CN116103582A - 一种高横纵冲击比叶片钢的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高横纵冲击比叶片钢的制备方法，包括：将电渣锭加热保温；对加热后的钢锭进行快锻开坯，快锻开坯采用两镦两拔；将快锻后的钢锭精锻成型；将精锻后的锻件进行退火热处理；其中，叶片钢包括以下组分：C：0.08～0.17％，Si≤0.3％，Mn：0.50～0.90％，Cr：11.0～12.75％，Ni：2.0～3.0％，Mo：1.50～2.00％，V：0.25～0.40％，N：0.01～0.05％，Al≤0.04％，余量为Fe及杂质元素。该方法通过化学成分、热变形以及热处理工艺控制，使得叶片钢的横纵向冲击比值达92％以上，完全满足用户要求的不低于90％的指标，且该方法生产成本低。

Description

一种高横纵冲击比叶片钢的制备方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金、金属加工技术领域，更具体地涉及一种高横纵冲击比叶片钢的制备方法。
背景技术
1Cr12Ni3Mo2VN钢是一种新型Cr-Ni-Mo-V-N型超临界、超超临界叶片用钢，是我国新引进的钢种，可用于制造超(超)临界火电机组的末级长叶片以及紧固件、航空发动机中机匣等大锻件。由于叶片长期工作在高温、高压、潮湿环境中，要求叶片具有优良的耐蚀性、抗高温蠕变性能、高的断裂韧性、疲劳强度和抗氧化性等。叶片作为汽轮机关键部件在服役过程中多向受力，因此，提高叶片等向性，改善叶片钢横向韧性和塑性，可大幅提高叶片钢的使用寿命及服役安全性。
从目前国内的生产情况来看，为满足较高的横纵向冲击比值的要求，该钢种叶片钢大多数还依赖于进口，其成本高昂。目前国内在生产高横纵向冲击比值要求的钢坯时，需要通过增加镦拔道次和反复热处理来改善其带状组织，在实际生产过程中大大增加了生产成本。
基于以上的技术背景，有必要提出一种新的高横纵冲击比叶片钢的制备方法以降低其成本，同时有效改善其带状组织。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高横纵冲击比叶片钢的制备方法以解决现有技术中存在的上述问题中的至少一项。本发明的方法通过化学成分冶炼控制、热变形工艺控制，以及后续热处理工艺控制技术，得到的该叶片钢的横纵向冲击比值达92％以上，完全满足用户要求的90％的技术要求，且该方法生产成本低。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一方面，提供一种高横纵冲击比叶片钢的制备方法，包括下列步骤：
步骤1)：将电渣锭置于加热炉中加热保温；
步骤2)：加热后的钢锭出加热炉进行快锻开坯，所述快锻开坯采用两镦两拔；
步骤3)：将快锻后的所述钢锭进行精锻成型；
步骤4)：将精锻后的锻件进行退火热处理；
其中，所述叶片钢包括按重量百分比计的以下组分：C：0.08～0.17％，Si≤0.3％，Mn：0.50～0.90％，Cr：11.0～12.75％，Ni：2.0～3.0％，Mo：1.50～2.00％，V：0.25～0.40％，N：0.01～0.05％，Al≤0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
根据本发明的一个实施例，所述不可避免的杂质元素包括P和S，要求按重量百分比计P≤0.020％，S≤0.0015％。
根据本发明的一个实施例，步骤1)中的所述加热保温包括将所述电渣锭置于所述加热炉中，按≤80℃/h的加热速率加热至800～850℃，保温1～2小时，再按≤90℃/h的加热速率加热至1170～1200℃，保温2～5小时。
根据本发明的一个实施例，步骤2)中的所述两镦两拔包括：
一次镦拔：将所述钢锭镦粗，使得钢锭长度为原始长度的30％，再将镦粗后的所述钢锭沿轴向方向拔长至原始长度；
二次镦拔：将经过所述一次镦拔的所述钢锭镦粗至长度不小于原始长度的1/2，再沿轴向将所述钢锭拔长至原始长度。
根据本发明的一个实施例，所述一次镦拔和所述二次镦拔之间还进行加热保温操作，其中将一镦一拔的钢锭返回所述加热炉进行再次加热回炉，回炉温度为1150～1170℃，保温1～2小时后，出炉进行所述二次镦拔。
根据本发明的一个实施例，开锻温度不低于1140～1160℃，终锻温度不低于940～960℃。
根据本发明的一个实施例，其中步骤3)的所述精锻成型包括将快锻开坯后的钢坯置于加热炉中进行加热保温，再将加热后的快锻钢坯经精锻机精锻成型为成品规格。
根据本发明的一个实施例，快锻开坯后的所述钢坯在加热炉中的加热温度为1110～1130℃，保温2～4小时。
根据本发明的一个实施例，其中步骤4)的所述退火热处理包括将锻件按≤120℃/h的加热速率加热到680～720℃进行保温，随炉缓冷至料温降至200℃后出炉空冷。
根据本发明的一个实施例，步骤4)中保温时间t按t(h)＝10+0.03*(棒材直径mm-100)来确定。
本发明提供的高横纵冲击比叶片钢的制备方法，通过化学成分冶炼控制、热变形工艺控制，以及后续热处理工艺控制技术，得到的该叶片钢的横纵向冲击比值达92％以上，完全满足用户要求的90％的技术要求，从而避免了因横纵向冲击比值较低而增加镦拔次数，或因横纵向冲击比值波动较大而反复热处理而增加的成本，产品合格率高，为该叶片钢的低成本生产提供了技术支撑。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1示例性地示出了根据本发明的高横纵冲击比叶片钢的制备方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示例性地示出了根据本发明的高横纵冲击比叶片钢的制备方法的流程图。
如图所示，该方法总体包括下列步骤：
步骤S1：将电渣锭置于加热炉中加热保温；
步骤S2：加热后的钢锭出加热炉进行快锻开坯，快锻开坯采用两镦两拔；
步骤S3：将快锻后的钢锭进行精锻成型；
步骤S4：将精锻后的锻件进行退火热处理；
其中，叶片钢包括按重量百分比计的以下组分：C：0.08～0.17％，Si≤0.3％，Mn：0.50～0.90％，Cr：11.0～12.75％，Ni：2.0～3.0％，Mo：1.50～2.00％，V：0.25～0.40％，N：0.01～0.05％，Al≤0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。不可避免的杂质元素包括P和S，要求按重量百分比计P≤0.020％，S≤0.0015％。
本发明的叶片钢将化学成分设计为合金含量较高。该钢化学成分的设计首先满足了用户技术协议要求；其次，获得了良好的综合力学性能。其中，重点控制铬镍当量配比，以防止产生大量的δ铁素体，从而影响该钢的力学性能。
碳是钢中最重要的合金元素，它可以形成碳化物或与氮一起形成碳氮化物，从而提高钢的高温强度，并且对长时间服役的强度也有贡献。此外，碳还会强烈影响钢的硬度、冲击韧性和耐磨性，同时也是强烈奥氏体形成元素，有利于降低钢中δ铁素体的形成。本发明中将碳含量控制在0.08～0.17％。
锰可以用作脱氧剂，其可以控制钢中Mn/S含量，有利于提高钢的锻、轧的热塑性，防止热变形开裂，明显减少坯材裂纹及提高成材率。本发明中将锰含量控制在0.50～0.90％。
铬在叶片钢中的主要作用是抗氧化和耐腐蚀，它与碳一起形成碳化物，可以提高钢的硬度和强度，从而改善耐磨损性能。此外，铬还能增加钢的淬硬性和淬透能力，提高碳化物在奥氏体中的溶解度，阻止高温时碳化物的聚集，但是过高的铬含量会有损钢的高温强度。本发明中将铬含量控制在11.0～12.75％，这样既提高了材料的耐蚀性能，又防止铬当量过大而产生大量的δ铁素体。
镍主要用于提高钢的延性，但镍添加量过高会降低碳在基体中的固溶度，增加二次硬化强度。镍作为奥氏体形成元素，提高镍当量，从而抑制δ铁素体的产生。同时提高材料的力学性能。本发明中将镍含量控制在11.0～12.75％。
钼的主要作用是提高钢在氧化条件下的耐腐蚀性能，防止回火脆性，而且可以提高钢的高温强度，但钼含量高时在高温极易脱碳，造成热加工性能不佳。适宜的Mo含量可以起到细化晶粒的作用，从而提高材料的力学性能。本发明中将钼含量控制在1.50～2.00％。
钒是强碳化物形成元素，可以起到二次硬化的作用，提高钢在各回火阶段的强度。钒含量过高会造成基体中钒含量增加，同时析出物变得粗大、呈块状，降低长时蠕变性能，影响强化效果。本发明中将钒含量控制在0.25～0.40％，这样可以防止因温度过高而导致奥氏体晶粒长大。
氮可以扩大奥氏体区，细化晶粒，提高材料的抗氧化性。而且，它可以与碳一起形成复合碳化物，改善钢的综合性能。但钢中氮含量过高会使得冶炼浇注和电渣重熔过程中钢锭易形成氮气孔洞。本发明中将氮含量控制在0.01～0.05％。
硅可以作为强脱氧元素，而且，硅可以促进粗大的一次碳化物的形成。当硅含量高时，钼的平衡固溶度降低，这可以促进铁素体形成。硅含量过低，材料强度不够，过高易引起铁素体基体变脆，材料韧性下降。
铝可以作为脱氧剂和晶粒调整剂，其能与氮结合，消除氮的危害，改善冲击功，且可细化晶粒，有利于提高韧性，但当钢中Al在0.5％以上时，铝对钢的韧性作用已无明显影响。同时铝含量过高容易引起浇铸初始阶段钢液流动性变差，易造成随之结瘤等事故。而且，铝含量太高易形成非金属夹杂物，降低钢的质量。热加工后期，铝的氮化物在奥氏体内弥散析出，这阻碍加工的再结晶，并在A1-A3区间及高温回火时可以有效地阻碍铁素体的晶界迁移，从而细化了晶粒。本发明中将铝含量控制为不高于0.04％。
磷在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大。因此，需要将磷含量在0.020％以下，含量越低越好。
硫会形成硫化亚铁，给钢带来热脆性。因此，需要将硫含量控制在0.0015％以下，含量越低越好。
在步骤S1中，将电渣锭置于加热炉中加热保温。具体地，将电渣锭置于加热炉中，按≤80℃/h的加热速率加热至800～850℃，保温1～2小时，再按≤90℃/h的加热速率加热至1170～1200℃，保温2～5小时。由于该钢合金含量较高，在加热过程中常常会因加热速率过快，而导致钢锭内部存在温度差而产生开裂的现象，因此，先以较低的加热速率进行加热，使电渣锭内外温度充分一致，避免因温度应力开裂。
在步骤S2中，将加热后的钢锭出加热炉进行快锻开坯，快锻开坯采用两镦两拔。具体地，两镦两拔包括一次镦拔和二次镦拔，一次镦拔是将钢锭镦粗，使得钢锭长度为原始长度的30％，再将镦粗后的钢锭沿轴向方向拔长至原始长度，二次镦拔是将经过一次镦拔的钢锭镦粗至长度不小于原始长度的1/2，再沿轴向将钢锭拔长至原始长度。为确保钢坯质量，开锻温度不低于1140～1160℃，终锻温度不低于940～960℃。本方法采用两镦两拔的锻造方法可以细化锻件的晶体组织，反复镦拔有利于破碎材料中的粗大和网状碳化物，可以得到较均匀的力学性能和适中的晶粒度。通过镦粗可以破坏铸态树枝状组织，镦粗既可以提高拔长比，还可以减小锻件力学性能的异向性。此外，通过镦粗和拔长处理，还能够改善坯料内部的疏松或孔洞等缺陷，以获得均质致密的微观组织，从而提升锻件的塑性和力学性能。通过两次镦拔工艺，可以改善钢坯组织均匀性，提高钢锭组织的同向性，从而减少横、纵向组织的差异性而提高其横向冲击韧性。
可选地，在本发明的一些实施例中，一次镦拔和二次镦拔之间还进行加热保温操作，其中将一镦一拔的钢锭返回加热炉进行再次加热回炉，回炉温度为1150～1170℃，保温1～2小时后，出炉进行二次镦拔。
在步骤S3中，将快锻后的钢锭进行精锻成型。具体地，将快锻开坯后的钢坯置于加热炉中进行加热保温，再将加热后的快锻钢坯经精锻机精锻成型为成品规格。钢坯在加热炉中的加热温度为1110～1130℃，保温2～4小时。
在步骤S4中，将精锻后的锻件进行退火热处理。由于钢材在热轧或锻造后，在冷却过程中因表面和心部冷却速度不同，造成内外温差会产生残余应力。为防止合金含量较高的叶片钢1Cr12Ni3Mo2VN锻造后变形开裂，锻造后应及时进行去应力退火热处理。具体地，将锻件按≤120℃/h的加热速率加热到680～720℃进行保温，保温时间t按t(h)＝10+0.03*(棒材直径mm-100)，随炉缓冷至料温200℃后出炉空冷。
以下为根据本发明的高横纵冲击比叶片钢的制备方法的具体实施例。除非另有说明，下列实施例中所使用的原料、设备、耗材等均可通过常规商业手段获得。
对于涉及数值范围的部分，本领域技术人员可依据实际需要选择本发明所限定的数值范围中的任意值，并不局限于具体实施例中所列的数值。
表1为下述实施例1-3中的产品技术要求：
表1产品技术要求
钢号 外径(mm) 横纵向冲击比值
1Cr12Ni3Mo2VN Φ350～550 0.9
实施例1
本实施例的钢坯具体规格为Φ350mm，该钢坯包括按重量百分比计的以下组分：C：0.08％，Si≤0.3％，Mn：0.50％，Cr：11.0％，Ni：2.0％，Mo：1.50％，V：0.25％，N：0.01％，Al≤0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
其制备工艺如下：
(1)电渣锭加热
将电渣锭置于加热炉中，按80℃/h的加热速率加热至840℃，保温1小时，再按90℃/h的加热速率加热至1170℃，保温3小时。
(2)电渣锭快锻开坯
加热后的长度为H的电渣锭快锻开坯采用两镦两拔的工艺：
一次镦拔：电渣锭镦粗采用上下弧形托盘，将电渣锭沿轴向方向压缩至30％H，再将镦粗后的钢锭采用上下500mm平砧沿轴向方向拔长至原始长度H。最后将一次镦拔后的钢锭返回加热炉进行再次加热回炉，回炉温度为1160℃，保温1小时。然后进行二次镦拔。
二次镦拔：采用一次镦拔的工艺将再次加热后的钢锭镦粗至长度为1/2H，再沿轴向将钢锭拔长至原始长度H，并制成八角钢锭。为确保钢坯质量，开锻温度通常不低于1150℃，终锻温度不低于950℃。
(3)精锻成型
将快锻后的钢锭进行精锻成型。即，将快锻开坯后的钢坯置于加热炉中进行加热，加热温度为1120℃，保温2.5小时。再将加热后的快锻钢坯在精锻机上精锻为Φ350mm的圆钢坯。
(4)退火热处理
将锻件按120℃/h的加热速率加热到700℃，保温17.5小时，随炉缓冷至料温200℃后出炉空冷。
实施例2
本实施例的钢坯具体规格为Φ450mm，该钢坯包括按重量百分比计的以下组分：C：0.12％，Si≤0.3％，Mn：0.70％，Cr：12.0％，Ni：2.5％，Mo：1.75％，V：0.35％，N：0.03％，Al≤0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
其制备工艺如下：
(1)电渣锭加热
将电渣锭置于加热炉中，按70℃/h的加热速率加热至825℃，保温1.5小时，再按80℃/h的加热速率加热至1170℃，保温3.5小时。
(2)电渣锭快锻开坯
加热后的长度为H的电渣锭快锻开坯采用两镦两拔的工艺：
一次镦拔：电渣锭镦粗采用上下弧形托盘，将电渣锭沿轴向方向压缩至30％H，再将镦粗后的钢锭采用上下500mm平砧沿轴向方向拔长至原始长度H。最后将一次镦拔后的钢锭返回加热炉进行再次加热回炉，回炉温度为1160℃，保温1.5小时。然后进行二次镦拔。
二次镦拔：采用一次镦拔的工艺将再次加热后的钢锭镦粗至长度为1/2H，再沿轴向将钢锭拔长至原始长度H，并制成八角钢锭。为确保钢坯质量，开锻温度通常不低于1150℃，终锻温度不低于950℃。
(3)精锻成型
将快锻后的钢锭进行精锻成型。即，将快锻开坯后的钢坯置于加热炉中进行加热，加热温度为1120℃，保温3小时。再将加热后的快锻钢坯在精锻机上精锻为Φ450mm的圆钢坯。
(4)退火热处理
将锻件按110℃/h的加热速率加热到700℃，保温20.5小时，随炉缓冷至料温200℃后出炉空冷。
实施例3
本实施例的钢坯具体规格为Φ550mm，该钢坯包括按重量百分比计的以下组分：C：0.17％，Si≤0.3％，Mn：0.85％，Cr：12.75％，Ni：3.0％，Mo：2.00％，V：0.40％，N：0.04％，Al≤0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
其制备工艺如下：
(1)电渣锭加热
将电渣锭置于加热炉中，按60℃/h的加热速率加热至830℃，保温2小时，再按70℃/h的加热速率加热至1170℃，保温4.5小时。
(2)电渣锭快锻开坯
加热后的长度为H的电渣锭快锻开坯采用两镦两拔的工艺：
一次镦拔：电渣锭镦粗采用上下弧形托盘，将电渣锭沿轴向方向压缩至30％H，再将镦粗后的钢锭采用上下500mm平砧沿轴向方向拔长至原始长度H。最后将一次镦拔后的钢锭返回加热炉进行再次加热回炉，回炉温度为1160℃，保温2小时。然后进行二次镦拔。
二次镦拔：采用一次镦拔的工艺将再次加热后的钢锭镦粗至长度为1/2H，再沿轴向将钢锭拔长至原始长度H，并制成八角钢锭。为确保钢坯质量，开锻温度通常不低于1150℃，终锻温度不低于950℃。
(3)精锻成型
将快锻后的钢锭进行精锻成型。即，将快锻开坯后的钢坯置于加热炉中进行加热，加热温度为1120℃，保温3.5小时。再将加热后的快锻钢坯在精锻机上精锻为Φ550mm的圆钢坯。
(4)退火热处理
将锻件按100℃/h的加热速率加热到700℃，保温23.5小时，随炉缓冷至料温200℃后出炉空冷。
根据上述实施例1-3所获得的产品经调质热处理后的冲击韧性如表2所示：
表2产品力学性能
Figure BDA0004106689470000111
由表1和表2可知，根据本实施例方法获得的产品经调质热处理后产品的横纵向冲击比值完全满足不小于0.90的要求，且产品合格率由75％提升至92％。该方法不需要经过很多道次的镦拔和反复的热处理，其节省了生产高横纵冲击比叶片钢1Cr12Ni3Mo2VN的成本。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种高横纵冲击比叶片钢的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1)：将电渣锭置于加热炉中加热保温；
步骤2)：加热后的钢锭出加热炉进行快锻开坯，所述快锻开坯采用两镦两拔；
步骤3)：将快锻后的所述钢锭进行精锻成型；
步骤4)：将精锻后的锻件进行退火热处理；
其中，所述叶片钢包括按重量百分比计的以下组分：C：0.08～0.17％，Si≤0.3％，Mn：0.50～0.90％，Cr：11.0～12.75％，Ni：2.0～3.0％，Mo：1.50～2.00％，V：0.25～0.40％，N：0.01～0.05％，Al≤0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不可避免的杂质元素包括P和S，要求按重量百分比计P≤0.020％，S≤0.0015％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中的所述加热保温包括将所述电渣锭置于所述加热炉中，按≤80℃/h的加热速率加热至800～850℃，保温1～2小时，再按≤90℃/h的加热速率加热至1170～1200℃，保温2～5小时。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中的所述两镦两拔包括：
一次镦拔：将所述钢锭镦粗，使得钢锭长度为原始长度的30％，再将镦粗后的所述钢锭沿轴向方向拔长至原始长度；
二次镦拔：将经过所述一次镦拔的所述钢锭镦粗至长度不小于原始长度的1/2，再沿轴向将所述钢锭拔长至原始长度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述一次镦拔和所述二次镦拔之间还进行加热保温操作，其中将一镦一拔的钢锭返回所述加热炉进行再次加热回炉，回炉温度为1150～1170℃，保温1～2小时后，出炉进行所述二次镦拔。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，开锻温度不低于1140～1160℃，终锻温度不低于940～960℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤3)的所述精锻成型包括将快锻开坯后的钢坯置于加热炉中进行加热保温，再将加热后的快锻钢坯经精锻机精锻成型为成品规格。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，快锻开坯后的所述钢坯在加热炉中的加热温度为1110～1130℃，保温2～4小时。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤4)的所述退火热处理包括将锻件按≤120℃/h的加热速率加热到680～720℃进行保温，随炉缓冷至料温降至200℃后出炉空冷。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤4)中保温时间t按t(h)＝10+0.03*(棒材直径mm-100)来确定。
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CN113106206A (zh) * 2021-04-02 2021-07-13 成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司 紧固件用1Cr11Ni2W2MoV耐热钢锻件的制造方法

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