[发明专利]中高合金钢大型锻件的晶粒细化方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种金属热处理技术领域的方法，具体是一种中高合金钢大型锻件的晶粒细化方法。

背景技术

大型锻件是核电、火电等电站装备和大型冶金、矿山和运输装备中的承力和传动结构部件，属于核心构件，更是装备得以可靠运行的基础。装备的大型化也使锻件大型化，特别是在提高效率、降低消耗、安全可靠的设计思想指导下，除大量使用高合金钢外，也将原来通过后续组装而成的组合部件集成于一体，使单体锻件的尺寸和重量急剧增大。在核电、火电、水电和燃气发电的主体装备中，数百吨的特大型锻件所占的重量比超过了60％。核电、火电等先进的重大装备对大型锻件提出了“一体化”和“高性能化”的要求，使热加工的技术难度突增，造成制作过程中材料和能源的巨大浪费，而且远不能满足我国大型装备发展的迫切需求。

为满足力学性能指标，大型锻件淬火后通常须得到马氏体或贝氏体组织，故通常按一定比例加入Cr、Ni、Mo等合金元素，在提高大型锻件强度、塑性和韧性的同时，增加奥氏体在过冷状态下的稳定性，使等温转变曲线强烈右移，从而大大提高淬透性。但是，当大型锻件发生马氏体或贝氏体转变时，新形成的α相与母相之间保持一定的晶体学取向关系，导致在随后再次慢速加热(≤300℃/h)奥氏体化过程中发生组织遗传现象，造成晶粒粗大和不均匀，进而影响其冲击韧性、脆性转变温度(FATT)、超声波可探性和导磁性。

为了解决中高合金钢大型锻件的组织遗传带来的晶粒粗大和不均匀的问题，传统方法通常采用多次正火的锻后热处理工艺，其可能的机理包括：(1)通过α←→γ之间多次的相互转变，增加α相/γ相在母相中均匀形核的位置，从而细化晶粒；(2)通过将奥氏体化温度控制在切尔诺夫B点以上，利用奥氏体化重结晶效应细化晶粒；(3)通过提高Ac₁附近的升温速率，增加奥氏体均匀形核率来细化晶粒。而在实际生产过程中，多次正火消除组织遗传细化晶粒这一方法的实际效果并不理想，其具体原因在于：(1)伴随着发电设备大型化的发展趋势，大型锻件尺寸的增加造成其升温和降温速率的减缓，使每次正火的能源消耗和时间花费大幅增加；(2)为保证晶粒细化效果，大型锻件尺寸的增加的必然导致正火次数的增加，这样整个多次正火工艺的时间和能源成本将大大增加；(3)大型锻件各部分的锻比不一及成分不均，导致各部分的再结晶温度相差很大，在实际生产中难以保证整个大型锻件都发生再结晶细化晶粒；(4)发生再结晶后必须严格控制保温时间，否则细化的晶粒极易再次长大，由于大型锻件各部分到温时间差异很大，实际生产中各部位的保温时间难以兼顾，从而导致细化效果不佳；(5)提高加热速率来细化晶粒要求大型锻件加热速率大于350℃/h，对直径800mm以上的大型锻件，现有的工业加热设备无法满足条件。所以，从制造成本、生产周期、实际可操作性和具体实施效果的角度来讲，现有多次正火工艺须经历多次升温降温，能源浪费大，工艺过程复杂，工序时间长，操作控制难度高，实际效果不稳定，综合制造成本昂贵，有很大的空间可以改进。

经过对现有技术的检索发现，采用多次正火的锻后热处理工艺是解决中高合金钢大型锻件组织遗传带来的晶粒粗大和不均匀问题的常用方法，正火次数随着锻件尺寸和重量的增加而增加，正火温度随钢种的化学成分不同而不同。第一重机厂用三次正火处理的30Cr2Ni4MoV钢300MW低压整体转子晶粒度可达4～7级，日本室兰厂采用两次正火，晶粒度可达4～5级(《大型锻件材料及热处理》P392)。

但是该现有技术的实际效果并不理想，其具体原因在于：(1)多次正火的正火温度和正火次数的选取受锻件尺寸大小及其材料成分的影响较大，必须对各个工艺参数进行排列组合的基础上进行大量试验才能筛选出正火温度和正火次数之间的最佳匹配，从而获得较好的细化效果；(2)伴随着发电设备大型化的发展趋势，大型锻件尺寸的增加造成其升温和降温速率的减缓，使每次正火的能源消耗和时间花费大幅增加；(3)为保证晶粒细化效果，大型锻件尺寸的增加的必然导致正火次数的增加，这样整个多次正火工艺的时间和能源成本将大大增加；(4)大型锻件各部分的锻比不一及成分不均，导致各部分所需的正火参数相差很大，在实际生产中难以保证整个大型锻件都获得很好的细化效果；(5)多次正火必须严格控制保温时间，否则细化的晶粒容易再次长大，由于大型锻件各部分到温时间差异很大，实际生产中各部位的保温时间难以兼顾，从而导致细化效果不佳。