奥氏体化是指将大型锻件加热至Acj^度以上30°C 70°C，并保温 0. 5 3小时。本专利技术的主要特征在于根据珠光体转变切断组织遗传这一特征，把中高合金钢大 型锻件加热至Ac3+(10 30) °C奥氏体化后冷至珠光体转变鼻尖温度点附近，进行一定时间 的保温或上下波动保温，形成少量呈网状分布的珠光体组织，将粗大的锻后奥氏体晶粒进 行分割，从而使组织遗传被限制在较小的空间范围内，当中高合金钢大型锻件再次加热奥 氏体化时，大大降低组织遗传效应，从而消除混晶和粗晶现象。由于大型锻件尺寸较大，为保证淬透性，通常会加入提高淬透性的元素，如Ni、Mn、 Cr等，这使珠光体本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种中高合金钢大型锻件的晶粒细化方法，其特征在于，将锻造后的锻件在奥氏体化后冷却至珠光体转变区鼻尖温度进行等温保温或波动保温，实现珠光体等温分解，然后冷却至室温并经过二次奥氏体化过程后，实现重结晶再次细化晶粒。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：顾剑锋，陈睿恺，韩利战，潘健生，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31