一種粗晶奧氏體耐熱鋼材料的制造方法
【專利摘要】一種粗晶奧氏體耐熱鋼材料的制造方法，屬于耐熱鋼【技術領域】。使用狀態具有晶粒尺寸粗于ASTM標準4級晶粒度尺寸的奧氏體耐熱鋼管材及棒材；生產壁厚和內徑之比值0.2～1.3的耐熱鋼管材時，直接擠壓成型，采用鑄造→開坯→鏜孔→加熱→擠壓→保溫或升溫處理→水冷的加工工藝；生產具有粗晶奧氏體組織的金屬棒材，采用鑄造→開坯→加熱→鍛造→保溫或升溫處理→水冷的加工工藝。控制的技術參數為：在熱擠壓或熱鍛造變形量為30%～95%后，終擠或終鍛溫度在1050℃～1250℃之間，在1150℃～1250℃熱處理爐中保溫2min～20min，水冷。獲得晶粒尺寸大于ASTM標準4級晶粒度尺寸的粗大奧氏體組織。
【專利說明】一種粗晶奧氏體耐熱鋼材料的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于耐熱鋼【技術領域】，特別是涉及一種粗晶奧氏體耐熱鋼材料的制造方法，適用于超超臨界火電機組建設具有粗晶組織的奧氏體耐熱鋼鍋爐管的生產制造，也適用于高溫條件下使用的、具有粗晶奧氏體組織的其他金屬部件的制造。
【背景技術】
[0002]極端天氣頻繁出現，節能減排越來越受到世界各國關注。發電行業作為能源消耗大戶，節能減排任務艱巨。提高蒸汽溫度及其壓力，可以顯著改善燃煤發電機組的熱效率，蒸汽參數為593°C /30MPa的發電機組的熱效率比蒸汽參數為538°C /18.5MPa的發電機組的高6%。歐盟預計將蒸汽溫度提高到700°C，將發電機組的熱效率從目前的47%提高到55%，使煤耗大幅降低，CO2排放量減少15%。美國正開展760V /35MPa項目的研究，該項目預計CO2排放量比現在通用的亞臨界電站降低22%。而國內電站的平均熱效率約33%，遠低于發達國家水平。目前，我國經濟發展迅速，經濟總量已居世界第二位，能源消耗巨大，環境保護面臨空前壓力。
[0003]隨著發電機組蒸汽參數的提高，發電熱效率固然得到改善，但對電站材料的綜合性能也提出了更高的要求。對用于燃煤火電鍋爐用耐熱鋼而言，最受關注的三項性能是，首先，耐熱鋼要具有良好高溫持久強度；第二，耐熱鋼要具有良好抗高溫蒸汽氧化腐蝕的能力；第三，耐熱鋼要具有適當的高溫低周疲勞強度；三項性能綜合良好，才能保證燃煤火力電站在長期使用過程中的穩定性和安全性。目前，奧氏體類耐熱鋼的用量越來越大，而且細晶組織的奧氏體耐熱鋼，諸如，TP347HFG、S30432已經不能滿足綜合性能的要求；需要含Cr量更高的奧氏體耐熱鋼來滿足高溫蒸汽腐蝕性能的要求。目前，用于超超臨界電站鍋爐的奧氏體耐熱鋼主要有S31025、S31042、Sanicro25(22Cr25NiWCoCu)等。高溫蠕變條件下，蠕變速率隨著晶粒尺寸的增大而降低，蠕變(持久)強度從而隨著晶粒尺寸的增大而升高，因此，要求上述奧氏體耐熱鋼具有`粗大晶粒組織。一方面，粗大晶粒減少了鋼中的界面，蠕變過程中的擴散通道減少，從而顯著降低蠕變速率，提高蠕變斷裂強度，延長持久(蠕變)斷裂壽命，金屬材料的蠕變強度與其組織的晶粒尺寸和蠕變溫度存在如下關系:
[0004]? =與高溫(T/Tf ≤ 0.5) (I)
[0005]式中:d為最小晶粒直徑，k為材料常數，T為蠕變溫度，Tf為金屬材料的熔點。式
(I)表明，隨著晶粒尺寸增大，高溫蠕變過程中蠕變速率降低，蠕變速率降低，蠕變斷裂壽命隨之延長。
[0006]另一方面，晶粒粗大，合金元素向晶界擴散距離加長，促使第二相在晶內析出，使晶界上析出相占總析出相總量的比例降低，晶粒增大有利于第二相的彌散分布程度，即，彌散程度愈高第二相顆粒間距愈小，彌散強化效果愈好。對不同晶粒度的S31042鋼在700°C下進行了 O~5000小時的時效，對比了它們的短時高溫強度數據，發現它們的短時高溫抗拉強度沒有明顯區別，重要的是，時效300小時后，2級晶粒度的鋼(粗晶)的屈服強度就明顯高于5級晶粒度的鋼的屈服強度，前者在時效1000小時后其短時高溫強度約為250MPa，而后者僅為220MPa，相差約30MPa，在700°C的試驗溫度下這個差值是相當顯著的，如附圖3所示。究其原因是，粗晶鋼經時效后更多的二次相更加彌散分布在晶粒內部，使其強度提高，較細晶粒鋼更多的二次相析出長大在晶界上，對提高其高溫強度不太有利。因此，粗大晶粒的奧氏體耐熱鋼更有利于在高溫下發揮彌散強化的作用，進一步降低蠕變速率，提高蠕變斷裂強度，延長蠕變斷裂壽命，改善燃煤發電鍋爐運行的安全可靠性。
[0007]傳統制造粗晶組織奧氏體耐熱鋼材料的一般工藝路線是:鑄造一開坯一鏜孔一加熱一擠壓一冷卻(冷軋)一固溶處理，這種加工工藝利用冷軋結束后組織內部儲存的大量畸變能，在固溶處理時發生再結晶并使再結晶晶粒長大。傳統工藝下，熱處理升溫過程比較緩慢，畸變能通過位錯的攀移、滑移、多邊形化以及宏觀應力松弛而逐漸消耗，而且在加熱過程中形成大量的再結晶核心，使再結晶過程容易結束，而且再結晶晶粒不易長大，其晶粒尺寸幾乎和商業鋼管的相差一倍多，如附圖1所示，因此，在其它條件相同的情況下，按照公式(I)所描述的關系，晶粒小的耐熱鋼其蠕變速率較大，其蠕變斷裂壽命勢必較低。因此，要使鋼的再結晶晶粒進一步長大到粗晶的程度，再結晶晶粒需要一個二次長大過程，這個過程需要進一步提高固溶處理溫度，一般大生產用熱處理爐難以達到這么高的溫度(1250°c或以上)，組織粗化的目的不易達到。另外，如果固溶處理溫度不夠高，固溶處理后容易出現混晶組織，不利于奧氏體耐熱鋼綜合性能的提高。比如，S31042鋼經熱鍛自然冷卻后，具有明顯的混晶組織，即使再經過1200°C Ih固溶處理，仍然難以消除其混晶組織(見附圖2)。如前所述，高溫下使用的金屬材料，通常使其組織粗化而獲得高的蠕變強度，但與之相對的是，隨著組織的粗化或者晶粒尺寸增大，疲勞強度降低，鋼的脆性增大，安全起見，用于發電機組極端受熱部件的奧氏體耐熱鋼管件的壁厚一般較大，內徑相對較小。這樣的管材可以通過擠壓直接獲得，接下來進行固溶處理，并不需要冷軋。因此，傳統工藝生產周期長，熱處理工序繁瑣，耗能多，本發明對此進行了改進。

【發明內容】

[0008]本發明的目的在于提供一種粗晶奧氏體耐熱鋼材料的制造方法，是一種短流程的、節能的、具有粗大晶粒組織的奧氏體耐熱鋼材料的制造方法。
[0009]為了實現短流程和節能，而且獲得粗大組織且均勻的奧氏體耐熱鋼材料，需要在傳統工藝的基礎加以改進。傳統奧氏體耐熱鋼的主要工藝流程是:鑄造一開坯一鏜孔一加熱一擠壓一冷卻一冷軋一固溶處理。
[0010]本發明將奧氏體耐熱鋼主要分成兩種情況:
[0011](I)生產壁厚和內徑之比值0.2?1.3的耐熱鋼管材時，直接擠壓成型，采用鑄造—開坯一鏜孔一加熱一擠壓一保溫或升溫處理一水冷的加工工藝。
[0012](2)除管材之外的要求具有粗晶奧氏體組織的金屬棒材，生產具有粗晶奧氏體組織的棒材，采用鑄造一開坯一加熱一鍛造一保溫或升溫處理一水冷的加工工藝。
[0013]這兩種改進型的熱加工工藝均是，熱擠壓或熱鍛累計熱變形量為30%?95%，
[0014]控制的技術參數為:終擠或終鍛溫度在1050°C?1250°C之間，在O?120秒內將金屬制件移至具有預定溫度1150°C?1250°C的熱處理爐中，保溫2min?20min，水冷；
[0015]制造的奧氏體耐熱鋼材料具有晶粒尺寸粗于ASTM標準4?O級粗大組織。[0016]本發明有益效果包括兩個方面:
[0017](I)比較容易獲得粗晶組織:熱加工后金屬材料尚處于靜態再結晶開始階段，直接升溫+保溫或者保持終擠或終鍛后溫度一定時間的方式進行熱處理，一般情況下，熱軋或熱擠壓后，金屬材料內部的再結晶核心較少，如果在這種情況下對其進行升溫和保溫處理，靜態再結晶會以變形過程中動態再結晶晶核為核心繼續長大，而不形成或少形成其它再結晶的核心，最終形成所期望的粗晶組織。
[0018](2)簡化工藝流程，節能降耗:傳統工藝下，奧氏體不銹鋼的開坯溫度在1150°C?1260°C，變形溫度范圍為900°C?1150°C，由于加工硬化率較大，冷加工過程需要多次中間軟化退火，而且軟化退火溫度較高，一般在1050°C?1100°C之間，因此用這種工藝加工奧氏體耐熱鋼，生產周期長，耗費能源多。改進型的加工工藝均省略了冷加工工序，即省略了中間反復加熱工序，而且利用了金屬材料熱加工后的余熱，使能耗降低約30%以上，而且縮短了奧氏體耐熱鋼及合金的生產周期。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為S31042冷變形量50%，經1250°C IOmin固溶處理組織。
[0020]圖2為進口商業S31042鋼管的粗晶組織。
[0021]圖3為熱鍛S31042鋼1200°C保溫Ih固溶處理金相組織。
[0022]圖4為不同晶度的S30142鋼時效態短時高溫強度對比。
【具體實施方式】
[0023]實施例1
[0024]本實施例的材料為奧氏體耐熱鋼S31042，采用真空熔煉鑄造一開坯一鏜孔一加熱—擠壓一保溫或升溫一水冷的加工工藝路線方式，擠壓變形量為75%，終擠溫度為1180°C，快速升溫至1230°C保溫5分鐘，立即淬水冷卻，獲得O— I級晶粒度的完全奧氏體組織。
[0025]實施例2
[0026]本實施例的材料為奧氏體耐熱鋼S31025，采用真空熔煉鑄造一開坯一鏜孔一加熱—擠壓一保溫或升溫一水冷的加工工藝路線，累計擠壓變形量為60%，終擠溫度為1200°C，移至熱處理爐中升溫至1220°C保溫10分鐘后，立即淬水冷卻，獲得I級晶粒度的完全奧氏體組織。
[0027]實施例3
[0028]本實施例材料為Sanicro25(22Cr25NiWCoCu)，采用真空鑄造一開坯一加熱一鍛造一保溫或升溫一水冷的加工方式，累計變形量30%，終鍛溫度為1100°C，迅速移至溫度為1200°C的熱處理爐中，保溫15分鐘淬水，獲得4級晶粒度的奧氏體組織。
【權利要求】
1.一種粗晶奧氏體耐熱鋼材料的制造方法，其特征在于:使用狀態具有晶粒尺寸粗于ASTM標準4級晶粒度尺寸的奧氏體耐熱鋼管材及棒材； 生產壁厚和內徑之比值0.2?1.3的耐熱鋼管材時，直接擠壓成型，采用鑄造一開坯一鏜孔一加熱一擠壓一保溫或升溫處理一水冷的加工工藝； 生產具有粗晶奧氏體組織的金屬棒材，采用鑄造一開坯一加熱一鍛造一保溫或升溫處理一水冷的加工工藝； 控制的技術參數為:終擠或終鍛累計熱變形量達到30%?95%，終擠或終鍛溫度在1050°C?1250°C之間，在O?120秒內將金屬制件移至具有預定溫度1150°C?1250°C的熱處理爐中，保溫2min?20min，水冷； 制造的奧氏體耐熱鋼材料具有晶粒尺寸粗于ASTM標準4?O級粗大組織。
【文檔編號】C21D8/00GK103846303SQ201410095285
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月14日 優先權日:2014年3月14日
【發明者】劉正東, 王敬忠, 包漢生, 楊鋼 申請人:鋼鐵研究總院