一种提高奥氏体耐热钢力学性能的热处理方法

摘要

本发明一种提高奥氏体耐热钢力学性能的热处理方法，工艺步骤简单有效，易于操作，成本低，能够改善奥氏体耐热钢的微观结构，提高其力学性能。其包括如下步骤，步骤1，依照合金成分及烧损量配备原材料，并将原材料在真空环境下熔炼并浇注成合金锭；步骤2，将合金锭依次进行均匀化和热变形处理；步骤3，将热变形后的合金在1200‑1260℃进行25‑45分钟固溶热处理，然后水冷到室温；步骤4，中温短期时效处理：将固溶热处理后的合金加热到750℃～800℃，保温30min～60min，空冷至室温，得到的奥氏体耐热钢，在晶内获得纳米尺度的Z相，并且在晶界获得M23C6相。

说明书

技术领域

本发明涉及热处理技术领域，具体为一种提高奥氏体耐热钢力学性能的热处理方法。

背景技术

随着国内经济的不断发展，对能源的需求与日俱增，同时对自然环境的保护意识也在不断提高。我国煤炭资源丰富，火电在我国的能源结构中将长期占据主导地位。在燃煤发电领域，同时提高蒸汽的温度和压力可以有效地提高热效率，节约煤炭的消耗，降低SO₂、NO_x和CO₂等有害气体的排放，实现环境友好。

火电机组参数的不断提高，对材料的性能也提出了更加苛刻的要求。在600℃超超临界火电机组中，HR3C耐热钢由于其良好的持久性能、抗蒸汽氧化性能和抗烟气腐蚀性能而被广泛应用于服役工况最苛刻的锅炉末级过热器和再热器中。HR3C是日本住友金属公司在TP310的基础上通过复合添加Nb、N等合金元素研制出的一种奥氏体耐热钢，在ASME标准中的材料牌号为SA312-TP310NbN(UNS S31042)。

近几年，钢铁和电力行业一直致力于通过优化奥氏体耐热钢的成分来提高其力学性能，满足更高参数火电机组锅炉的要求。通过热处理工艺的优化，也是提高材料服役性能的一个重要的技术方法，但是现有技术中对奥氏体耐热钢的处理都是配合其组分进行相应的热处理，最后在固溶处理后就结束了全部过程，没有其他能够改良其性能的其他处理，力学性能提高有限。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种提高奥氏体耐热钢力学性能的热处理方法，工艺步骤简单有效，易于操作，成本低，能够改善奥氏体耐热钢的微观结构，提高其力学性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种提高奥氏体耐热钢力学性能的热处理方法，包括如下步骤，

步骤1，依照合金成分及烧损量配备原材料，并将原材料在真空环境下熔炼并浇注成合金锭；

步骤2，将合金锭依次进行均匀化和热变形处理；

步骤3，将热变形后的合金在1200-1260℃进行25-45分钟固溶热处理，然后水冷到室温；

步骤4，中温短期时效处理：将固溶热处理后的合金加热到750℃～800℃，保温30min～60min，空冷至室温，得到的奥氏体耐热钢，在晶内获得纳米尺度的Z相，并且在晶界获得M₂₃C₆相。

优选的，所述奥氏体耐热钢的合金成分按重量百分比计包括，Ni 19-25％，Cr 20-25％，Co 1.0-6.0％，Mn≤1.0％，Nb 0.2-0.8％，V 0-0.5％，Si≤1.0％，N 0.1-0.3％，C 0.04-0.10％，B 0.001-0.003％，Ce 0-0.04％，P 0.01-0.03％，余量为Fe。

优选的，合金锭在1150-1200℃均匀化20-30小时。

优选的，均匀化后的合金锭在1000-1150℃进行热变形处理。

进一步，所述的热变形处理采用热锻或热轧，总变形量60-80％，最后一道次变形量不低于20％。

优选的，步骤4中制备得到的奥氏体耐热钢，主要强化相为MX、Z相和M₂₃C₆，在700℃时的屈服强度大于180MPa，延伸率大于30％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种提高奥氏体耐热钢力学性能的热处理方法，通过在固溶处理工艺后引入了中温短期时效处理。奥氏体耐热钢在成型加工后的微观组织由奥氏体基体和粗大的MX相组成，固溶处理使这些粗大的相尽可能多的回溶到基体中，使合金元素扩散更加均匀，为下一步中温短期时效析出强化相做准备。同时利用固溶处理工艺可将新型奥氏体耐热钢晶粒度控制在4～7级，使其在高温下具有良好的力学性能。固溶处理后的中温短期时效处理是晶内获得纳米尺度的均匀高密度Z相、晶界获得细小M₂₃C₆相的关键。由于中温短期时效工艺的加入，晶界上有少量的M₂₃C₆相析出，同时大量细小的稳定Z相在晶内析出，通过稳定相Z相优先析出，可降低晶内Cr元素在金属服役期间向晶界扩散的几率，避免了因M₂₃C₆相长大并连续导致的晶界弱化，优化了新型奥氏体耐热钢的力学性能。

经本发明采用的热处理工艺处理后的奥氏体耐热钢在室温、650℃和700℃下的强度、塑性和室温下的韧性均能满足650℃级火电机组过/再热器对材料的性能要求，是实现新型奥氏体耐热钢性能优化的有效手段。

附图说明

图1为本发明实例1中所述的奥氏体耐热钢在固溶处理后的SEM照片。

图2为本发明实例1中所述的奥氏体耐热钢在固溶处理加中温短期时效处理后晶界的TEM照片。

图3为本发明实例1中所述的奥氏体耐热钢在固溶处理加中温短期时效处理后晶内的TEM照片。可以看出晶内弥散析出了纳米尺寸的Z相。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实例1

本发明一种提高奥氏体耐热钢力学性能的热处理方法，通过固溶处理工艺配合中温短期时效处理，以析出细小的M₂₃C₆相和纳米尺寸的Z相(NbCrN相)来优化耐热钢的性能。本实例得到的奥氏体耐热钢的化学成分和现有的HR3C钢的比较见表1。

表1实例1用奥氏体耐热钢(1#)与比较例(HR3C钢)的化学成分(质量％，余量为Fe)。

本发明一种提高奥氏体耐热钢力学性能的热处理方法，步骤如下：

1.将依次进行均匀化和热变形处理的合金试样加热至1230℃，保温30min进行固溶热处理，水冷至室温；

2.将固溶热处理后的合金加热至750℃，保温60min，空冷至室温。

合金试样的样品为5mm×5mm×5mm的线切割块体，分别在固溶处理和固溶处理加中温短期时效处理后，进行研磨、抛光、腐蚀，利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察其组织及析出相形貌，并通过能谱(EDS)确定析出相的成分。观察到固溶处理后，如图1，显微组织主要由奥氏体基体和大块的一次MX相组成，晶界几乎没有析出相；固溶处理加中温短期时效后，如图2，晶界析出了细小的M₂₃C₆相和纳米尺度的Z相。如图3，在晶内弥散析出了纳米尺寸的Z相。

利用本发明提出的热处理方法对拉伸式样进行处理后，强度和塑性与标准热处理的HR3C钢数据对比如表2所示。

表2实例1中的合金与HR3C钢的拉伸性能

利用本发明提出的热处理方法对冲击试样处理后，在室温下和在650℃下分别热暴露200小时和500小时后的冲击性能与标准热处理后的HR3C钢数据对比如表3所示。

表3实例1中合金与HR3C钢在650℃下热暴露后的冲击韧性

综合上述，本发明提出的提高奥氏体耐热钢力学性能的热处理方法可以减小一次MX相的尺寸，同时可在晶内弥散析出纳米尺度的Z相，晶界上也会析出少量的M23C6相。通过对MX的尺寸，Z相和M23C6相尺寸和数量的控制，可获得满足性能要求的组织结构，使其具有优异的强度、塑性和韧性。

实例2

一种提高奥氏体耐热钢力学性能的热处理方法，包括如下步骤，

步骤1，依照合金成分及烧损量配备原材料，并将原材料在真空环境下熔炼并浇注成合金锭；

步骤2，将合金锭依次进行均匀化和热变形处理；

步骤3，将热变形后的合金在1200℃进行45分钟固溶热处理，然后水冷到室温；

步骤4，中温短期时效处理：将固溶热处理后的合金加热到800℃，保温30min，空冷至室温，得到的奥氏体耐热钢，在晶内获得纳米尺度的Z相，并且在晶界获得M₂₃C₆相。

本优选实例中，合金锭在1150℃均匀化30小时。均匀化后的合金锭在1150℃进行热变形处理。

实例3

一种提高奥氏体耐热钢力学性能的热处理方法，包括如下步骤，

步骤1，依照合金成分及烧损量配备原材料，并将原材料在真空环境下熔炼并浇注成合金锭；

步骤2，将合金锭依次进行均匀化和热变形处理；

步骤3，将热变形后的合金在1260℃进行35分钟固溶热处理，然后水冷到室温；

步骤4，中温短期时效处理：将固溶热处理后的合金加热到760℃，保温40min，空冷至室温，得到的奥氏体耐热钢，在晶内获得纳米尺度的Z相，并且在晶界获得M₂₃C₆相。

本优选实例中，合金锭在1200℃均匀化20小时。均匀化后的合金锭在1150℃进行热变形处理。

实例4

一种提高奥氏体耐热钢力学性能的热处理方法，包括如下步骤，

步骤1，依照合金成分及烧损量配备原材料，并将原材料在真空环境下熔炼并浇注成合金锭；

步骤2，将合金锭依次进行均匀化和热变形处理；

步骤3，将热变形后的合金在1210℃进行25分钟固溶热处理，然后水冷到室温；

步骤4，中温短期时效处理：将固溶热处理后的合金加热到790℃，保温60min，空冷至室温，得到的奥氏体耐热钢，在晶内获得纳米尺度的Z相，并且在晶界获得M₂₃C₆相。

本优选实例中，合金锭在1180℃均匀化25小时。均匀化后的合金锭在1000℃进行热变形处理。