一種低碳鉻鉬釩鈮鉭耐熱鋼的熱處理方法與流程

本發明涉及納米析出相強化25Cr2Mo1VNbTa鋼的制造方法領域，特別涉及到一種低碳鉻鉬釩鈮鉭耐熱鋼的熱處理方法。

背景技術：

為提高能源設備的生產效率并延長其服役壽命，高溫強度始終是耐熱合金鋼開發與研究的聚焦核心和永恒課題，世界各國政府都給予了高度重視。此外，“十二五”以來，我國經濟社會發展與資源環境約束的矛盾日益凸顯，產業結構調整和經濟發展方式轉變對節能減排的要求日益迫切，發展超高參數超超臨界發電技術的重要性日益凸顯，電站設備制造企業要求盡快開發出能夠滿足要求且實用性強的新型材料。

高溫螺栓是汽輪機組內的關鍵緊固構件，也是汽輪機組內的薄弱環節之一，通常選用25Cr2Mo1VNbTa鋼制造，因此進一步提高材料的綜合力學性能是一個迫切需要解決的問題。25Cr2Mo1VNbTa鋼通常在調質(淬火后高溫回火的熱處理工藝)狀態下使用，其微觀組織特征是在回火貝氏體板條基體中分布有MC型及M7C3型碳化物強化相。其中，MC相尺寸較小，在服役溫度下不易長大，可長時間保持強化作用。但傳統熱處理工藝條件下，MC相尺寸較大且顆粒密度低，強化效果有限。圖1為25Cr2Mo1VNbTa鋼按照傳統調質熱處理工藝(淬火后高溫回火)處理后獲得的顯微組織照片。可見，在傳統熱處理工藝下，鋼中碳化物較為粗大且大多沿晶界或亞晶界析出。

申請號為ZL02801301.8的專利文件公開了鐵素體系耐熱鋼及其制造方法，通過減少碳含量到0.01％以下，添加鈷元素確保淬透性，同時添加氮元素和MX(X表示碳、氮元素)相生成元素，實現了在晶界和晶內的界面上析出MX型強化相，提高了材料高溫蠕變強度。但在該工藝條件下MX型析出相主要分布在晶界和晶內的界面上，強化效果有限。文獻[R.L.Klueh,et al.Development of new nano-particle-strengthened martensitic steels.Scripta Materialia,53(2005),275-280]采用熱機械處理的方法，在貝氏體板條內獲得了大量彌散分布的MX型納米析出相，但由于存在變形組織而使材料出現各向異性。文獻[F.S.Yin,etal.Microstructure and creep rupture characteristics of an ultra-low carbon ferritic/martensitic heat-resistant steel.Scripta Materialia,57(2007),469-472]盡管通過調整耐熱鋼的化學成分和熱加工工藝在材料基體內也獲得了高密度的MX型納米析出相，但由于獲得的MX型納米析出相不穩定，材料的高溫力學性能也并未獲得提高。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對現有技術中的不足，提供一種低碳鉻鉬釩鈮鉭耐熱鋼的熱處理方法，以解決上述問題。

本發明所解決的技術問題可以采用以下技術方案來實現：

一種低碳鉻鉬釩鈮鉭耐熱鋼的熱處理方法，包括

1)材料制備：按25Cr2Mo1VNbTa鋼的化學成分要求，將原料組合物依次經熔煉、澆鑄、鍛造或軋制，制成棒材或板材，然后等待熱處理；

2)材料熱處理：a.先進行高溫淬火處理，b.接著進行2次回火處理。

進一步的，所述高溫淬火處理的具體工藝為：在1000℃～1250℃保溫0.5h～3h，水冷或油冷。

進一步的，所述2次回火處理的具體工藝為：先加熱至550℃～650℃保溫1～5h后空冷，然后再加熱至650℃～750℃保溫0.5h～5h后空冷。

與現有技術相比，本發明的有益效果如下：

本發明采用“高溫淬火一次+回火2次”的熱處理工藝方案，不僅可以獲得理想的顯微組織結構，還可以避免形成粗晶，可以有效提高材料的綜合力學性能。

附圖說明

圖1為傳統調質熱處理工藝下25Cr2Mo1VNbTa鋼的顯微組織照片圖。

圖2為25Cr2Mo1VNbTa鋼的化學成分圖。

圖3為本發明工藝下25Cr2Mo1VNbTa鋼的顯微組織照片圖。

具體實施方式

為使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施方式，進一步闡述本發明。

參見圖2和圖3，本發明所述的材料制備：按25Cr2Mo1VNbTa鋼的化學成分要求，包括材料制備和材料熱處理。材料制備是將原料組合物依次經熔煉、澆鑄、鍛造或軋制，制成棒材或板材，然后等待熱處理。

材料熱處理：a.先進行高溫淬火處理，具體工藝為：在1000℃～1250℃保溫0.5h～3h，水冷或油冷。b.接著進行2次回火處理，具體工藝為：先加熱至550℃～650℃保溫1～5h后空冷，然后再加熱至650℃～750℃保溫0.5h～5h后空冷。

在1000-1250℃保溫0.5h～3h后進行高溫淬火處理。高溫淬火處理的目的是將粗大的MC相溶入奧氏體中并獲得貝氏體板條型組織。提高溫度有利于粗大MC相的溶解，但如果溫度過高，易導致晶粒粗大或晶界過燒，導致材料的沖擊韌性降低；溫度過低，軋態或鍛態原始組織中遺留的粗大一次MC相溶解不充分。

2次回火處理的目的是在鋼中獲得彌散、均勻分布的高密度MC型納米析出相。晶界、貝氏體板條界及板條內的位錯是MC型碳化物析出的形核位置。如果只進行一次回火處理且溫度高于750℃，由于板條內的位錯回復速度很快，會降低MC型碳化物在板條內的形核數目，導致MC型碳化物主要在晶界和板條界析出。如果只是在較低的溫度范圍550℃～650℃回火，雖然可以在板條內獲得高密度的MC型納米析出相，但鋼的強度較高而塑性或韌性卻較低。此外，在較低溫度回火后基體內仍會保留高密度的位錯，在長期高溫服役過程中，顯微組織的回復速度很快，加速材料高溫強度的退化。本發明回火處理2次，先加熱至550℃～650℃保溫1h～5h后空冷，然后再加熱至650℃～750℃保溫0.5h～5h后空冷，則即可保證在貝氏體板條內獲得細小、彌散的MC型納米析出相，又能降低基體內的位錯密度，提高材料的韌性并延緩高溫強度的退化。此外，低溫回火之后空冷，還可減少顯微組織中殘余奧氏體的含量，進一步提高材料的高溫強度。

25Cr2Mo1VNbTa鋼通常采用調質(在約1030℃淬火后700℃高溫回火)工藝進行熱處理，在該工藝條件下繼續提高材料的性能空間已極為有限。張樹理提出了“2次奧氏體化(先正火再淬火)+1或2次回火"的熱處理方法。該方法要么會引發材料晶粒粗化導致產品不合格，要么較傳統熱處理工藝并未能顯著提高材料的綜合力學性能。

圖3為25Cr2Mo1VNbTa鋼按照本發明申報的工藝方案熱處理后的顯微組織照片。可見，在材料基體中分布著大量細小、彌散的MC型納米析出相。本發明在鋼的基體內均勻分布有高密度的MC(M表示金屬元素)型納米析出相。其熱處理方法主要為先高溫淬火、然后再經過2次回火處理。高密度的MC型納米析出相能夠均勻、彌散分布在鋼的基體中，預期將為提高材料的力學性能提供重要借鑒。本發明技術方案采用“高溫淬火一次+回火2次”的熱處理工藝方案，不僅可以獲得理想的顯微組織結構，還可以避免形成粗晶，因此預期可以有效提高材料的綜合力學性能。

以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。