阅读说明：本技术 大直径高碳铬不锈钢锻件珠光体均匀分布的热处理方法 (Heat treatment method for large-diameter high-carbon chromium stainless steel forging with uniformly distributed pearlite ) 是由 王小军 刘国平 周预平 罗波 汤晶晶 陈先华 孙赛刚 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种大直径高碳铬不锈钢锻件珠光体均匀分布的热处理方法,先将熔炼分析符合要求的G102Cr18Mo锻件加热保温,升温至1050～1060℃均温后保温,出炉空冷到600～650℃,进650℃的加热炉,再炉冷到500～550℃,并保温进行均质碳分配,升温到650±10℃性能回火,炉冷到200℃后出炉空冷。本发明采用分阶段加热控温、控冷及在500～550℃进行碳分配,可在马氏体不锈钢材料上获得均质珠光体组织。本发明生产的大直径G102Cr18Mo高碳铬蘑菇头不锈钢锻件机械性能指标高,细粒状珠光体组织均匀分布；满足GB/T3086-2008标准技术要求；能满足于大型水利电站闸门施工技术要求。(The invention relates to a heat treatment method for uniform distribution of pearlite of a large-diameter high-carbon chromium stainless steel forging, which comprises the steps of heating and preserving heat of a G102Cr18Mo forging meeting the requirement in smelting analysis, heating to 1050-1060 ℃ for temperature equalization, preserving heat, discharging from a furnace, cooling to 600-650 ℃, feeding into a heating furnace at 650 ℃, then cooling to 500-550 ℃ for temperature equalization, preserving heat for homogeneous carbon distribution, heating to 650 +/-10 ℃ for performance tempering, discharging from the furnace, cooling to 200 ℃ for air cooling. According to the invention, the homogeneous pearlite structure can be obtained on the martensitic stainless steel material by heating and controlling the temperature and cooling in stages and carrying out carbon distribution at 500-550 ℃. The large-diameter G102Cr18Mo high-carbon chromium mushroom head stainless steel forging produced by the method has high mechanical property index, and fine grained pearlite structures are uniformly distributed; the technical requirements of GB/T3086-2008 standard are met; can meet the technical requirements of the gate construction of large hydropower stations.)

大直径高碳铬不锈钢锻件珠光体均匀分布的热处理方法

技术领域

本发明涉及一种热处理方法，具体涉及一种大直径高碳铬不锈钢锻件珠光体均匀分布的热处理方法。大直径高碳铬不锈钢锻件为公称直径或有效截面直径大于160mm的G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件。

背景技术

G102Cr18Mo高碳铬不锈钢料具有良好的耐腐蚀、抗高温、耐低温能力。最高使用温度高达427℃，最低使用温度可低达-253℃以下。

G102Cr18Mo高碳铬不锈钢,是在9Cr18钢的基础上加Mo而发展的,较9Cr18钢，其更高的硬度和抗回火稳定性。钢的临界点(近似值)分别为AC1:815℃～865℃,Ar1:665℃～765℃,Ms:145℃。该钢完全退火后为球状珠光体和碳化物,但硬度、强度指标低，且易形成链状或网状碳化物；采用传统正火加回火工艺，因淬透性好，易形成贝氏体加回马氏体等低温转变组织。因此，在大截面直径的G102Cr18Mo钢锻件上获得高硬度的均匀分布的珠光体组织，采用传统方法难度大。

G102Cr18Mo蘑菇头不锈钢开发应用于水利工程闸门的制造，国内先前主要用35CrMo材料应用于水利闸门。G102Cr18Mo蘑菇头不锈钢由一半球体与柱状平台组成。如半球体直径为Sφ1200mm半球，柱状平台为高200mm，直径φ1400mm的平台，有效截面直径800mm。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种细粒珠光体组织均匀分布，无孪晶碳化物出现的大直径高碳铬不锈钢锻件珠光体均匀分布的热处理方法。

本发明目的的实现方式为：大直径高碳铬不锈钢锻件珠光体均匀分布的热处理方法，大直径高碳铬不锈钢锻件为公称直径或有效截面直径大于160mm的G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件；

大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件的化学成分％，wt，熔炼分析如下：C:0.95％～1.10％，Si:0.20％～0.78％，Mn:0.20％～0.78％，P:0.005％～0.034％，S:0.003％～0.028％，Cr:16.02％～17.95％，Mo:0.40％～0.70％，Ni:0.03％～0.25，Cu:0.03％～0.24。热处理的具体步骤如下：

1)将大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件放入加热炉中，按45～55℃/h的速度加热到600～650℃，保温,保温时间按10h/100mm计算；再升温至1050～1060℃后均温、保温，均温时间按2h/100mm计算，保温时间为均温时间的1/2；

所述100mm指的是大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件的有效截面直径；

2)将经步骤1)均温、保温后的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件出炉，空冷到600℃；

3)将经步骤2)空冷的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件置入到650℃的加热炉中，随炉炉冷到500～550℃进行均质碳分配，保温时间按1h/100mm计算；再升温至650±10℃均温、保温，均温时间按3.0h/100mm计算，保温时间为均温时间的1/2；随炉冷却至200℃；

所述100mm指的是大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件的有效截面直径；

4)将经步骤3)随炉冷却至200℃的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件出炉，空冷，即可获得珠光体组织均匀分布的，无有害孪晶碳化物的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件。

本发明对大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件，采用控温、控冷的热处理方法；采用500～550℃中温段保温所进行均质碳分配，以确保碳化物的充分析出，切断低温转变组织。即可在大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件获得均质分布细粒珠光体组织。

本发明解决了大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢在生产中易出现有害的孪晶碳化物的问题，并且解决了对于大于160mm公称直径或有效直径厂家不保任何性能指标的难题。

经本发明热处理的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件抗拉强度可达590～835MPa，本体布氏硬度HB:250～300。性能指标可做到目前国内少有轴承厂家仅生产的5～160mm有效直径截面对应的GB/T3086-2008标准技术要求。

本发明操作性强，既细化了晶粒，又可控制低温贝氏体或马氏体转变组织的出现，杜绝有害的网状碳化物组织，完全获得综合机械力学性能的较好的珠光体高温转变组织。所获得的的大直径G102Cr18Mo钢具有高硬度及耐蚀性,可用于制造在腐蚀环境和无润滑强氧化气氛下工作的轴承、闸门部件；在航海及水利工程工业中也得到越来越多的应用，具有广阔的应用前景。

采用本发明处理的大直径G102Cr18Mo蘑菇头不锈钢能满足大型水电站水闸门蘑菇头锻件的技术要求。

附图说明

图1是经实施例1热处理的匀质分布珠光体组织图，

图2是经实施例2热处理的匀质分布珠光体组织图，

图3是经实施例3热处理的匀质分布珠光体组织图，

图4是经对比例1热处理的回火马氏体组织图，

图5是经对比例2热处理的白色网状碳化物+黑色珠光体组织图。

具体实施方式

本发明先将熔炼分析符合要求的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件置入加热炉中，按45～55℃/h的加热速度加热到600～650℃保温，升温至1050～1060℃均温后保温，出炉空冷到600～650℃，锻件到温后进650℃的加热炉，再炉冷到500～550℃保温，实现均质碳分配，再升温到650±10℃性能回火，随后再炉冷到200℃后出炉空冷，获得均质分布珠光体的G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件。

本发明所用G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件的化学成分％，wt，熔炼分析如下：C:0.95％～1.10％，Si:0.20％～0.78％，Mn:0.20％～0.78％，P:0.005％～0.034％，S:0.003％～0.028％，Cr:16.02％～17.95％，Mo:0.40％～0.70％，Ni:0.03％～0.25，Cu:0.03％～0.24。

所述100mm指的是材料锻件热处理的有效截面直径。

所述空冷指的是大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢锻件出炉，置于室温空地中自然冷却。

所述炉冷，指的是大直径高碳铬不锈钢锻件置于已完成保温的加热炉内，关闭炉门，在不加热的情况下缓慢冷却。

下面用具体实施例详述本发明。

实施例1、大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件的化学成分％，wt，熔炼分析如下：C:1.01％，Si:0.62％，Mn:0.61％，P:0.024％，S:0.005％，Cr:16.82，Mo:0.40％，Ni:0.14％，Cu:0.08％。

大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件由一半球体与柱状平台组成，半球体直径为Sφ1200mm的半球，柱状平台为高200mm，直径φ1400mm的平台，平台有效截面直径800mm。热处理的具体步骤如下：

1)将大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件置入加热炉中，按50℃/h的速度加热到650℃，保温，保温时间80h；再升温至1050℃后均温、保温，均温16h，保温时间为8h；

2)将经步骤1)均温、保温后的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件出炉，空冷到600℃；

3)将经步骤2)空冷的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件置入650℃加热炉中，随炉炉温冷到530℃，保温8h进行均质碳分配；再升温至650±10℃均温、保温，均温时间24h，均温时间12h；随炉冷却至200℃；

4)将经步骤3)随炉冷却的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件出炉，空冷，获得如图1所示的珠光体组织均匀分布的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件。

本申请人对本实施例热处理的大直径G102Cr18Mo蘑菇头锻件作了机械性能测试，机械性能的取样位置：粗加工后在蘑菇头直径φ1400平台面上切环取样。机械性能指标：σb＝677MPa，本体布氏硬度HB：269、272、270，金相组织为均匀分布细粒珠光体(见图1)。本实施例热处理的大直径G102Cr18Mo蘑菇头锻件强度性能指标满足5～160mm有效公称直径截面对应的GB/T3086-2008标准技术要求，布氏硬度满足水利工程蘑菇头250～300硬度指标，无孪晶碳化物。

实施例2、大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件的化学成分％，wt，熔炼分析如下：C:0.95％，Si:0.78％，Mn:0.20％，P:0.034％，S:0.028％，Cr:17.95，Mo:0.70％，Ni:0.25％，Cu:0.24％。

大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件由一半球体与柱状平台组成，半球体直径为Sφ800mm的半球，柱状平台为高200mm，直径φ1000mm的平台，有效截面直径600mm。热处理的具体步骤如下：

1)将大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件置入加热炉中，按50℃/h的速度加热到600℃，保温，保温时间60h；再升温至1050℃后均温、保温，均温12h，保温时间为6h；

2)将经步骤1)均温、保温后的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件出炉，空冷，冷却到600℃；

3)将经步骤2)空冷的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件置入650℃加热炉中，随炉炉温冷到500℃，保温6h进行均质碳分配；再升温至650±10℃均温、保温，均温时间18h，均温时间9h；随炉冷却至200℃；

4)将经步骤3)随炉冷却至200℃的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件出炉，空冷，获得如图2所示的均匀分布珠光体组织的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件。

本申请人对本实施例热处理的大直径G102Cr18Mo蘑菇头锻件作了机械性能测试，机械性能的取样位置：粗加工后在蘑菇头直径φ1000平台面上切环取样。机械性能指标：σb＝688MPa，本体布氏硬度HB：275、271、273，金相组织为均匀分布细粒珠光体(见图2)。本实施例热处理的大直径G102Cr18Mo蘑菇头锻件强度性能指标满足5～160mm有效公称直径截面对应的GB/T3086-2008标准技术要求，布氏硬度满足水利工程蘑菇头250～300硬度指标，无孪晶碳化物。

实施例3、大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件的化学成分％，wt，熔炼分析如下：C:1.10％，Si:0.20％，Mn:0.78％，P:0.005％，S:0.003％，Cr:16.02，Mo:0.70％，Ni:0.03％，Cu:0.03％。

大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头由一半球体与柱状平台组成，半球体直径为Sφ1200mm半球，柱状平台为高200mm，直径φ1400mm的平台，有效截面直径800mm。热处理的具体步骤如下：

1)将大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件置入加热炉中，按50℃/h的速度加热到650℃，保温，保温时间80h；再升温至1050℃后均温、保温，均温16h，保温时间为8h；

2)将经步骤1)均温、保温后的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件出炉，空冷，冷却到600℃；

3)将经步骤2)空冷的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件置入650℃加热炉中，随炉炉温冷到550℃，保温8h进行均质碳分配；再升温至650±10℃均温、保温，均温时间24h，均温时间12h；随炉冷却至200℃；

4)将经步骤3)随炉冷却至200℃的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件出炉，空冷，获得如图3所示的均匀分布珠光体组织的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件。

本申请人对本实施例热处理的大直径G102Cr18Mo蘑菇头锻件作了机械性能测试，机械性能的取样位置：粗加工后在蘑菇头直径φ1400平台面上切环取样。机械性能指标：σb＝685MPa，本体布氏硬度HB：275、272、275，金相组织为均匀分布细粒珠光体(见图3)。本实施例热处理的大直径G102Cr18Mo蘑菇头锻件强度性能指标满足5～160mm有效公称直径截面对应的GB/T3086-2008标准技术要求，布氏硬度满足水利工程蘑菇头250～300硬度指标，无孪晶碳化物。

为证实本发明的技术方案是必要的技术方案，本申请人作了对比实验，具体如下：

对比例1、大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件的化学成分％，wt，熔炼分析如下：C:1.02％，Si:0.61％，Mn:0.59％，P:0.021％，S:0.005％，Cr:16.82，Mo:0.49％，Ni:0.12％，Cu:0.08％。

大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件由一半球体与柱状平台组成，半球体直径为Sφ1200mm半球，柱状平台为高200mm，直径φ1400mm的平台，有效截面直径800mm。热处理的具体步骤如下：

1)将大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件置入加热炉中，按50℃/h的速度加热到650℃，保温，保温时间80h；再升温至1050℃后均温、保温，均温时间16h，保温时间为8h；

2)将步骤1)均温、保温后的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件出炉，空冷到室温；

3)将步骤2)空冷至室温的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件置入加热炉中，由室温再升温至650±10℃均温、保温，均温时间24h，保温时间12h；随炉炉冷却至200℃。

4)将步骤3)炉冷至200℃的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件出炉，空冷。可获得如图4所示的回火马氏体组织的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件。

本对比例热处理的大直径G102Cr18Mo蘑菇头锻件，由于在步骤2)中直接空冷到室温，步骤3)未置入650℃加热炉中，随炉炉温冷到530℃，保温8h进行均质碳分配；直接升温至650±10℃，故所热处理的大直径G102Cr18Mo蘑菇头锻件的机械性能指标：σb＝911MPa，本体布氏硬度HB：342、345、357，金相组织为回火马氏体组织。强度、硬度超标，且金相组织均为回火马氏体组织，不满足5～160mm有效公称直径截面对应的GB/T3086-2008标准技术要求。

对比例2、大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件的化学成分％，wt，熔炼分析如下：C:1.04％，Si:0.56 0％，Mn:0.59％，P:0.023％，S:0.005％，Cr:16.98，Mo:0.47％，Ni:0.16％，Cu:0.13％。热处理的具体步骤如下：

1)将大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件置入加热炉中，按50℃/h的速度加热到650℃，保温，保温时间80h；再升温至1050℃后均温、保温，均温时间16h，保温时间为8h。

2)将步骤1)均温、保温后大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件随炉炉冷至室温。

3)将步骤2)空冷至室温的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件置入加热炉中，升温至650±10℃均温、保温，均温时间24h，保温时间12h；随炉炉冷却至200℃。

4)将步骤3)炉冷至200℃的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件出炉，空冷。可获得如图5所示的白色网状碳化物+黑色珠光体组织的大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件。

对比例2同实施例1、2、3不同的是，在步骤2)中采用炉冷到室温工艺，即步骤2)1050℃后均温、保温后直接炉冷到室温，也未采用500～550℃中温段保温所进行均质碳分配，切断低温转变组织，以确保碳化物的充分析出；故所热处理的大直径G102Cr18Mo蘑菇头锻件的机械性能：σb＝567MPa，本体布氏硬度HB：220、222、230，金相组织为大型网状碳化物加退火珠光体组织，强度、硬度低于标准。不满足5～160mm有效公称直径截面对应的GB/T3086-2008标准技术要求，且出现有害的大型网状碳化物。

从实施例1、2、3与对比例1、2的强度、硬度、金相组织数据对比，本发明升温至1050～1060℃后的控冷、控温方式非常重要。如对大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件按传统正火工艺空冷至室温，冷速过快(对比例看出)易出现淬火现象而形成贝氏体加马氏体组织；采用高温炉冷的完全退火，因冷速过慢(对比例看出)而易形成有害的网状碳化。

本发明采用500～550℃的中温段保温，进行均质碳分配，以确保碳化物的充分析出，切断低温转变组织。由此足以证明，本发明完全杜绝了大直径G102Cr18Mo高碳铬不锈钢蘑菇头锻件的链状或网状的碳化物，可在大型铸锻件上获得高温稳定珠光体组织，即细化晶粒；也保证了强度、硬度指标符合5～160mm有效公称直径截面对应的GB/T3086-2008标准技术要求，完全满足水利工程所用得大型蘑菇头闸门的技术要求。