一种抑制合金钢厚壁大锻件马氏体变体择优性热加工方法

本发明属于钢铁材料热加工领域，特别涉及一种抑制合金钢厚壁大锻件马氏体变体择优性热加工方法。

背景技术：

1、大型锻件是国民经济建设与工业发展所必需的多种重大装备中的关键基础零部件，其生产能力与技术水平是衡量一个国家基础工业发展水平的重要标志之一。重型机械、电力、冶金、石油化工、船舰制造和原子能工业等都需要高品质的大型锻件。随着大锻件服役条件愈加苛刻，大锻件从低合金钢到合金钢的发展趋势，我国已在低合金钢大锻件方面形成了较为完善制造体系，满足了我国经济和产业建设用常规大型低合金锻件的基本需求，但对于一些关键领域用大型合金钢锻件，由于力学性能不稳定、成品率低和一致性差等原因，导致产品交货周期长或延误，甚至部分产品仍需进口，制约了我国相关产业的发展。

2、近年来，我国在合金钢钢锭制备方面取得较大进展，如突破了300吨级0cr13ni4mo马氏体不锈钢真空钢锭高纯净、低偏析冶炼，满足扎拉等水电站转轮建设需求；成功制备出100吨级fb2和f91电渣钢锭，满足火电或核电等大锻件对高品质钢锭需求。在大锻件锻造能力方面，我国中国一重、国机重装、中信重工和伊莱特等一批重型装备企业通过技术改造，都已具备600吨钢锭/400吨锻件的制造能力，仅从锻造装备来讲，甚至优于其他国家。不过国内仍面临一些问题：经性能热处理后合金钢厚壁大锻件冲击韧性偏低或严重波动，或者落锤无延性转变温度（rtndt）不达标，不仅降低了产品的合格率，也给合金钢大锻件韧性带来极大困难。

3、近期，本研究团队对某f91合金钢厚壁大锻件解剖发现，在大锻件壁厚方向上局部位置马氏体变体择优性强（见图1所示），导致冲击韧性偏低或落锤性能不达标等问题。针对该问题，发明人开展了一系列动态热力模拟试验，发现了厚壁大锻件中变体择优性与合金钢合金成分、晶粒尺寸/分布、应力大小等密切相关（注：奥氏体向马氏体转变时，存在k-s关系，晶体学上存在24个变体，马氏体相变阻力大为了协调相变应变，马氏体相变的24个变体出现概率不一），并明确了影响马氏体变体择优性热加工关键因素，证实了马氏体变体择优性是导致f91合金钢厚壁大锻件冲击韧性偏低或波动以及落锤性能不达标的重要原因。

技术实现思路

1、基于上述相关研究及工业实践，本发明的目的在于提供一种抑制合金钢厚壁大锻件马氏体变体择优性的热加工方法，本方法无需改变厚壁大锻件的合金成分，通过对高温扩散、锻造、锻后热处理和性能热处理等全流程热加工工艺优化，精准调整大锻件热加工过程中的热力耦合条件与显微组织演变历史，协同控制合金钢大锻件成分均匀性、晶粒混晶度和淬火应力，有效抑制合金钢厚壁大锻件淬火过程中局部位置产生的马氏体变体择优现象，解决了传统工艺下大锻件冲击韧性偏低、性能波动大的难题，在基本不增加或者少量增加生产成本的情况下，显著提升锻件的冲击韧性及性能稳定性，实现合金钢厚壁大锻件显微组织与力学性能的高度一致性。

2、一种抑制合金钢厚壁大锻件马氏体变体择优性的热加工方法，包括以下步骤：

3、(1)钢锭或坯料进行高温扩散后进行多道次锻造，以减轻或消除偏析；

4、(2)将合金钢大锻件在ac3以上80℃～200℃温度区间内进行退火处理；大锻件升温速率按照不高于100℃/h进行，保温时间按照锻件壁厚每增加25mm延长0.5h～1h；保温结束后，以不高于50℃/h的冷却速度冷却至珠光体鼻子温度t0，在该温度下进行等温保温或震荡保温，使珠光体转变量达到50%以上，然后随炉缓冷至500℃以下；

5、(3)完成退火热处理后，将大锻件以不高于80℃/min的加热速率进行加热升温，加热过程中设置单道或多道次台阶进行保温，保温台阶设置在300℃～650℃区间或/和ac1以下10℃～30℃区间；最终在ac3以上80℃～180℃温度区间进行淬火奥氏体化保温处理，保温时间按照锻件壁厚每增加25mm延长0.5h～1h；

6、(4)完成淬火奥氏体化保温后，合理吊装出炉，并在空气中静置或风冷降温80℃～150℃后，再进行水空交替淬火，按照“水淬2min～8min+空冷2min～10min”模式进行多次循环，直至锻件表面温度低于马氏体相变点ms，且锻件心部冷速高于完全马氏体相变临界冷速vc，之后置于水中或空气中冷却，并进行回火处理。

7、所述步骤(1)中，合金钢大锻件化学成分主要包含：c≤0.45wt.%、mn≤1.0wt.%、5.0wt.%≤cr≤14.5 wt.%、0.5wt.%≤mo≤2.5wt.%、w≤3.5wt.%、v≤2.0wt.%、si≤1.2wt.%、ni≤5.0wt.%以及微合金元素稀土(re)、nb、ti、b中一种或几种，合金元素的质量分数总和在5wt.%以上。合金钢大锻件厚度在700mm以上。

8、所述步骤(1)中，将钢锭或坯料加热至1150℃～1250℃进行保温，保温时间在20h以上，且随钢锭或坯料尺寸每增加100mm，保温时间延长不低于2h；经一次或多道次多向锻造，以减轻或消除偏析。

9、所述步骤(2)中，保温结束后，以不高于50℃/h冷速冷却至珠光体鼻子温度t0进行等温或震荡保温。珠光体转变鼻子温度指在该冷却速度下珠光体转变孕育期最短对应的温度，震荡保温的温度波动幅度控制在±50℃以内，目的在于起到加速珠光体转变作用。退火热处理主要起消除组织遗传和均匀化组织作用，以确保后续淬火后合金钢大锻件晶粒度控制在3.5级以上，混晶不超过2级。

10、所述步骤(3)中，设置单道或多道次台阶进行保温，是根据实际工况（淬火前初始组织、工件尺寸等）和出于经济利益的考虑，可将多个保温台阶合并成一个台阶或将一个台阶分解成多个台阶，以实现基体组织中析出弥散分布的合金碳化物，促进后续奥氏体晶粒均匀、同步形核，避免奥氏体化过程中出现晶粒不均匀、内应力过大的问题。

11、所述步骤(4)中，合金钢大锻件完全奥氏体化吊装出炉阶段，对于复杂合金钢构件，需合理使用吊装夹具，使合金钢大锻件吊装过程应力分布均匀，尽量避免吊装引起的应力集中；出炉后空气静置或风冷阶段的降温方式与降温幅度，应当避开高温区间冷却时晶界有害相析出的条件；判定淬火终止的指标为锻件表面温度低于马氏体相变点ms、同时锻件心部冷却速率高于完全马氏体相变临界冷速vc；锻件表层温度采用红外测温枪检测，测温节点选取工件出水后30s时刻。

12、本发明抑制马氏体变体择优性的主要思路和机理如下：

13、1.本发明在步骤(1)和(2)设置包括高温均匀扩散、多道次锻造及锻后退火在内的预备热处理工艺。首先采用高温长时扩散退火结合多道次锻造，减少合金钢成分的偏析和晶粒的粗大或不均的问题。一方面减少化学成分偏析或晶粒不均的合金钢锻件在后续加工过程中出现的微区应力和变形不均问题；另一方面还可消除合金钢热变形引入形变织构，进而增加马氏体晶体学变体的随机取向性，减少因过冷奥氏体向合金钢马氏体相变变体的择优倾向。

14、2.在淬火加热阶段，通过在加热过程合理设计保温台阶，使得富nb、mo和cr等合金碳化物充分析出，这些合金碳化物在后续的奥氏体化过程中作为形核核心，一方面可以使奥氏体逆转以粒状为主，消除合金钢组织遗传性；另一方面还有助于消除淬加热阶段产生的内应力，最终确保合金钢大锻件经奥氏体化后晶粒度控制在3.5级以上，混晶度控制在2级以内。

15、3.经淬火奥氏体化保温后，吊装出炉时，合理使用工装夹具使大锻件吊装过程中应力分布均匀，尽量避免因吊装引起的应力集中（特别是拉应力）；在空气中静置或风冷降温80℃～150℃后，再进行水空交替淬火，以“水淬2min～8min+空冷2min～10min”模式进行多次循环，直至锻件表面温度低于马氏体相变点ms，且锻件心部冷速高于完全马氏体相变临界冷速vc，之后可置于空气中冷却，并进行回火处理。在保证合金钢大锻件淬透的条件下，减少淬火过程应力和温度耦合作用下，导致马氏体发生相变时变体择优性。

16、4.由于本发明方法不仅能够抑制合金钢大锻件马氏体变体择优性，而且对细化合金钢原奥氏体晶粒、马氏体亚结构和碳化物等起到积极作用，从而不易由于粗大的原奥氏体晶粒、马氏体板条择优性等的引起材料在加载条件下应力/应变分布不均，导致阻碍裂纹扩展能力弱，导致冲击韧性偏低或落锤性能不合格等问题。

17、本发明的有益效果：

18、本发明通过调控成分均匀性、碳化物析出行为、奥氏体化晶粒状态与淬火应力水平，弱化形变织构、促进马氏体变体随机取向，有效抑制马氏体相变的变体择优现象。工艺可稳定控制锻件晶粒度、减轻混晶，缓解淬火过程内应力集中，显著削弱变体择优对冲击韧性与落锤性能的不利影响。本方法依托现有热处理装备即可实施，能够有效提升厚壁大锻件显微组织与力学性能一致性。