一种适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理方法

摘要

本发明公开了一种适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理方法，包括步骤：将铸态奥氏体耐热钢炉管材料放置到加热炉中，再将加热至1120-1200℃，并保温1-3h进行固溶处理，然后用15-30min的时间将温度降至950-1080℃，并保温2-5h，再用30-120min将温度降至600-900℃，保温10-35h后冷却至室温，完成适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理。本发明处理的奥氏体耐热钢炉管材料具有优异的高温力学性能，并且成本低，满足600℃级火电机组过热器/再热器对材料的性能要求。

说明书

技术领域

本发明属于金属热处理技术领域，涉及一种适用于奥氏体耐热钢炉 管材料的热处理方法。

背景技术

与铁素体耐热钢相比，奥氏体耐热钢具有更加优异的高温力学性能 及抗氧化/抗腐蚀性能，因此作为高温低应力部件材料而在多个行业中获 得应用。以火电行业为例，近年来随着高效、节能、环保成为电力行业 发展的主题，超临界火电机组成为火电行业技术发展的重点。与此同时， 火电机组的蒸汽参数不断提高，对材料的性能提出了更大的挑战。尤其 对于机组中过热器/再热器等服役工况最严苛的关键部件，随着蒸汽参数 达到600℃以上，传统的TP91、NF616、HCM12A等铁素体耐热钢已无 法满足使用性能要求。因此，目前国内外主要采用Super 304H、HR3C 等奥氏体耐热钢作为600℃级火电机组过热器/再热器管道首选材料，并 获得了较好的应用效果。

然而，国内对这几种奥氏体耐热钢制备与加工工艺方面与国外差距 明显。目前，我国虽然也已实现了Super 304H(S30432)、HR3C(S31042) 等过热器/再热器材料的国产化，但其成本高昂且使用性能不稳定，至今 未能在电力行业中获得广泛应用。因此，我国600℃级超超临界机组过 热器/再热器材料至今仍严重依赖进口。

除火电行业外，我国自主生产的奥氏体耐热钢在石化、核电等领域 均获得了较成功的应用。例如，采用离心铸造工艺制备20Cr32NiNb合 金(ASTM：A 351-03 Grade CT 15C)及其高C改性合金已完全实现了国 产化生产。这类材料一般在铸态下使用，无需后续处理，因而具有工艺 简单，成本低廉等优势，并在石化行业中的制氢转化炉中获得推广。应 用结果表明，这类材料可以满足1000℃以下的高温环境对材料抗氧化/ 抗腐蚀性能的要求，同时其具备较好的高温持久强度性能及抗热疲劳性 能。但其服役压力较小，尚不能满足600℃级火电机组过热器/再热器对 材料的性能要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种适用于奥 氏体耐热钢炉管材料的热处理方法，该方法处理的奥氏体耐热钢炉管材 料具有优异的高温力学性能，并且成本低，满足600℃级火电机组过热 器/再热器对材料的性能要求。

为达到上述目的，本发明所述的适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热 处理方法，其特征在于，包括步骤：

将铸态奥氏体耐热钢炉管材料放置到加热炉中，再将加热至 1120-1200℃，并保温1-3h进行固溶处理，然后用15-30min的时间将温 度降至950-1080℃，并保温2-5h，再用30-120min将温度降至600-900℃， 保温10-35h后随炉冷却至室温，完成适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热 处理。

所述奥氏体耐热钢炉管材料为20Cr32NiNb合金或高C改性 20Cr32NiNb合金。

固溶处理后奥氏体耐热钢炉管材料晶界处由不连续的MC组成，晶 界M23C6型碳化物体积分数小于3.0％，晶内碳化物体积分数低于 1.5％。

经用15-30min的时间将温度降至950-1080℃，并保温2-5h后，奥 氏体耐热钢炉管材料晶界处出现不连续M23C6型二次碳化物析出， M23C6型二次碳化物的尺寸均小于等于5μm。

在30-120min内将温度降至600-900℃，并在这一温度范围保温 10-35h，最终获得的组织中晶界处碳化物形成连续膜状结构且占晶界面 积大于70％，晶内弥散分布有二次碳化物颗粒，且所述二次碳化物颗粒 的尺寸小于等于5μm。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的适用于奥氏体耐热钢炉管材料的热处理方法对铸态奥 氏体耐热钢炉管材料进行热处理时，先将铸态奥氏体耐热钢炉管材料放 置到加热炉中，然后将铸态奥氏体耐热钢炉管材料加热至1120-1200℃， 并保温，再将温度降至950-1080℃，并保温，然后在30-120min内将温 度降至600-900℃，并保温10-35h，最后再降至室温，操作方便、简单， 并且成本低。经本发明热处理后的适用于奥氏体耐热钢炉管材料晶界碳 化物呈连续膜状结构，内部弥散分布二次碳化物颗粒且尺寸不大于5 μm，同时在温度为750℃的屈服强度达到180MPa以上，室温及高温延 伸率均高于18％，满足600℃级火电机组过热器/再热器对材料的性能要 求。

附图说明

图1为传统的铸态20Cr32NiNb合金的XRD分析结果；

图2为本发明中实施例一得到的20Cr32NiNb合金的XRD分析结 果；

图3为本发明中实施例二得到的20Cr32NiNb合金的XRD分析结 果；

图4为传统的铸态高C改性20Cr32NiNb合金的XRD分析结果；

图5为本发明中实施例三得到的高C改性20Cr32NiNb合金的XRD 分析结果；

图6为本发明中实施例四得到的高C改性20Cr32NiNb合金的XRD 分析结果；

图7为本发明中实施例二得到的20Cr32NiNb合金组织SEM观察结 果；

图8为本发明中实施例一得到的20Cr32NiNb合金组织SEM观察结 果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例一

对20Cr32NiNb合金进行热处理，包括以下步骤：

将铸态20Cr32NiNb合金放置到加热炉中，加热至1200℃并保温2h 进行固溶处理，然后用20min的时间将温度降至1050℃并保温2.5h，再 用120min将温度降至650℃并保温1.5h，之后升温至850℃，保温18h 后随炉冷却至室温，完成20Cr32NiNb合金的热处理。

实施例二

对20Cr32NiNb合金进行热处理，包括以下步骤：

将铸态20Cr32NiNb合金放置到加热炉中加热至1200℃，并保温2h 进行固溶处理，然后用20min的时间将温度降至1050℃并保温2.5h，再 用90min将温度降至750℃，保温30h后随炉冷却至室温，完成 20Cr32NiNb合金的热处理。

实施例三

对高C改性20Cr32NiNb合金进行热处理，包括以下步骤：

将铸态高C改性20Cr32NiNb合金放置到加热炉中加热至1200℃， 并保温2h进行固溶处理，然后用20min的时间将温度降至1050℃并保 温2.5h，再用120min将温度降至650℃并保温1.5h，之后升温至850℃， 保温18h后随炉冷却至室温，完成高C改性20Cr32NiNb合金的热处理。

实施例四

对高C改性20Cr32NiNb合金进行热处理，包括以下步骤：

将铸态高C改性20Cr32NiNb合金放置到加热炉中加热至1200℃， 并保温2h进行固溶处理，然后用20min的时间将温度降至1050℃并保 温2.5h，再用90min将温度降至750℃，保温30h后随炉冷却至室温， 完成高C改性20Cr32NiNb合金的热处理。

实施例五

对高C改性20Cr32NiNb合金进行热处理，包括以下步骤：

将铸态高C改性20Cr32NiNb合金放置到加热炉中，再将加热至 1120℃，并保温1h进行固溶处理，然后用15min的时间将温度降至 950℃，并保温2h，再用30min将温度降至600℃，保温10h后随炉冷 却至室温，完成高C改性20Cr32NiNb合金的热处理。

实施例六

对20Cr32NiNb合金进行热处理，包括以下步骤：

将铸态20Cr32NiNb合金放置到加热炉中加热至1180℃，并保温3h 进行固溶处理，然后用30min的时间将温度降至1080℃并保温2h，再 用120min将温度降至900℃，保温35h后随炉冷却至室温，完成 20Cr32NiNb合金的热处理。

经检测，固溶处理后奥氏体耐热钢炉管材料晶界处由不连续的MC 组成，晶界M23C6型碳化物体积分数小于3.0％，晶内碳化物体积分数 应低于1.5％。经用15-30min的时间将温度降至950-1080℃，并保温2-5h 后，奥氏体耐热钢炉管材料晶界处出现不连续M23C6型二次碳化物析 出，M23C6型二次碳化物的尺寸均小于等于5μm。同时，通过本发明 处理的奥氏体合金晶界碳化物呈连续膜状结构且占晶界面积大于70％， 晶粒内部弥散分布二次碳化物颗粒且尺寸不大于5μm。利用本发明热处 理工艺制备的20Cr32NiNb合金(ASTM：A 351-03 Grade CT 15C)及其 高C改性20Cr32NiNb合金(C含量为0.15-0.25 wt.％)，在750℃屈服 强度可达到180 MPa以上，室温及高温延伸率均高于18％。

参考图1、图2及图3，对实施例一及实施例二热处理后的 20Cr32NiNb合金的物相组成与铸态合金进行了比较分析，可以看出经时 效处理后，合金组织中产生了大量Cr₂₃C₆析出。

参考图4、图5及图6，对实施例三及实施例四两种热处理态高C 改性20Cr32NiNb合金的物相组成与铸态合金进行了比较分析，可以看 出经时效处理后，合金组织中产生了大量Cr₂₃C₆析出。

参考图7及图8，对实施例一及实施例二两种热处理态合金进行了 显微组织观察，结果发现合金晶界形成连续膜状Cr₂₃C₆，并在晶内有弥 散分布的Cr₂₃C₆析出。

表1列出了实施例一、实施例二、实施例三及实施例四的热处理态 合金与其铸态合金的性能比较结果，发现材料屈服强度改善显著，室温 强度性能也获得一定提升，其在750℃屈服强度均高于180 MPa，较其 铸态时相比提高30％以上，室温及高温延伸率均高于18％。由表中同样 可以看出，实施例四的合金与目前600℃机组过热器/再热器管常用材料 相比其力学性能明显较好，具有在600℃级火电机组推广应用的潜力。

表1

其中，表1中，1#及2#分别代表20Cr32NiNb合金及高C改性。