一种分段调控高硅高铬耐热钢中δ铁素体的方法

本发明涉及耐热钢生产，具体涉及一种分段调控高硅高铬耐热钢中δ铁素体的方法。

背景技术：

1、液态铅铋共晶(lbe)合金具有熔点低、沸点高、导热能力优秀和中子屏蔽能力强的特点，是核反应堆一级回路较理想的冷却介质，由铅铋冷却的快中子反应堆(lfr)是第四代反应堆重点发展的堆型之一。

2、12cr体系的铁素体/马氏体钢耐热钢高温力学性能较好，是制造快中子反应堆中服役温度最高的燃料包壳的候选材料之一。但是，lbe合金作为冷却剂时，其使用温度高、流速大、侵蚀性强，会严重腐蚀与其接触的燃料包壳结构件，进而威胁反应堆运行安全。为了提高铁素体/马氏体耐铅铋腐蚀性能，通常会往合金中添加超过0.8％的si，再通过控制液态铅(铅铋)中的氧含量，使合金表面产生稳定均匀的氧化物保护膜。但si为δ铁素体形成元素，其添加会引起δ铁素体含量的增加，严重恶化材料力学性能。

3、在已有公开技术中，通常通过成分优化限定合金cnb值＜12来降低其δ铁素体析出倾向，或通过高温长时固溶处理使δ铁素体回溶来获得δ铁素体较少的组织。以上两种方法对cr含量小于10％且si含量较低的耐热钢具备可行性，但对于cr含量大于10％且si含量大于0.8％的耐热钢不具备可行性。一方面，高铬高硅铁素体马氏体耐热钢其铁素体析出倾向较大，为使其cnb值＜12，势必需要大幅增加奥氏体稳定元素c、n的含量或者降低δ铁素体稳定元素v、nb的含量。而c或n含量的增加或降低合金的可焊性，v和nb的减少则会降低合金高温力学性能。另一方面，由合金相图可知，高硅高铬铁素体/马氏体耐热钢中δ铁素体消失的区间较窄或不存在，单纯依靠高温固溶处理并不能减少/消除δ铁素体，相反，若工艺参数设置不当，还存在δ铁素体含量进一步增加的风险。因此，解决高硅高铬耐热钢δ铁素体稳定减少/消除成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种分段调控高硅高铬铁素体/马氏体耐热钢中δ铁素体的方法，该方法解决了其δ铁素体析出倾向较高的问题，最终使δ铁素体含量降低。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种分段调控高硅高铬耐热钢中δ铁素体的方法，该方法是在高硅高铬铁素体/马氏体耐热钢的制备过程中对其进行δ铁素体调控，所述调控包括成分设计调控、均质化调控、热加工调控和正火调控四个阶段，每个阶段分别设置δ铁素体合理的含量和形态调控目标。

4、所述高硅高铬铁素体/马氏体耐热钢的制备过程包括如下步骤：

5、(1)进行高硅高铬铁素体/马氏体耐热钢化学成分设计，根据所设计化学成分进行配料熔炼并浇注铸锭；

6、(2)均质化处理：对铸锭进行均质化处理，均质化温度950～1120℃；当均质化温度大于1080℃时，均质化时间大于3h但小于15h；当均质化温度低于1080℃时，均质化时间大于5h但小于40h

7、(3)热变形处理：采用锻造、轧制、挤压或穿管方式进行热变形处理；变形前的保温温度小于1120℃，到温后保温时间小于5h；热变形过程可回炉重烧，重烧时温度不高于1080℃，到温后保温时间不超过2h；变形比≥6。

8、(4)热处理(正火处理)：正火时温度控制区间为960～1080℃，正火保温温度为10min～60min。

9、所述高硅高铬铁素体/马氏体耐热钢中cr≥10wt.％、si≥0.8wt.％、c≤0.2wt.％；该耐热钢中还含有mn、ni、mo、w、nb、v、n、b等元素。

10、所述高硅高铬铁素体/马氏体耐热钢成分体系在热力学稳态上应存在δ铁素体完全转化为奥氏体的温度区。

11、所述高硅高铬铁素体/马氏体耐热钢的化学成分中，v和nb含量均大于0.10wt.％且均小于0.40wt.％，而11＜cnb值≤13.5，cnb值按照如下公式(1)计算，公式(1)中各元素符号表示该高硅高铬铁素体/马氏体耐热钢中相应元素的质量百分含量：

12、cnb＝cr+6si+4mo+1.5w+5nb+11v+12al+9ti-40c-2mn-4ni-1cu-30n    (1)。

13、该方法每阶段实现的调控目标如下：

14、(a)按所述高硅高铬铁素体/马氏体耐热钢化学成分设计后，浇铸的铸锭中δ铁素体总含量应小于15％，单一δ铁素体长度应小于200μm。

15、(b)均质化处理后，δ铁素体形态应实现球化/椭球化，长轴与短轴比＜3，δ铁素体总含量应小于12％。

16、(c)热加工处理后，δ铁素体含量应小于7％，单一δ铁素体的宽度应小于10μm。

17、(d)热处理后，δ铁素体含量小于1％，单一δ铁素体长度应小于10μm。

18、本发明设计机理及有益效果如下：

19、1、本发明第一阶段主要通过成分优化来降低铸态组织中δ铁素体的析出倾向，获得热力学上无δ铁素体的成分体系。对于铁素体/马氏体耐热钢，成分是决定合金δ铁素体含量的决定性因素，在合适的成分范围内，可以通过均匀化、热加工和严控热处理等手段来实现非平衡δ铁素体的减少或消除，但如果成分范围不合适，即热力学稳态下也会存在大量δ铁素体，则无法通过后续处理完全消除。本发明给出了高硅高铬耐热钢合适的成分区间、成分优化的准则以及本阶段δ铁素体的调控目标。具体如下：

20、(a)为确保合金高温力学性能及耐铅铋腐蚀性能不降低，高硅高铬铁素体/马氏体耐热钢，按重量百分比计，其化学成分优选的区间范围为：c 0.14～0.20％，si 0.8～2.0％，mn 0.5～3.0％，cr 10.0～12.5％，ni 0.5～1.5％，mo 0.5～1.6％，w 0.5～1.5％，nb 0.1～0.4％，v 0.1～0.35％，b≤0.005％，n≤0.05％，余量为铁和其他不可避免的残余元素。

21、(b)为实现δ铁素体的减少且不影响其他性能，冶炼过程调整成分时，需使总cnb值控制在11～13.5范围内，cnb值的计算公式如下：

22、cnb＝cr+6si+4mo+1.5w+5nb+11v+12al+9ti-40c-2mn-4ni-1cu-30n

23、(c)本阶段δ铁素体需实现如下调控目标：铸锭中δ铁素体总含量应小于15％，单一δ铁素体长度应小于200μm。

24、2、本发明第二阶段需通过均质化处理来调控δ铁素体的形态，促使凝固过程非平衡相变产生的部分δ铁素体回溶相变。使δ铁素体形态由铸态时的不规则状转化为球状/椭球状。椭球的长轴与短轴比小于3。δ铁素体含量则降低至10％以下。

25、均质化温度较低且保温时间较短时，铸态合金中的非平衡组织不能充分回复，而元素偏析无法消除。但固溶温度过高且保温时间较长时，δ铁素体将进一步增多、变大，导致后续处理难以消除。为实现本步骤δ铁素体的调控目标，高硅高铬铁素体/马氏体耐热钢均质化过程需按如下工艺执行：

26、本发明优选均质化温度950～1120℃。进一步地，当均质化温度大于1080℃时，均质化时间大于3h但小于20h，均质化温度低于1080℃时，均质化时间大于5h但小于40h。

27、3、本发明第三阶段需通过热加工过程实现δ铁素体形态的进一步优化和大尺寸δ铁素体的破碎。控制目标是将δ铁素体总含量降低至6％以下。经过锻造或轧制后的合金其δ铁素体通常将沿锻造/轧制方向呈条状分布，要求条带宽度小于10μm。为实现上述目标，限定高硅高铬铁素体/马氏体耐热钢的部分锻造或轧制工艺如下：

28、热加工时保温温度小于1120℃，芯部到温后保温时间小于5h；热加工过程可回炉重烧，重烧时回炉温度不高于1080℃，芯部到温后保温时间不超过2h；锻比/轧比≥6。

29、4、本发明第四阶段为正火工艺控制。通过正火时奥氏体相再结晶和长大，抑制并减少δ铁素体。控制目标是将δ铁素体减少至1％以下。高铬铁素体/马氏体耐热钢热处理过程通常分为正火和回火两步，正火温度通常大于900℃，而回火温度通常低于800℃，正火过程对δ铁素体的调控决定了最终服役态组织中δ铁素体的含量。基于此，针对正火过程，本发明提出了如下的工艺限制：正火时温度区间为960～1080℃，正火保温温度为10min～60min。

30、本发明的优点及有益效果在于：将δ铁素体的调控目标划分在不同工艺过程梯次进行，避免了因成分调整过大而影响合金其他性能。