CN112080621B

CN112080621B - 一种管模材料及其锻后热处理方法

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Publication number: CN112080621B
Application number: CN202010874723.XA
Authority: CN
Inventors: 温玉磊; 杨后雷; 刘崇鲁; 李潜; 李福强
Original assignee: Tongyu Heavy Industry Co Ltd
Current assignee: Tongyu Heavy Industry Co Ltd
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2022-07-22
Anticipated expiration: 2040-08-27
Also published as: CN112080621A

Abstract

本发明提供一种管模材料及其锻后热处理方法，从而解决现有管模粗晶和混晶现象严重，韧塑性会大幅度降低的问题。所述管模材料包括以下原料组分及质量百分含量：C 0.16～0.23％、Si 0.20～0.40％、Mn 0.20～0.40％、P≤0.010％、S≤0.005％、Cr 2.30～2.60％、Mo 0.30～0.45％、Ni≤0.5％、V 0.03‑0.08％、余量为Fe和不可避免杂质。所述锻后热处理方法，包括：空冷至表面温度在700～750℃时装炉待料并保温；炉冷至500～600℃时保温处理；再升温至900～940℃时保温；炉冷至700～750℃时保温；降温至300℃以下出炉。

Description

一种管模材料及其锻后热处理方法

技术领域

本发明涉及大型锻件工艺技术领域，具体涉及一种管模材料及其锻后热处理方法。

背景技术

在实际生产过程中，DN800及以上的大型管模由于在锻造过程中加热温度高、周期长，需要多次加热，在高温区域停留时间较长，加之锻造变形分布不均匀等原因，往往锻造之后的晶粒度十分粗大且很不均匀，尤其对于空心管模，其壁厚较薄，在锻后空冷和正火空冷过程中冷却速度较快，冷却后很容易得到粗大的贝氏体非平衡组织，而这种合金含量较高的粗大上贝氏体具有强烈的组织遗传性，采用常规锻后热处理正回火工艺，无法消除组织遗传，粗大晶粒可保留至调质后状态。而严重的粗晶与混晶会影响材料的力学性能，尤其是材料的韧塑性会大幅度降低，将严重影响着管模的使用寿命。需进行返工再次正火热处理，粗晶、混晶现象才能得到改善，这造成了能源消耗和生产周期上的极大浪费。

因此，不断进行管模材料的改良和生产工艺技术的改进，是提高管模使用性能的有效途径和方法，也是目前提高管模质量和经济效益所需解决的重要问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种管模材料及其锻后热处理方法，从而解决现有管模粗晶和混晶现象严重，韧塑性会大幅度降低的问题。

为了实现上述目的或者其他目的，本发明提供一种管模材料，以管模材料原料组分的总质量为基准计，所述管模材料包括以下原料组分及质量百分含量：C 0.16～0.23％、Si 0.20～0.40％、Mn 0.20～0.40％、P≤0.010％、S≤0.005％、Cr 2.30～2.60％、Mo 0.30～0.45％、Ni≤0.5％、V 0.03-0.08％、余量为Fe和不可避免杂质。

作为本发明一示例，所述V的质量百分含量为0.03-0.05％

本发明还提供一种管模锻后热处理方法，包括以下过程：

S1：管模锻造成型后，空冷至表面温度700～750℃时装炉待料并保温处理；

S2：炉冷至500～600℃时，保温处理；

S3：再升温至900～940℃时，保温处理；

S4：炉冷至700～750℃时，保温处理；

S5：降温至300℃以下后，出炉。

作为本发明一示例，在步骤S1中，所述保温处理的过程中，每100mm壁厚保温0.5-2h。

作为本发明一示例，在步骤S2中，所述保温处理的过程中，每100mm壁厚保温0.5-2h。

作为本发明一示例，在步骤S3中，所述保温处理的过程中，每100mm壁厚保温1-3h。

作为本发明一示例，在步骤S4中，所述保温处理的过程中，每100mm壁厚保温2-4h。

作为本发明一示例，在步骤S1中的所述表面温度是指管模最大直径段的外表面温度。

本发明管模材料，经微合金化处理，细化了管模的晶粒度，提高管模强韧性、高温性能和耐疲劳性能。锻后热处理采用控制装炉温度和等温退火处理，有效阻断组织遗传，改善大型管模锻后晶粒度，减少了锻件锻后的正火次数，避免了能源浪费，节约了生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法一实施例的流程示意图；

图2为由本发明材料和方法制造出的管模的金相照片；

图3为由传统材料和方法制造出的管模的金相照片；

图4为本发明一实施中管模的结构简图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。

当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。

管模是用于浇铸球墨铸铁管的模具，是水冷金属型离心铸管机生产球墨铸铁管所用大型热工设备的关键部件。管模工作使用环境极端恶劣，浇铸时在高速旋转下内表面与1200～ 1260℃的高温铁水直接接触，而外表面通冷却水浸泡或喷淋冷却水以降温，长期处在冷-热交变载荷作用下，当应力超过材料的疲劳极限时就会发生疲劳裂纹，在内孔表面出现网状龟裂，网状龟裂达到一定深度时就会影响使用甚至造成管模报废。

管模属于易耗损模具，其实际使用寿命除与使用条件和维护有关外，主要由管模的产品质量所决定。目前管模材料最常用的是21CrMo10，其具有一定的强韧性和焊接性能。为减缓管模在使用过程中内壁早期发生疲劳龟裂，从而增加管模的使用寿命、提高经济效益，对管模材料的强度与韧塑性以及热疲劳性能提出了更高要求。

在实际生产过程中，对于DN800及以上的大型管模由于在锻造过程中加热温度高、周期长，需要多次加热，在高温区域停留时间较长，加之锻造变形分布不均匀等原因，往往锻造之后的晶粒度十分粗大且很不均匀，尤其对于空心管模，其壁厚较薄，在锻后空冷和正火空冷过程中冷却速度较快，冷却后很容易得到粗大的贝氏体非平衡组织，而这种合金含量较高的粗大上贝氏体具有强烈的组织遗传性，采用常规锻后热处理正回火工艺，无法消除组织遗传，粗大晶粒可保留至调质后状态。而严重的粗晶与混晶现象会影响材料的力学性能，尤其是材料的韧塑性会大幅度降低，将严重影响着管模的使用寿命。需进行返工再次正火热处理，粗晶、混晶现象才能得到改善，这造成了能源消耗和生产周期上的极大浪费。

为了解决上述问题，本发明提供一种管模材料，以管模材料原料组分的总质量为基准计，所述管模材料包括以下原料组分及质量百分含量：C 0.16～0.23％、Si 0.20～0.40％、Mn 0.20～0.40％、P≤0.010％、S≤0.005％、Cr 2.30～2.60％、Mo 0.30～0.45％、Ni≤0.5％、V 0.03～0.08％、余量为Fe和不可避免杂质。

本发明管模材料中V在0.03～0.08％之间取值，均可以细化钢的晶粒和组织,并增加钢的回火稳定性和增强二次硬化效应，从而提高管模高温使用性能，作为本发明一较佳示例，本实施例中，所述V的质量百分含量为0.03-0.05％，在此范围内取值钢的晶粒和组织会细化的更加均匀。

本发明还提供一种管模锻后热处理方法，其中以管模材料原料组分的总质量为基准计，所述管模材料包括以下原料组分及质量百分含量：C 0.16～0.23％、Si 0.20～0.40％、Mn 0.20～0.40％、P≤0.010％、S≤0.005％、Cr 2.30～2.60％、Mo 0.30～0.45％、Ni≤0.5％、V 0.03～0.05％、余量为Fe和不可避免杂质。所述管模为DN800及以上空心管模，请参阅图1，所述锻后热处理方法包括以下过程：

S2：炉冷至500～600℃时，保温处理；

S3：再升温至900～940℃时，保温处理；

S4：炉冷至700～750℃时，保温处理；

S5：降温至300℃以下后，出炉。

在本发明一实施例中，在上述步骤S1中，对经高温锻造成形型后的管模放置在空气中，进行冷却，当管模的表面温度冷却至700～750℃时，吊装入炉内待料，并在700～750℃进行保温处理。保温处理的过程中，每100mm壁厚保温0.5-2h，当壁厚为tmm时，保温时长为(t/100) ×(0.5～2)小时。

在本发明一实施例中，在上述步骤S2中，炉冷至500～600℃时保温处理。保温处理的过程中，每100mm壁厚保温0.5-2h，当壁厚为tmm时，保温时长为(t/100)×(0.5～2)小时。

在本发明一实施例中，在上述步骤S3中，将经步骤S2保温处理后的管模，再升温至900～ 940℃时保温处理。保温处理的过程中，每100mm壁厚保温1-3h，当壁厚为tmm时，保温时长为(t/100)×(1～3)小时。

在本发明一实施例中，在上述步骤S4中，在经步骤S3保温处理后的管模炉冷至700～ 750℃时保温处理。保温处理的过程中，每100mm壁厚保温2-4h，当壁厚为tmm时，保温时长为(t/100)×(2～4)小时。

在本发明一实施例中，在上述步骤S5中：将经步骤S4处理后的管模降温至300℃以下后，出炉。

需要进一步说明的是，在上述步骤S1中，所述的管模表面温度均是指管模最大直径段的外表面温度，即图4中的最大直径段D外圆柱面的温度。管模的壁厚t为最大直径段的壁厚。

本发明管模材料中添加有一定量的V元素，来细化钢的晶粒和组织,并增加钢的回火稳定性和增强二次硬化效应，从而提高管模高温使用性能。锻造后通过控制装炉温度，避免锻造过程产生的粗大奥氏体晶粒转变为贝氏体非平衡组织，锻后热处理进行等温退火处理，有效消除了组织遗传，使奥氏体充分转变为铁素体和珠光体平衡组织，为后续调质热处理进一步细化晶粒、提高管模综合性能和使用寿命做好充足的组织准备。

采用上述管模材料和热处理方法得到的管模进行组织形态分析和调质后的性能测试，具体各项性能见表1，管模的金相照片见图2，由图2可见，由发明材料制成的管模经过以上锻后热处理工艺后的管模晶粒度达到6级。

表1

对比例

将传统管模材料21CrMo10锻造成管模后，采用以下传统锻后热处理工艺：

空冷至表面温度300～400℃时装炉待料并等温，随后升温并等温进行正火处理，正火采用空冷方式，冷至300-400℃时装炉进行回火处理，制成传统管模。并对传统管模进行组织形态分析和调质后的性能测试，具体各项性能见表2，传统管模的金相照片的金相照片见图3，由图3可见，经过以上锻后热处理工艺的管模晶粒度4-5级部分1-2级，有严重混晶现象。

表2

综上，本发明一种管模材料及其锻后热处理方法，细化了管模的晶粒度，提高管模强韧性、高温性能和耐疲劳性能。锻后热处理采用控制装炉温度和等温退火处理，有效阻断组织遗传，改善大型管模锻后晶粒度，减少了锻件锻后的正火次数，避免了能源浪费，节约了生产成本。所以，本发明具有很高的利用价值和使用意义。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种管模锻后热处理方法，其特征在于，包括以下过程：

S2：炉冷至500～600℃时，保温处理；

S3：再升温至900～940℃时，保温处理；

S4：炉冷至700～750℃时，保温处理；

S5：降温至300℃以下后，出炉；

其中，以管模材料原料组分的总质量为基准计，所述管模包括以下原料组分及质量百分含量的材料组成：C 0.16～0.23％、Si 0.20～0.40％、Mn 0.20～0.40％、P≤0.010％、S≤0.005％、Cr 2.30～2.60％、Mo 0.30～0.45％、Ni≤0.5％、V 0.03-0.08％、余量为Fe和不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的管模锻后热处理方法，其特征在于，所述V的质量百分含量为0.03-0.05％。

3.根据权利要求1所述的管模锻后热处理方法，其特征在于，在步骤S1中，所述保温处理的过程中,每100mm壁厚保温0.5-2h。

4.根据权利要求1所述的管模锻后热处理方法，其特征在于，在步骤S2中，所述保温处理的过程中,每100mm壁厚保温0.5-2h。

5.根据权利要求1所述的管模锻后热处理方法，其特征在于，在步骤S3中，所述保温处理的过程中,每100mm壁厚保温1-3h。

6.根据权利要求1所述的管模锻后热处理方法，其特征在于，在步骤S4中，所述保温处理的过程中,每100mm壁厚保温2-4h。

7.根据权利要求1所述的管模锻后热处理方法，其特征在于，在步骤S1中的所述表面温度是指管模最大直径段的外表面温度。