CN104164548B - 一种厚大断面低碳低合金钢铸锻件的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢铁材料热处理领域，特别是一种厚大断面低碳低合金钢铸锻件的热处理工艺，适应于解决大断面低碳低合金钢铸锻件因壁厚大热处理时心部淬不透而产生低温冲击韧性低且不稳定的问题。本发明的特征在于在传统的淬火、回火热处理之间添加一个Ac1以下50℃～90℃温度的退火处理和一个Ac3±25℃温度范围内的中间热处理，同时相应地调整传统工艺的回火温度，从而达到通过中间热处理调节厚大断面心部粒状贝氏体组织中马氏体/奥氏体岛状组织(简称M-A岛)的含量、尺寸、碳浓度、硬度及分布位置的目的，实现与基体组织的良好匹配，进一步通过适当的回火热处理控制粒状贝氏体基体和M-A岛在回火过程的演化来使厚大断面钢铸锻件心部组织具有优良的强韧性。
Description
技术领域
本发明属于钢铁材料热处理领域，特别是一种厚大断面低碳低合金钢(如：Cr‐Mo钢等)铸锻件的热处理工艺。
背景技术
低碳低合金Cr‐Mo钢由于具有较好强韧性以及优异抗氢脆性能、广泛应用与大型加氢反应器，核电缸体以及某些对材料强度、低温韧性以及耐高温性能有一定要求的部件上。在传统工业应用条件下，低碳低合金Cr‐Mo钢铸锻件的标准热处理工艺为淬火+回火。淬火后得到下贝氏体或马氏体组织，而后进行适当温度的回火处理后，材料的强度和塑韧性能达到良好匹配。
但随着加氢装置规模的不断扩大和核电功率的不断增大，低碳低合金Cr‐Mo钢铸锻件的尺寸和壁厚显著增加，在实际制造热处理过程中淬火冷却能力不足，虽然在某些大型锻件淬火时采用了高压喷水冷却方式来提高淬火冷却速度，但其心部仍然难以淬透，同时容易引起锻件严重变形甚至开裂。因此，厚大断面(一般指断面厚度为100～600mm)低碳低合金CrMo钢铸锻件在淬火后心部容易得到以韧性较差的粒状贝氏体为主的中温转变产物，严重影响了大型工件心部的低温冲击韧性。
为了提高厚大断面低碳低合金CrMo钢铸锻件的心部性能，也有一些文献报道，采用亚温临界热处理工艺来提高材料的低温冲击韧性，由于亚临界温度奥氏体化，使得组织中含未溶铁素体含量较高，不仅大大降低了材料的强度，而且大幅降低了材料的高温持久性能，对于对材料高温性能有特殊要求的部分铸锻件不适合使用。
因此，如何通过简单的热处理工艺在不依靠冷速的条件下实现厚大断面低合金CrMo钢以及其他低碳低合金钢心部强度和塑韧性的良好结合，对于厚大断面低合金CrMo钢以及其他低碳低合金钢铸锻件的生产制造具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种厚大断面低碳低合金钢铸锻件的热处理工艺，在尽量不增加或者少量增加生产成本的前提下，不改变铸、锻件合金成分，仅通过改进热处理工艺，来调整材料组织中各相性质，调节各相的总量、尺寸及分布，改善厚大断面低碳低合金钢(如：Cr‐Mo钢等)铸锻件心部组织，进而使大型铸锻件的强度和塑韧性均得到有效提高。
本发明的技术方案是：
一种厚大断面低碳低合金钢铸锻件的热处理工艺，该工艺包括以下步骤：
(1)将厚大断面低碳低合金钢铸锻件在Ac3以上40℃～100℃范围内进行淬火处理，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长0.5～1小时计算；
(2)淬火完成后，进行Ac1以下50℃～90℃温度的退火处理，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长0.5～2小时计算，保温结束后以空冷或炉冷方式冷却；
(3)退火完成后，进行Ac3±25℃温度范围内的中间热处理，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长0.5～1小时计算；
(4)中间热处理后，进行Ac1以下60℃～110℃温度范围内的回火处理，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长1～2小时计算。
所述的厚大断面低碳低合金钢铸锻件的热处理工艺，步骤1)的淬火热处理、步骤3)的中间热处理和步骤4)的回火热处理，保温结束后在不引起工件开裂或严重变形条件下，采用尽量快的冷却速度冷却至室温。
所述的厚大断面低碳低合金钢铸锻件的热处理工艺，步骤3)的中间热处理，奥氏体化温度要控制在Ac3±25℃温度范围内，且当在Ac3以下奥氏体化时，应将未溶铁素体含量控制在10wt％以内。
所述的厚大断面低碳低合金钢铸锻件的热处理工艺，步骤4)采用的回火热处理，要充分考虑到M‐A岛分解情况对材料的强韧性影响，避免析出沿晶界分布的粗大的碳化物。
所述的厚大断面低碳低合金钢铸锻件的热处理工艺，低碳低合金钢为合金元素含量不超过5wt.％的Cr‐Mo系钢；或者，低碳低合金钢为合金元素含量不超过5wt.％的低合金贝氏体钢：NiCr系、MnMoNi系、SiMn系、SiMnMo系、CrMnSi系、CrMnMo系或CrNiMo系。按重量百分比计，低碳低合金钢合金元素主要包含：C≤0.30％、Mn≤1.5％、Cr≤4％、Mo≤1.5％、V≤0.5％以及微量合金元素Nb、Ti、B之一种以上，合金元素的质量分数总和不超过5％。
所述的厚大断面低碳低合金钢铸锻件的热处理工艺，厚大断面低碳低合金钢铸锻件的壁厚在100～600mm。
本发明的设计思想和原理如下：
本发明与现有工艺通过改变冷速来提高厚大断面低碳低合金钢(如：CrMo钢等)铸锻件心部性能的思路有显著不同。本发明的主要思路是在不改变冷速的条件下，在传统调制热处理淬火和回火热处理之间，通过添加中间处理，改变粒状贝氏体在连续冷却动力学转变，来控制厚大断面低碳低合金钢(如：CrMo钢等)铸锻件心部粒状贝氏体的形成倾向，特别是粒状贝氏体中的马氏体/奥氏体岛(M‐A岛)的性质、总量、形貌、尺寸、分布状态，并通过后续适当调整回火热处理制度来控制粒状贝氏体基体和岛状相在回火过程的演化，从而达到对低碳低合金粒状贝氏体钢的强韧匹配优化目的。最终，使得采用本发明的热处理工艺条件获得比传统热处理工艺具有更好的强韧性匹配。具体原理如下：
1、本发明采用的Ac3±25℃温度范围内的中间热处理，要求奥氏体化未溶铁素体含量控制在10wt％以内，保温后以一定的冷却速度冷却至室温，目的是使得材料的显微组织发生一定的改变。具体地说即，通过中间热处理改变了低碳低合金钢(如：Cr‐Mo钢等)的连续冷却相变(即改变了CCT曲线的位置)，特别是对粒状贝氏体转变动力学产生明显的影响。中间热处理导致CCT曲线左移，降低了粒状贝氏体的形成倾向，使相变在较高的温度下，以较缓慢的速度进行，粒状贝氏体中M‐A岛组织中富碳程度降低，M‐A岛与基体组织相对硬度差减小，同时M‐A岛的总量和尺寸都得到一定减少，且分布更加均匀。从而可以实现在不降低材料强度或者轻微降低强度的条件下，大幅度提高材料的冲击韧性，能够很好的优化材料的强韧性。
2、同时，本发明在中间热处理前添加一道退火热处理，主要目的是消除以非平衡态组织(淬火组织)作为中间热处理原始组织可能带来的加热速度对组织转变的影响，而且能够避免大型铸锻件在中间热处理过程中变形、开裂以及组织遗传。
3、本发明在中间热处理之后设计了回火工艺，不仅能够消除材料在淬火时产生的残余应力，而且能够对粒状贝氏体组织中M‐A岛在回火过程的演化以及贝氏体基体的软化中起着重要的作用，进而更好的优化组织中各相匹配问题，最终使材料具有良好的综合力学性能。
本发明与现有工艺对比的技术优势：
基于上述原理可以看出，本发明工艺与现有技术相比存在以下优点：(1)本发明中的中间热处理主要是通过调节粒状贝氏体两相匹配来达到提高材料的综合力学性能，而传统的临界区热处理奥氏体化温度相对较低(一般在Ac1以上30～50℃之间)，主要是利用控制未溶铁素体的量以及分布、形态来优化材料的力学性能，因此采用临界区热处理往往是通过牺牲一定强度而提高材料的冲击韧性的，不能满足低碳低合金钢(如：CrMo钢等)铸锻件对热强性的要求。(2)本发明在中间热处理之前的材料为平衡态组织，有利于在中间热处理后得到更加均匀的组织；而一般的临界区热处理是添加于调质热处理工艺之间，即以非平衡态组织(淬火组织以及淬火未经充分回火组织)作为临界热处理，此热处理工艺时容易使得工件(特别对于大型铸锻件)变形、开裂，同时非平衡态组织再次加热可能继承第一次加热所形成的粗大组织、材料在加热过程组织转变变得复杂，对于大型铸锻件而言，由于加热速度的不均而可能造成性能的不稳定。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明在没有改变大型压力容器用低碳低合金钢(如：Cr‐Mo钢等)的化学成分条件下，仅通过对材料的热处理工艺优化，调整材料微观组织中各相的性质，调节各相的总量、尺寸及分布，以及通过优化回火工艺对各相在后续回火过程的演化，进而改善该类钢的强韧性匹配。
2、本发明适用范围广泛，不仅适用于所有应用于大型压力容器用低碳低合金Cr‐Mo系钢，也可以为合金元素含量不超过5wt.％的NiCr系、MnMoNi系、SiMn系、SiMnMo系、CrMnSi系、CrMnMo系或CrNiMo系等低碳低合金贝氏体钢，常用的合金牌号可以为但并不局限于2.25Cr1Mo‐0.25V、G18CrMo2‐6、SA508‐3、15CrMoVA、18Cr2Ni4WA、12CrNi3、35SiMnMo、15SiMnVTi或25SiMoVB等。
附图说明
图1为本发明热处理工艺示意图。
图2为传统热处理工艺示意图。
具体实施方式
为了改善厚大断面低碳低合金钢(如：Cr‐Mo钢等)铸锻件心部强韧性匹配，本发明提出了在传统淬火+回火(即调质热处理)的淬火工艺后增加一道退火处理和中间热处理，同时适当调整回火热处理的温度，从而达到在冷却能力有限的前提下，通过改变粒状贝氏体组织中各组成相的含量、尺寸和分布状态来使材料获得理想的强韧性匹配的方案。具体的实施步骤如下：
(1)首先使用热膨胀法测量拟进行热处理的铸锻件材料的Ac1和Ac3点温度，以制定后续热处理温度范围；
(2)将厚大断面低碳低合金钢(如：CrMo钢等)铸锻件在Ac3以上40℃～100℃范围内进行淬火处理，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长0.5～1小时计算；保温结束后，在不引起工件开裂或严重变形条件下采用尽量快的冷却速度冷却至室温；
(3)淬火完成后，进行Ac1以下50℃～90℃温度的退火处理，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长0.5～2小时计算，保温结束后以空冷或炉冷方式冷却至室温；
(4)退火完成后，进行Ac3±25℃温度范围内的中间热处理，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长0.5～1小时计算；保温结束后，在不引起工件开裂或严重变形条件下采用尽量快的冷却速度冷却至室温；
(5)中间热处理后，进行Ac1以下60℃～110℃温度范围内的回火处理，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长1～2小时计算；保温结束后，在不引起工件开裂或严重变形条件下采用尽量快的冷却速度冷却至室温。
本发明中，所述的“保温按壁厚每增加25mm保温时间延长”，其含义是：
为了很好的体现出本发明热处理工艺显著改善厚大断面低碳低合金钢(如：CrMo钢等)铸锻件心部强韧性匹配效果。在后续具体的实施方案中，本发明列举的传统热处理工艺，用来说明本发明的优越性，但传统热处理工艺并不意味着受本发明保护限制。
为了证实本发明具有较广的应用范围，以及考虑到实际操作的可行性，本发明分别选择一种典型的厚大断面低碳低合金CrMo钢锻件(加氢反应器用2.25Cr1Mo0.25V钢厚板)和一种典型的厚大断面低碳低合金CrMo钢铸件(核电低压G18CrMo2‐6钢缸体)作为实施案例。同时，本发明也可用于MnMoNi系低碳低合金钢锻件，在实施例中以核电SA508‐3钢厚大断面压力容器为例进行说明。
实施例1
本实施例中，大型加氢反应器用2.25Cr‐1Mo‐0.25V钢厚板热处理，具体过程如下：
(1)首先对厚板取样进行化学成分分析，测试结果为0.15C(重量百分比，下同)、0.05Si、2.46Cr、1.01Mo、0.28V、0.15Ni、0.006P、0.002S、Fe余量，结果满足相关标准对2.25Cr‐1Mo‐0.25V钢化学成分要求，且属于本发明适用范围。在轧制厚板上取φ3x10mm的圆棒，使用热膨胀方法测得材料的Ac3、Ac1分别为886℃、776℃。
(2)锻后热处理后，对壁厚为400mm厚的板坯，进行980℃×8h的奥氏体化处理，而后进行喷水淬火处理；
(3)淬火完成后，将板坯在725℃做退火处理，退火保温时间为16小时，采用空冷方式冷却至室温；
(4)退火处理后，将板坯分别做本实施例工艺的中间热处理(工艺一、工艺二奥氏体化温度分别为905℃、870℃)，热处理保温时间为8h，出炉后喷水冷却至室温。
(5)如图1所示，本发明热处理工艺示意图。步骤(4)的试样块分别适当的回火热处理，本实施例的工艺一、工艺二回火温度分别为690℃和670℃，热处理保温时间为16h，出炉后喷水冷却至室温。
(6)如图2所示，传统热处理工艺示意图。为了与本实施例热处理工艺处理对比，另外一块同材质、同尺寸的2.25Cr1Mo0.25V钢厚板，使用传统热处理工艺进行处理，具体热处理工艺为940℃×8h淬火处理+700℃×16h回火处理，淬火和回火冷却方式均为喷水冷却。
(7)从传统热处理工艺、优化工艺一和优化工艺二，三种工艺处理后的厚板中心部位取相同尺寸的试块，加工成拉伸试样及夏比V型冲击试样，分别测试常、高温拉伸力学性能，以及低温冲击性能，测试结果如表1所示。从实验测试结果，本实施例采用工艺一与工艺二均优于传统热处理工艺。
表1：实施例1中2.25Cr‐1Mo‐0.25V钢厚板采用本实施例工艺优化与传统工艺力学性能对比
(8)表2给出了使用本实施例工艺处理和传统工艺处理2.25Cr1Mo0.25V钢厚板中心部位显微组织结构特征，对比可以看出，使用本实施例工艺处理后，粒状贝氏体中的M‐A岛数量和尺寸都比传统工艺有所下降，同时M‐A岛多分布在晶内，且硬度有所下降。M‐A岛这些参数的变化符合本实施例的设计原理，是材料冲击韧性提高的原因。
表2：实施例1中2.25Cr‐1Mo‐0.25V钢厚板采用本实施例工艺和传统工艺热处理后显微组织特征
实施例2
本实施例中，核电用G18CrMo2‐6钢低压缸体热处理，具体过程如下：
(1)本实施例为大型铸件，材质为G18CrMo2‐6钢，最大壁厚500mm厚。首先检测本实施例材料主要化学成分为0.15C、0.61Cr、0.61Mo、0.75Mn、0.75Mn、0.46Ni、Fe余量，符合本发明适用范围。利用热膨胀测的材料的相变点Ac1、Ac3分别为：760℃、880℃。
(2)与实施例1相同，本实施例也首先对铸件进行淬火和退火热处理，但与实施例1区别在于，本实施例淬火奥氏体化温度为920℃、保温20小时，吹风冷至室温；退火温度为670℃、保温40h，炉冷方式冷却至室温。
(3)退火处理后，本实施例对相关铸件进行中间热处理，处理温度采用两种不同温度，即：工艺一，890℃正火；工艺二，855℃正火)。保温时间均为15h，保温结束后，吹风冷至室温。
(4)正火处理后，本实施例对相关铸件进行回火处理，工艺一的回火温度为700℃，工艺二的回火温度为650℃。保温时间均为30h，保温结束后，吹风冷至室温。
(5)为了与本实施例热处理工艺处理对比，对相同的材质，相同尺寸的铸件，进行传统热处理工艺处理(920℃×20h正火处理，吹风冷至室温+680℃×30h回火处理，吹风冷至室温)。
(6)从传统热处理工艺、优化工艺一和优化工艺二，三种工艺处理后的铸件最大壁厚处中心部位取相同尺寸的试块，加工成拉伸试样及夏比V型冲击试样，分别测试常、高温拉伸力学性能，以及低温冲击性能，测试结果如表3所示。从实验测试结果，本实施例采用工艺一与工艺二均优于传统热处理工艺。
表3：G18CrMo2‐6钢采用本实施例工艺优化与传统工艺力学性能对比
实施例3
本实施例中，核电用大型压力容器钢热处理，具体过程如下：
(1)本实施例为大型锻件，材质为SA508‐3牌号的Mn‐Mo‐Ni钢，最大厚壁为350mm。测试材质的主要化学成分为0.23C、0.18Cr、0.48Mo、1.48Mn、0.75Mn、0.8Ni、0.22Si、Fe余量，其中杂质元素范围控制在标准规定的范围内，利用热膨胀测的材料的相变点Ac1、Ac3分别为：714℃、809℃。
(2)与实施例1相同，本实施例也首先对铸件进行淬火和退火热处理，但与实施例1区别在于，本实施例淬火奥氏体化温度为860℃、保温12小时，油淬至室温；退火温度为660℃、保温24h，炉冷方式冷却至室温。
(3)退火处理后，本实施例对相关大型锻件进行中间热处理，处理温度采用两种不同温度，即：工艺一，815℃正火；工艺二，795℃正火。保温时间均为15h，保温结束后，空冷至室温。
(4)中间热处理后，本实施例对相关锻件进行回火处理，工艺一的回火温度为650℃，工艺二的回火温度为640℃。保温时间均为30h，保温结束后，空冷至室温。
(5)为了与本实施例热处理工艺处理对比，对相同的材质，相同尺寸的锻件，进行传统热处理工艺处理(860℃×15h正火处理，空冷至室温+660℃×28h回火处理，空冷至室温)。
(6)从传统热处理工艺、优化工艺一和优化工艺二，三种工艺处理后的铸件最大壁厚处中心部位取相同尺寸的试块，加工成拉伸试样及夏比V型冲击试样，分别测试拉伸力学性能，以及低温冲击性能，测试结果如表4所示。从实验测试结果，本实施例采用工艺一与工艺二均优于传统热处理工艺。
表4：SA508‐3钢采用本实施例工艺优化与传统工艺力学性能对比
实施例结果表明，本发明在传统的淬火、回火热处理之间添加一个Ac1以下50℃～90℃温度的退火处理和一个Ac3±25℃温度范围内的中间热处理，同时相应地调整传统工艺的回火温度，从而达到通过中间热处理调节厚大断面心部粒状贝氏体组织中马氏体/奥氏体岛状组织(简称M‐A岛)的含量、尺寸、碳浓度、硬度及分布位置的目的，实现与基体组织的良好匹配，进一步通过适当的回火热处理控制粒状贝氏体基体和M‐A岛在回火过程的演化来使厚大断面钢铸锻件心部组织具有优良的强韧性。从而，可以解决大断面低碳低合金钢铸锻件因壁厚大热处理时，心部淬不透而产生低温冲击韧性低且不稳定的问题。
Claims (4)
1.一种厚大断面低碳低合金钢铸锻件的热处理工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
（1）将厚大断面低碳低合金钢铸锻件在Ac3以上40℃～100℃范围内进行淬火处理，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长0.5～1小时计算；
（2）淬火完成后，进行Ac1以下50℃～90℃温度的退火处理，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长0.5～2小时计算，保温结束后以空冷或炉冷方式冷却；
（3）退火完成后，进行Ac3±25℃温度范围内的中间热处理，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长0.5～1小时计算；
（4）中间热处理后，进行Ac1以下60℃～110℃温度范围内的回火处理，保温按壁厚每增加25mm保温时间延长1～2小时计算；
步骤1）的淬火热处理、步骤3）的中间热处理和步骤4）的回火热处理，保温结束后在不引起工件开裂或严重变形条件下，采用尽量快的冷却速度冷却至室温；
步骤3）的中间热处理，奥氏体化温度要控制在Ac3±25℃温度范围内，且当在Ac3以下奥氏体化时，应将未溶铁素体含量控制在10wt%以内。
2.按权利要求1所述的厚大断面低碳低合金钢铸锻件的热处理工艺，其特征在于，低碳低合金钢为合金元素含量不超过5wt.%的Cr-Mo系钢；或者，低碳低合金钢为合金元素含量不超过5wt.%的低合金贝氏体钢：NiCr系、MnMoNi系、SiMn系、SiMnMo系、CrMnSi系、CrMnMo系或CrNiMo系。
3.按权利要求2所述的厚大断面低碳低合金钢铸锻件的热处理工艺，其特征在于，按重量百分比计，低碳低合金钢合金元素主要包含：C≤0.30%、Mn≤1.5%、Cr≤4%、Mo≤1.5%、V≤0.5%以及微量合金元素Nb、Ti、B之一种以上，合金元素的质量分数总和不超过5%。
4.按权利要求1所述的厚大断面低碳低合金钢铸锻件的热处理工艺，其特征在于：厚大断面低碳低合金钢铸锻件的壁厚在100～600mm。
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