[发明专利]一种高铬镍合金钢导板的稀土变质及时效处理方法

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种高合金钢的稀土变质及时效处理方法。

背景技术

高铬镍合金钢作为连轧钢管机组入口导板，在使用过程中提前出现粘钢、疲劳裂纹和断裂等现象，导致早期报废或使用过程中出现初期网状裂纹等，在恶劣的使用条件下发生裂纹扩展导致断裂。经解剖分析，主要问题是导板的组织结构不合理，组织中的一次碳化物连成网状，引起导板寿命下降。从高铬镍合金钢的铸态凝固特点来看，由于C和Cr等合金元素偏析，奥氏体枝晶间和晶界的钢液熔池达到共晶成分，在钢液中发生共晶反应，形成的共晶碳化物呈网状分布在晶界上，而共晶碳化物是热疲劳裂纹扩展的主要通道，由于碳化物脆性大，在循环热应力下容易破碎，且一旦出现裂纹即迅速扩展。断裂力学理论指出，脆性断裂包括裂纹的萌生和传播，所以控制钢中碳化物类型、数量、形貌、分布和尺寸是改善钢材性能的有效手段。因此，高铬镍合金钢的热疲劳抗力主要取决于碳化物形态。

为了提高导板的性能，需改善碳化物数量和形貌，首先考虑加入稀土进行变质处理改善一次碳化物的形貌，再通过热处理来控制二次碳化物的析出数量与形貌，从而改善材料性能。

高铬镍合金钢的冷却凝固过程是首先从液相中析出δ固溶体，然后发生L+δ→γ的包晶反应，进而继续发生L+δ→γ+C₁(一次碳化物)的包共晶反应，然后发生L→γ+C₁的共晶反应，同时随着C₁的析出，C₁将沿着γ晶界连续生长，直到完全凝固，形成由奥氏体+碳化物组成的共晶产物，其中碳化物呈网状，网络之间为γ相。所以要改变高铬镍合金钢从液相中析出的一次碳化物形貌，可通过加入稀土(RE)进行变质处理。RE是强过冷元素，在凝固过程中将发生严重偏析，通过溶质再分配而富集在初生奥氏体生长前沿的熔体中，造成较大的成分过冷，有利于奥氏体枝晶的多次分枝及枝晶间距的减小，使钢的枝晶组织得到细化，阻碍奥氏体长大。初晶奥氏体的细化将导致共晶反应时的残留钢液相互被隔开的趋势增强，共晶阶段共晶奥氏体优先在狭窄通道两侧的初晶奥氏体上以离异方式结晶，促使残液进一步被分隔，最后导致碳化物网被断开而孤立化。热处理组织状态对导板的使用寿命有很大的影响，所以热处理应该向着增加高

加高寿命的组织状态来进行。高铬镍合金钢导板传统的热处理工艺是将铸态导板机加工后，在煤气炉中将导板加热到1080℃保温30分钟进行正火处理。正火态试样经王水腐蚀后可观察到粗大的网状一次碳化物，二次碳化物大量析出，且二次碳化物颗粒长大(如图1所示)。大块状的一次碳化物连成网状，这种组织的性能恶劣，大块状的碳化物割裂基体产生早期裂纹，合金钢导板在使用过程中频繁经历骤冷骤热，裂纹将迅速扩展导致开裂。另外，二次碳化物颗粒尺寸对接触疲劳寿命有着明显影响，在相同的累积破坏率下细小碳化物的寿命比粗颗粒寿命要高。因此，通过热处理获得细小弥散的二次碳化物是提高导板使用寿命的有效途径。

申请号为200610040275.3的中国发明专利“穿孔机导板”公开了一种穿孔机导板的化学成分：C 0.65～1.5％，Si 1.0～3.0％，Mn＜2％，Cr 28～32％，Ni 49～52％，W 4～6.5％，其余为Fe及杂质元素。该成分体系设计的特点是Ni元素含量极高，并加入了一定量的W元素，使穿孔机导板的制造成本增加，生产厂家和用户难以接受。

申请号为200810166746.2的中国发明专利“无缝钢管穿孔机用导板”公开的一种穿孔机导板的成分：C1.7～2.0％，Si0.6～0.8％，Mn0.6～0.8％，Cr27～30％，Ni5.6～20％，Nb+RE 0.15～0.35％，其余为Fe及杂质元素。该专利是在申请号为200710018263.5的中国发明专利“一种新型无缝钢管穿孔机用导板”基础上进行改进的，Ni含量从4.5～5.5％增加为5.6～20％。根据实验结果，含镍太高的导板在使用中容易产生粘钢而造成钢管表面划伤，从而影响钢管的质量，而含镍太低的穿孔机导板虽然成本低，但耐磨性能和抗热裂性能差。该专利仅公开了穿孔机导板的化学成分，没有涉及对应成分下的热处理工艺。

发明内容

本发明公开一种高铬镍合金钢稀土变质和时效处理方法。技术方案为：从材质成分和热处理两方面进行，来改善高铬镍合金钢导板的碳化物形貌以提高其使用寿命。本发明的成分设计为中等镍含量，并进行变质处理和时效处理，变质剂为稀土丝。本发明要通过热处理获得稳定性好的二次碳化物和均匀分布的球状二次碳化物。