一种控制超超临界耐热钢中BN相形态的热处理方法与流程

本发明属于热处理技术领域，具体为一种控制超超临界耐热钢中BN相形态的热处理方法。

背景技术：
目前火电机组使用的600℃超超临界机组铸钢部件主要采用传统铁素体耐热钢，为了提升能效、降低污染和延长部件使用持久性，部分铸件已被更高性能的新型铁素体耐热钢所代替。与传统的铁素体耐热钢相比，新型铁素体耐热钢中B含量大幅提升至100ppm。钢中的B元素主要有三种存在形式，一是固溶在基体中的B；二是晶界处偏析的B，因B元素在α-铁素体中的固溶度极低，易在凝固过程中在晶界和亚晶界处产生偏析。这部分B原子与C原子替换形成M23(C,B)6相，对迁移界和位错施加钉扎力，在蠕变过程中对马氏体组织的演化起到抑制作用；三是形成BN相，是由于基体中的B与同为强偏析元素的N在凝固过程中形成的BN析出相，一般尺寸较大，达到几个微米，而较大的BN相(>1μm)将抵消基体中B和N的固溶强化效果。9wt％Cr系铁素体耐热钢中BN相是在1200℃时开始析出，尺寸具有随冷却速度的增加而减小的趋势。目前，对于钢中析出相形态及分布的热处理方法的相关专利较为稀少，如:“控制Al-Cu-Mg-Mn合金中含Mn相均匀弥散析出的热处理方法(CN105239029A)”，材料经过缓慢阶段升温至410～470℃长期保温再缓慢升温至470～530℃，充分均匀化，达到Mn相均匀弥散分布的目的。“纳米析出相强化及控制的超细晶粒马氏体钢的制备方法(CN101713046B)”中的热处理方法主要指是钢板经过热连轧+冷轧工艺后，进行850～980℃保温10min后的淬火处理。“相变控制氮化物析出硬化型调质钢(CN1368560A)”在热处理方面，实行1050～1250℃扩散退火，并进行二次回火。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种控制超超临界耐热钢中BN相形态的热处理方法，能有效的细化耐热钢中BN相尺寸，并且提升该钢的抗拉强度和蠕变性能。本发明的技术方案是：一种控制超超临界耐热钢中BN相形态的热处理方法，包括如下步骤：(1)将工件以400～500℃/h加热至1200～1250℃，保温1～2h，放入超速淬火油中淬火；(2)将工件以90～110℃/h加热至1050～1150℃，保温2～4h，风冷至室温；(3)将工件以90～110℃/h加热至710～750℃，保温1～4h，炉冷。所述的控制超超临界耐热钢中BN相形态的热处理方法，超超临界耐热钢按重量百分比化学组成为：C：0.08～0.15％；Si：0.15～0.3％；Mn：0.7～1.1％；Cr：9.0～11.0％；Mo：0.5～1.0％；Co：2.5～3.5％；Re：0.3～0.6％；Zr：0.1～0.2％；V：0.1～0.2％；Nb：0.05～0.08％；N：0.02～0.03％；B：0.008～0.014％，余量是Fe和杂质。所述的控制超超临界耐热钢中BN相形态的热处理方法，杂质为：P≤0.01％；S≤0.001％；Cu≤0.02％。所述的控制超超临界耐热钢中BN相形态的热处理方法，优选地，将工件以450℃/h加热至1250℃，保温1h，放入超速淬火油中淬火。所述的控制超超临界耐热钢中BN相形态的热处理方法，优选地，将工件以100℃/h加热至1120℃，保温3h，风冷至室温。所述的控制超超临界耐热钢中BN相形态的热处理方法，优选地，将工件以90℃/h加热至730℃，保温3h，炉冷。本发明的设计思想是：本发明控制超超临界耐热钢中BN相形态的热处理方法的设计思路来自钢中BN相凝固过程的机理研究，通过较高的加热温度将钢中BN相重熔，并且利用BN相随冷却速度增加尺寸减小的特点采用超速淬火油进行快速冷却，控制BN相的尺寸，由于快速冷却强化了材料的强度，却降低了材料的韧性，因此配合随后的二次奥氏体化工艺，在保证稳定BN相的基础上重新得到致密的马氏体组织，配合高温回火获得高强度、高韧性的超超临界耐热钢铸件。本发明的优点及有益效果是：1、本发明提出通过热处理工艺设计(高温淬火+高温正火+一次高温回火)控制新型铁素体耐热钢中BN相的形态，获得细小、弥散分布BN相的工艺控制技术，增强其在钢中的析出强化效果，提升耐热钢综合使用性能。与所涉及通过热处理方法调控钢中析出相的相关专利文献相比，存在较大差异。2、本发明提供的热处理方法，能有效控制超超临界耐热钢中BN相形态尺寸，细化基体中BN相并弥散分布，提高其力学性能。3、采用本发明获得超超临界耐热钢的力学性能如下：抗拉强度：σb＝750～850MPa，屈服强度：σ0.2＝650～750MPa，伸长率：A＝35～45％，断面收缩率：Z＝45～55％。4、采用本发明获得超超临界耐热钢的高温持久试验使用性能如下：在温度650℃、应力240～260N/mm2下，断裂时间T≥300小时。附图说明图1为实施例1中BN相形貌。图2为实施例2中BN相形貌。图3为实施例3中BN相形貌。图4为实施例4中BN相形貌。具体实施方式在具体实施过程中，本发明通过采用真空感应炉中初炼，再经电渣重熔精炼，浇注成型，铸件经900±20℃保温8～12h后，退火缓冷出炉至室温，再经加热至1120～1170℃、保温2～4h、空冷至室温的奥氏体化工艺，以及加热至710～750℃、保温2～4h、炉冷至室温的回火工艺处理，得到超超临界耐热钢，其重量百分比化学组成为：C：0.08～0.15％；Si：0.15～0.3％；Mn：0.7～1.1％；Cr：9.0～11.0％；Mo：0.5～1.0％；Co：2.5～3.5％；Re：0.3～0.6％；Zr：0.1～0.2％；V：0.1～0.2％；Nb：0.05～0.08％；N：0.02～0.03％；B：0.008～0.014％，余量是Fe和杂质。下面通过具体实施例对本发明进一步详细说明。实施例1：本实施例中，超超临界铸件用耐热钢按重量百分比化学组成为：C：0.15％；Si：0.15％；Mn：1.1％；Cr：9.0％；Mo：1.0％；Co：2.5％；Ce：0.6％；Zr：0.1％；V：0.2％；Nb：0.05％；N：0.03％；B：0.008％，余量是Fe和杂质，所述杂质为：P≤0.01％；S≤0.001％；Cu≤0.02％。本实施例中，控制超超临界耐热钢中BN相形态的热处理方法，步骤如下：(1)将工件以450℃/h加热至1250℃，保温1h，放入超速淬火油(如：烟台恒鑫化工科技有限公司生产的THIF-516超速淬火油)中淬火至室温；(2)将工件以110℃/h加热至1150℃，保温2h，风冷至室温；(3)将工件以110℃/h加热至750℃，保温2h，炉冷至室温。如图1所示，从BN相形貌上看，通过本实施例控制铁素体耐热钢中BN相的形态，获得细小、弥散分布BN相，基体中BN相平均尺寸为1.8μm。本实施例超超临界耐热钢的力学性能指标应达到如下：抗拉强度：σb＝770MPa；屈服强度：σ0.2＝680MPa；伸长率：A＝36.3％；断面收缩率：Z＝46.1％；本实施例超超临界耐热钢的高温持久试验：实验条件：温度650℃；应力251N/mm2；断裂时间T＝311小时。实施例2：本实施例中，超超临界铸件用耐热钢按重量百分比化学组成为：C：0.08％；Si：0.3％；Mn：0.7％；Cr：11.0％；Mo：0.5％；Co：3.5％；Ce：0.3％；Zr：0.2％；V：0.1％；Nb：0.08％；N：0.02％；B：0.014％，余量是Fe和杂质，所述杂质为：P≤0.01％；S≤0.001％；Cu≤0.02％。本实施例中，控制超超临界耐热钢中BN相形态的热处理方法，步骤如下：(1)将工件以400℃/h加热至1200℃，保温2h，放入超速淬火油(如：山东大德热处理科技有限公司生产的蛟龙-1018超速淬火油)中淬火至室温；(2)将工件以100℃/h加热至1100℃，保温4h，风冷至室温；(3)将工件以90℃/h加热至710℃，保温4h，炉冷至室温。如图2所示，从BN相形貌上看，通过本实施例控制铁素体耐热钢中BN相的形态，获得细小、弥散分布BN相，基体中BN相平均尺寸为1.5μm。本实施例超超临界耐热钢的力学性能指标应达到如下：抗拉强度：σb＝790MPa；屈服强度：σ0.2＝685MPa；伸长率：A＝37.2％；断面收缩率：Z＝47.1％；本实施例超超临界耐热钢的高温持久试验：实验条件：温度650℃；应力248N/mm2；断裂时间T＝305小时。实施例3：本实施例中，超超临界铸件用耐热钢按重量百分比化学组成为：C：0.14％；Si：0.17％；Mn：0.8％；Cr：9.4％；Mo：0.7％；Co：2.8％；Ce：0.32％；Zr：0.12％；V：0.15％；Nb：0.06％；N：0.024％；B：0.011％，余量是Fe和杂质，所述杂质为：P≤0.01％；S≤0.001％；Cu≤0.02％。本实施例中，控制超超临界耐热钢中BN相形态的热处理方法，步骤如下：(1)将工件以430℃/h加热至1220℃，保温1h，放入超速淬火油(如：南通润泽工业油料有限公司生产的RZQuench18C超速淬火油)中淬火至室温；(2)将工件以100℃/h加热至1140℃，保温3h，风冷至室温；(3)将工件以100℃/h加热至740℃，保温3h，炉冷至室温。如图3所示，从BN相形貌上看，通过本实施例控制铁素体耐热钢中BN相的形态，获得细小、弥散分布BN相，基体中BN相平均尺寸为1.1μm。本实施例超超临界耐热钢的力学性能指标应达到如下：抗拉强度：σb＝795MPa；屈服强度：σ0.2＝685MPa；伸长率：A＝37.9％；断面收缩率：Z＝49.4％；本实施例超超临界耐热钢的高温持久试验：实验条件：温度650℃；应力255N/mm2；断裂时间T＝332小时。实施例4：本实施例中，超超临界铸件用耐热钢按重量百分比化学组成为：C：0.09％；Si：0.2％；Mn：0.9％；Cr：10.0％；Mo：0.8％；Co：3.0％；Ce：0.4％；Zr：0.15％；V：0.2％；Nb：0.08％；N：0.025％；B：0.013％，余量是Fe和杂质，所述杂质为：P≤0.01％；S≤0.001％；Cu≤0.02％。本实施例中，控制超超临界耐热钢中BN相形态的热处理方法，步骤如下：(1)将工件以450℃/h加热至1250℃，保温1h，放入超速淬火油(如：南京航达热加工材料研究所生产的NH-B型超速淬火油)中淬火至室温；(2)将工件以100℃/h加热至1120℃，保温3h，风冷至室温；(3)将工件以90℃/h加热至730℃，保温3h，炉冷至室温。如图4所示，从BN相形貌上看，通过本实施例控制铁素体耐热钢中BN相的形态，获得细小、弥散分布BN相，基体中BN相平均尺寸为700nm。本实施例超超临界耐热钢的力学性能指标应达到如下：抗拉强度：σb＝800MPa；屈服强度：σ0.2＝730MPa；伸长率：A＝41.5％；断面收缩率：Z＝50.3％；本实施例超超临界耐热钢的高温持久试验：实验条件：温度650℃；应力245N/mm2；断裂时间T＝342小时。