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特殊鋼材1Cr12Ni3Mo2VN馬氏體耐熱鋼筒形鍛件的生產研制

目錄:行業新聞點擊率:發布時間:2019-07-24 09:30:05

  1Cr12Ni3Mo2VN鋼屬于12%Cr型馬氏體耐熱特殊鋼材,不同于常規的馬氏體耐熱特殊鋼材,該材料中由于添加了較多的Ni、Mo、V、N等合金化元素,從而具有更好的塑韌性、高溫抗氧化性和組織穩定性等。其中添加較多含量的Ni極大的改善了材料的韌性,Mo的加入既能夠起到固溶強化的作用,又可以增強材料的持久蠕變性能,V則是強碳化物與氮化物形成元素,以細小彌散的碳化物和氮化物顆粒分布在馬氏體基體中,起到沉淀強化的作用。該材料作為新型的馬氏體耐熱不銹鋼,主要用于制造燃氣輪機、蒸汽輪機、壓氣機機匣及航空領域零件。通過控制1Cr12Ni3Mo2VN馬氏體不銹鋼中C、Mn、Ni、N等奧氏體形成元素和Cr、Mo、Si、V等鐵素體形成元素含量,經過適當的鍛造及熱處理過程控制,研究其金相組織、力學性能、奧氏體晶粒度和超聲波探傷要求。通過控制筒形件的鍛造、熱處理等關鍵工序,積累了豐富的合理的制造工藝,為后續生產此類材質的產品,提供了詳實可靠的依據和經驗。

  鍛件技術指標

  化學成分

  冶煉方式采用電爐+電渣重熔或真空感應+真空電弧爐重熔工藝生產,化學成分應符合表1規定,殘余元素含量應滿足表2的要求。鉻當量應不大于7.0,鉻當量計算公式為:Creq=1Cr-40C-2Mn-4Ni+6Si+4Mo+11V-30N。

  表1 1Cr12Ni3Mo2VN鋼化學成分(wt%)

  表2 1Cr12Ni3Mo2VN鋼殘余元素含量(wt%)

  力學性能

  1Cr12Ni3Mo2VN馬氏體耐熱鋼筒形鍛件以淬火+高溫回火狀態交貨,在經熱處理的縱向試樣上檢測力學性能,并符合表3、表4的規定。取樣位置為本體1/2壁厚處,切取試樣進行熱處理。熱處理制度如下:1025~1050℃,油冷;兩次回火:565±20℃,空冷;重新加熱到第一次回火溫度20℃以下的溫度,風冷或空冷。

  表3 室溫力學性能

  表4 高溫持久性能

  微觀組織

  馬氏體耐熱鋼筒形鍛件高倍組織應該為回火馬氏體,不規則分布的自由鐵素體(δ-鐵素體)含量不應超過1.5%,鍛件平均晶粒度應為3級或更細,允許少量大晶粒存在,但其尺寸不應大于0.25mm。

  超聲波檢驗

  鍛件經加工后逐件進行超聲波檢驗,滿足HB/Z 59-1997中AA級驗收要求。

  鍛件生產研制工藝

  冶煉

  技術條件要求控制δ-鐵素體含量不大于1.5%,就必須在冶煉過程控制化學成分。在1Cr12Ni3Mo2VN馬氏體耐熱鋼中,C、Mn、Ni、N等是奧氏體形成元素,Cr、Mo、Si、V等是鐵素體形成元素??刂?delta;-鐵素體含量的關鍵在于提高奧氏體形成的合金元素的含量,降低鐵素體形成的合金元素的含量,因此,在實際生產時將C、Ni、N等促進奧氏體形成的合金元素控制在成分范圍上限,將Cr、Mo、V、Si等促進鐵素體形成的合金元素的含量控制在成分范圍的中下限。采用電爐+電渣重熔方式冶煉,并鍛制成棒料。棒料的化學成分見表5所示,殘余元素含量見表6所示,實際材料的鉻當量為2.58,滿足技術要求。

  表5 1Cr12Ni3Mo2VN鋼棒料化學成分(wt%)

  表6 1Cr12Ni3Mo2VN鋼棒料殘余元素含量(wt%)

  鍛造及鍛后熱處理

  鍛件經多次鐓拔預制坯料、沖孔、芯軸拔長、馬架擴孔和輾環等工序制成高筒件,鍛造溫度控制在850~1180℃,鍛件鐓粗比3.6。為防止馬氏體耐熱鋼在鍛后冷卻過程出現裂紋等缺陷,產品成形后,爐冷至300℃進爐正火+回火處理,圖1為1Cr12Ni3Mo2VN馬氏體耐熱鋼鍛件的正火+回火工藝曲線。圖2為正火回火過程。

  圖1 鍛件鍛后正火+回火曲線

  圖2 1Cr12Ni3Mo2VN鍛件鍛后正火回火過程

  熱處理性能

  將正火+回火處理后的鍛件進行粗加工、探傷等處理,以確保淬火+回火處理前鍛件不存在裂紋等缺陷,按照圖3所示淬火+兩次回火的熱處理工藝進行性能熱處理。淬火采用PAG淬火液按照液-空交替冷卻的方式淬火,鍛件冷卻至表面300℃后空冷至低于100℃后,按照圖3所示工藝參數進行回火,圖4為鍛件性能熱處理過程。

  圖3 鍛件性能熱處理曲線

  圖4 1Cr12Ni3Mo2VN鍛件性能熱處理過程

  鍛件合格性檢驗

  力學性能

  從經過淬火+兩次回火處理的鍛件上切取樣環,按照180°間隔制取室溫拉伸試樣和高溫持久試樣,并檢測其力學性能,結果如表7所示,根據力學性能結果可知,按照圖1和圖3所述的熱處理工藝處理后,鍛件力學性能滿足技術要求。鍛件加工至發貨尺寸后,在兩端面和外徑中間位置每隔90°檢測一點硬度,結果如表8所示,滿足產品要求(硬度要求:311~352HBW)。

  表7 鍛件力學性能

  表8 鍛件硬度(HBW)

  顯微組織

  圖5為1Cr12Ni3Mo2VN鍛件金相組織,從圖5中不難發現,當鍛件化學成分滿足表5和表6要求且鉻當量為2.58時,按照圖1和圖3熱處理方式處理后,鍛件金相組織為回火馬氏體組織,且組織中不存在δ-鐵素體,即δ-鐵素體含量小于1.5%。圖6為鍛件的奧氏體晶粒度圖片,其奧氏體晶粒度級別在4.5級左右,盡管存在個別大尺寸晶粒,但大晶粒尺寸均小于0.25mm,滿足技術要求。

  圖5 鍛件金相組織

  圖6 鍛件奧氏體晶粒度

  結論

  采用電爐+電渣重熔方式冶煉,通過控制C、Mn、Ni、N等奧氏體形成元素和Cr、Mo、Si、V等鐵素體形成元素含量,當鉻當量為2.58時,經過適當的鍛造、擴孔、輾環和鍛后熱處理,按照1025~1050℃淬火(液—空交替冷卻)+545~585℃一次回火+525~545℃二次回火處理,1Cr12Ni3Mo2VN高筒件的金相組織、力學性能、奧氏體晶粒度和超聲波探傷結果均完全滿足技術要求。
本文節選自《鍛造與沖壓》2019年第13期。

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