專利名稱：一種耐熱鋼的熱處理、鍛造、氮化工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及材料科學，特別提供了一種耐熱鋼(1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN)的熱處理、鍛造、氮化工藝。

背景技術：
1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN是含5％Co、16％Cr的馬氏體熱強不銹鋼。5％Co的加入減少了由于加入Ni導致鋼AC1點和Ms點下降的趨勢，保證了鋼的熱強性；W、Mo、C、N等固溶強化元素和V、Nb等沉淀強化元素的加入顯著提高了鋼的綜合熱強性能；16％Cr的加入使鋼的抗氧化和抗熱腐蝕性能大幅度提高。由于多元復合強化作用的結果，該鋼具有較高的綜合強度、抗氧化性能和耐腐性，最高使用溫度為650℃。主要用在650℃以上全天候條件下工作的燃氣渦輪發(fā)動機壓氣機高承力零件、發(fā)動機緊固件及其它零件。作為一種新材料，1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN材料處理技術尚處在探索階段，人們期待一種耐熱鋼(1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN)的熱處理、鍛造、氮化工藝。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種耐熱鋼的熱處理、鍛造、氮化工藝。
本發(fā)明一種耐熱鋼的熱處理、鍛造、氮化工藝，其特征在于其特征在于所述耐熱鋼為1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN； 其熱處理工藝參數(shù)為固溶溫度范圍是1050～1150℃，固溶時間為0.5～2小時，回火溫度為630～720℃；回火時間為3～12小時； 其鍛造工藝參數(shù)為加熱溫度950～1180℃，變形程度5～70％； 其氮化工藝為滲氮溫度560～650℃，滲氮保溫時間20～70小時，氨分解率為30％～90％。
本發(fā)明所述一種耐熱鋼的熱處理、鍛造、氮化工藝，其特征在于滲氮層深度為0.30～0.40mm。
本發(fā)明所述一種耐熱鋼的熱處理、鍛造、氮化工藝，其特征在于所述材料的熱處理工藝參數(shù)優(yōu)選范圍是固溶溫度為1075～1125℃，固溶時間為60～100分鐘，回火溫度為660～700℃；回火時間為3～5小時。
本發(fā)明所述一種耐熱鋼的熱處理、鍛造、氮化工藝，其特征在于所述材料的鍛造工藝參數(shù)優(yōu)選范圍是加熱溫度1120～1160℃，變形程度40％～60％； 本發(fā)明所述一種耐熱鋼的熱處理、鍛造、氮化工藝，其特征在于所述材料的氮化工藝優(yōu)選范圍是滲氮溫度620～640℃，滲氮保溫時間55～58小時，氨分解率為50％～80％。
本發(fā)明所述一種耐熱鋼的熱處理、鍛造、氮化工藝，其特征在于鍛件鍛后性能為抗拉強度σb≥1080MPa，屈服強度σ0.2≥835MPa，延伸率6≥12.0％，面縮率ψ≥45％，沖擊功Ak≥47焦耳；布氏硬度HB(d)＝3.2～3.55mm。
本發(fā)明對耐熱鋼(1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN)的鍛造工藝、熱處理工藝及氮化工藝與組織和性能的關系進行了研究。通過不同固溶溫度、固溶時間、回火溫度、回火時間等因素對合金組織性能影響的研究，找出了該合金合適的熱處理工藝參數(shù)；通過不同加熱溫度、不同變形程度等因素對合金組織、性能影響的研究，確定出較佳的合金鍛造工藝參數(shù)；通過對不同的滲氮溫度、滲氮保溫時間等因素對合金組織性能影響的研究，確定了該合金合適的氮化工藝制度。在確定了該合金的處理工藝之后，按此工藝生產出合格的典型件。
本發(fā)明提供了一種耐熱鋼(1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN)的熱處理、鍛造、氮化工藝，操作簡便、效果良好、填補了現(xiàn)有技術的空白，達到了預期的要求，具有潛在的巨大價值。



圖1滲氮硬度梯度曲線； 圖2固溶溫度對室溫沖擊韌性的影響； 圖3固溶溫度對室溫拉伸性能的影響； 圖4固溶時間對室溫沖擊韌性的影響； 圖5固溶時間對室溫拉伸性能的影響； 圖6回火溫度對室溫沖擊韌性的影響； 圖7回火溫度對室溫拉伸性能的影響； 圖8回火時間對室溫沖擊韌性的影響； 圖9回火時間對室溫拉伸性能的影響； 圖10 950℃條件下鍛造的室溫沖擊； 圖11 1000℃條件下鍛造的室溫沖擊； 圖12 1100℃條件下鍛造的室溫沖擊； 圖13 1120℃條件下鍛造的室溫沖擊； 圖14 1140℃條件下鍛造的室溫沖擊； 圖15 1160℃條件下鍛造的室溫沖擊； 圖16 950℃條件下鍛造的室溫拉伸； 圖17 1000℃條件下鍛造的室溫拉伸； 圖18 1100℃條件下鍛造的室溫拉伸； 圖19 1120℃條件下鍛造的室溫拉伸； 圖20 1140℃條件下鍛造的室溫拉伸； 圖21 1160℃條件下鍛造的室溫拉伸 圖22 1120℃條件下鍛造對450℃拉伸性能的影響； 圖23 1140℃條件下鍛造對450℃拉伸性能的影響； 圖24 1160℃條件下鍛造對450℃拉伸性能的影響； 圖25 1120℃條件下鍛造對450℃持久的影響； 圖26 1140℃條件下鍛造對450℃持久的影響； 圖27 1160℃條件下鍛造對450℃持久的影響。

具體實施例方式 在本實施例中主要使用以下設備 25000KN熱模鍛壓力機、2T自由鍛錘、2T模鍛錘、RX3-45-12型45KW高溫爐、RX3-30-0型30KW中溫爐、RX-5-12型5KW高溫試驗爐、RX-4-10型4KW中溫試驗爐、ZDM-ST機械式拉力試驗機、RCL-3型蠕變持久試驗機、HB-3000型布氏硬度計、Axiovert 405M光學顯微鏡、SEM KYKY-2800掃描電鏡、35KW氮化爐。
表1試驗用原材料狀況(購自市售產品) 一、熱處理工藝過程 試驗用原材料直徑17mm的1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN合金棒材。
試驗方案 下面列出不同條件下合金室溫沖擊韌性和室溫拉伸性能的具體情況，具體工藝參數(shù)如表2所示 表2熱處理工藝試驗方案 不同的熱處理工藝參數(shù)對

合金組織和力學性能的影響 (1)固溶溫度對合金室溫沖擊韌性、室溫拉伸性能和組織的影響 參照圖2可知，隨固溶溫度的升高，合金的室溫沖擊韌性降低；參照圖3可知，合金室溫拉伸強度略有增加，拉伸塑性變化不大。
不同固溶溫度下合金的顯微組織狀況隨固溶溫度的升高，原奧氏體晶粒度逐漸增加，并且鐵素體尺寸也有所增加，合金沖擊韌性降低。合金沖擊斷口形貌亦顯示隨固溶溫度升高韌窩減少。但是由于隨著固溶溫度的升高，合金中合金元素的固溶度會隨之增加，從而使得合金的拉伸強度略有升高。
(2)固溶時間對合金室溫沖擊韌性、室溫拉伸性能和組織的影響 參照圖4、5可知，固溶時間對合金的室溫沖擊韌性和合金的室溫拉伸性能的影響都不大。顯微組織觀察狀況顯示由于合金中存在大量彌散分布的碳化物顆粒，在奧氏體化過程中會阻礙晶粒的長大，因此隨固溶時間的增加，原奧氏體晶粒尺寸增加不明顯，合金室溫沖擊韌性和室溫拉伸性能變化不大。
(3)回火溫度對合金室溫沖擊韌性、室溫拉伸性能和組織的影響 參照圖6、7可知，隨回火溫度的升高，合金的室溫沖擊韌性增加，合金室溫拉伸強度略有降低，拉伸塑性變化不大。
不同回火溫度下合金的顯微組織狀況隨著回火溫度的升高，合金中碳化物析出略有增加，回火馬氏體中合金元素過飽和度降低，合金的室溫沖擊韌性增加而拉伸強度降低。室溫沖擊試樣斷口形貌亦顯示隨回火溫度升高韌窩增加。
(4)回火時間對合金室溫沖擊韌性、室溫拉伸性能和組織的影響 參照圖8、9可知，回火時間對合金的室溫沖擊韌性性能和合金的室溫拉伸性能的影響都不大。顯微組織觀察顯示，隨回火時間增加，合金中碳化物尺寸變化不大，合金顯微組織變化不明顯。
綜上所述，以上結果說明該合金性能對熱處理工藝參數(shù)的變化不敏感，反映出該合金具有良好的工藝適應性。為了保持強度和韌性的良好配合，該合金的熱處理工藝參數(shù)為淬火1050～1110℃(優(yōu)選1090～1110℃)，保溫時間60～120min，油冷；回火660～700℃，保溫時間3～6h，空冷。
二、鍛造工藝過程 試驗用原材料直徑50mm的1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN合金棒材。
試驗方案 切取直徑50mm，長度70mm±1mm的試棒在不同的加熱溫度下，壓成不同高度的扁材試樣，即經過不同的變形程度。
壓扁并經固溶溫度1100℃、固溶時間90min、油冷、回火溫度680℃、回火時間3h、空冷的熱處理。然后對扁材的室溫拉伸、室溫沖擊及部分高溫拉伸、持久性能進行測試，并與有關標準進行分析對比。具體方案見表3。 表3試棒壓扁測試方案 (加熱規(guī)范鍛造加熱溫度×保溫時間； 注每組試樣在爐溫到溫后裝爐，當爐溫再次到溫時，計時保溫。) 鍛造工藝參數(shù)對室溫沖擊韌性、室溫拉伸性能和組織的影響 (1)鍛造工藝參數(shù)對合金顯微組織的影響 不同鍛造溫度下，合金經過相同的鍛后熱處理，其變形量對合金顯微組織的影響不十分明顯但是還有所區(qū)別 在同一鍛造溫度下隨著變形量的增加，鍛造過程中合金中儲存的變形能增加，發(fā)生動態(tài)再結晶時形核率增加，晶粒細化，經過熱處理后，合金組織中原奧氏體晶粒尺寸有所降低。變形量對合金組織的影響還體現(xiàn)在對一次碳化物NbC尺寸的影響上隨變形量增加，一次碳化物NbC破碎程度增加，尺寸減小，有利于在固溶處理過程中溶入合金基體，因此熱處理后一次碳化物NbC的數(shù)量和尺寸隨變形量的增加而降低。
鍛造溫度對合金組織的影響在較高溫度下鍛造有利于鍛造過程中動態(tài)再結晶的發(fā)生，從而降低變形抗力。
(2)鍛造工藝參數(shù)對合金室溫沖擊韌性的影響 參照圖10～15可知，除了在大約1000℃鍛造時變形量對室溫沖擊韌性影響不明顯外，在1100℃以下的其余鍛造溫度下變形量對室溫沖擊韌性影響都很顯著，且沖擊韌性值處于較低水平；當在1120℃以上溫度鍛造時，室溫沖擊韌性值均處于較高水平，并且隨變形量的增加，室溫沖擊韌性逐漸增加，在40～60％變形量下沖擊韌性值達到峰值。
不同變形量下鍛造溫度對合金室溫沖擊韌性的影響不同鍛造變形量下，950～1180℃鍛造時合金室溫沖擊韌性較好，1120～1160℃鍛造時合金室溫沖擊韌性最高。
(3)鍛造工藝參數(shù)對室溫拉伸性能的影響 參照圖16～21可知，不同鍛造溫度下，變形量對合金室溫拉伸強度和塑性的影響不明顯；同時，鍛造溫度對室溫拉伸強度和塑性的影響亦不明顯。
(4)鍛造工藝參數(shù)對450℃拉伸性能的影響 參照圖22～24可知，不同鍛造溫度下，變形量對合金450℃拉伸強度和塑性的影響不明顯，不同變形量下鍛造溫度對450℃拉伸強度和塑性的影響亦不明顯。
(5)鍛造工藝參數(shù)對持久性能的影響 參照圖25～27可知，試驗溫度450℃，試驗應力740MPa。表中的持久時間、伸長率、斷面收縮率均為試驗持續(xù)時間等于100h時增加20MPa應力繼續(xù)試驗，之后每隔12h增加20MPa應力直到試樣斷裂所得。
變形量的變化對合金的持久壽命影響不大；同時，鍛造溫度對合金持久壽命的影響亦不明顯。
總之，鍛造工藝參數(shù)對合金的室溫沖擊韌性有影響，在950～1180℃鍛造溫度下，該合金變形量為5～70％；其中，優(yōu)選的參數(shù)范圍是在1120-1160℃鍛造溫度、40-60％變形量。鍛造工藝參數(shù)對合金室溫和450℃拉伸性能影響不大，鍛造工藝參數(shù)對合金持久壽命的影響亦不明顯，說明鍛造工藝參數(shù)的變化對

合金的力學性能影響不大，該合金具有很好的鍛造工藝參數(shù)變化容限。
三、氮化處理工藝過程 試驗用原材料1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN合金棒材。
試驗方案 選擇不同的滲氮溫度、保溫時間，具體方案見表4。
表4氮化工藝方案 在滲氮過程中，主要的工藝參數(shù)為溫度、時間和氨分解率，這幾個因素對滲氮質量起著決定作用 (1)對于方案1、2分別進行了試驗，工藝參數(shù)及結果見表5和表6。
表5方案1試驗結果 表6方案2試驗結果 從表中結果可見，580℃、600℃溫度下滲氮，雖然表面硬度、中心硬度、脆性等指標均合格，但滲氮層深度多數(shù)偏低，即使加長保溫時間，其深度也在下限，不能滿足較嚴格的設計及工藝要求。
表7方案3試驗結果 (2)對于方案3進行了試驗，具體工藝參數(shù)及結果見表7。從表7中可以看出，通過提高滲氮溫度可加深該材料的滲氮層深度。
(3)通過對前3個方案的總結，并結合滲氮的相應規(guī)律，可以制定出方案4，參數(shù)及結果見表8。
表8方案4試驗結果 取國產料試樣進行了顯維硬度測試，如表9及圖1，從中可以看出顯維硬度曲線走勢較好 表9國產料試樣顯維硬度梯度表 對于滲氮后的金相組織，本發(fā)明中滲氮層為氮化索氏體+分布較均勻的氮化物，滲氮層組織比較致密，無網狀及脈狀氮化物，滲氮層的中心組織主要為索氏體+極少量鐵素體，索氏體稍微粗大一些。分析可見，滲氮后組織水平很高，達到了預期的要求。
綜上可見，執(zhí)行該工藝制度氮化的試件滲氮層深度適中，金相組織正常，室溫性能比較理想，其它指標如滲氮表面硬度、中心硬度也都滿足設計要求，因此，優(yōu)選的工藝制度為620～640℃，保溫50～60h，擴散3～5h，氨分解率50～80％。
實施例1 一種耐熱鋼(1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN)的熱處理、鍛造、氮化工藝 其鍛造工藝參數(shù)為加熱溫度950～1180℃，保溫時間20～30分鐘，變形程度5～70％； 其熱處理工藝參數(shù)為固溶溫度范圍1050～1150℃，固溶時間0.5～2小時，油冷；回火溫度630～720℃，回火時間3～12小時，空冷； 其氮化工藝為滲氮溫度560～650℃，滲氮保溫時間20～70小時，擴散3～5小時，氨分解率為30％～90％；滲氮層深度為0.30～0.40mm。
鍛件性能為抗拉強度σb≥1080MPa，屈服強度σ0.2≥835MPa，延伸率δ≥12.0％，面縮率ψ≥45％，布氏硬度HB(d)＝3.2～3.55mm，沖擊功AK＝47焦耳。
實施例2 一種耐熱鋼(1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN)的熱處理、鍛造、氮化工藝 (1)熱處理工藝參數(shù)為固溶溫度1090～1110℃，固溶時間為60～120分鐘，油冷；回火溫度660～700℃，回火時間3～6小時，空冷； (2)鍛造工藝參數(shù)為加熱溫度1120～1160℃，保溫時間25分鐘，變形程度40％～60％； (3)氮化工藝為滲氮溫度620～640℃，滲氮保溫時間55～58小時，擴散3～5小時，氨分解率為50％～80％；滲氮層深度為0.30～0.40mm。
鍛件熱處理后性能為抗拉強度σb≥1120MPa，屈服強度σ0.2≥1920MPa，延伸率δ≥17.0％，面縮率ψ≥58％，布氏硬度HB(d)＝3.23～3.29mm，沖擊功AK＝47焦耳。
權利要求
1、一種耐熱鋼的熱處理、鍛造和氮化工藝，其特征在于所述耐熱鋼為1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN；
其熱處理工藝參數(shù)為固溶溫度范圍是1050～1150℃，固溶時間為0.5～2小時，回火溫度為630～720℃；回火時間為3～12小時；
其鍛造工藝參數(shù)為加熱溫度950～1180℃，變形程度5～70％；
其氮化工藝為滲氮溫度560～650℃，滲氮保溫時間20～70小時，氨分解率為30％～90％。
2、按照權利要求1所述一種耐熱鋼的熱處理、鍛造、氮化工藝，其特征在于滲氮層深度為0.30～0.40mm。
3、按照權利要求1所述一種耐熱鋼的熱處理、鍛造、氮化工藝，其特征在于
所述材料的熱處理工藝參數(shù)為固溶溫度范圍是1075～1125℃，固溶時間為60～120分鐘，回火溫度為660～700℃；回火時間為3～6小時；。
4、按照權利要求3所述一種耐熱鋼的熱處理、鍛造、氮化工藝，其特征在于
所述合金的熱處理工藝參數(shù)為
固溶溫度1090～1110℃，固溶時間為60～120分鐘，油冷；回火溫度660～700℃，回火時間3～6小時，空冷。
5、按照權利要求1所述耐熱鋼的熱處理、鍛造、氮化工藝，其特征在于
所述材料的鍛造工藝參數(shù)為加熱溫度1120～1160℃，變形程度40％～60％；
6、按照權利要求1所述一種耐熱鋼的熱處理、鍛造、氮化工藝，其特征在于所述材料的氮化工藝為滲氮溫度620～640℃，滲氮保溫時間55～58小時，擴散3～5小時，氨分解率為50％～80％。
7、按照權利要求1～6其中之一所述一種耐熱鋼的熱處理、鍛造、氮化工藝，其特征在于
鍛件性能為抗拉強度σb≥1080MPa，屈服強度σ0.2≥835MPa，延伸率δ≥12.0％，面縮率Ψ≥45％，沖擊功Ak≥47焦耳；布氏硬度HB(d)＝3.2～3.55mm。
全文摘要
一種耐熱鋼的熱處理、鍛造和氮化工藝，所述耐熱鋼為1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN；其熱處理工藝參數(shù)為固熔溫度范圍是1050～1150℃，固熔時間為0.5～2小時，回火溫度為630～720℃；回火時間為3～12小時；其鍛造工藝參數(shù)為加熱溫度950～1180℃，變形程度5～70％；其氮化工藝為滲氮溫度560～650℃，滲氮保溫時間20～70小時，氨分解率為30％～90％。本發(fā)明所述熱處理、鍛造、氮化工藝，操作簡便、效果良好、填補了現(xiàn)有技術的空白，達到了預期的要求，具有潛在的巨大價值。
文檔編號C21D1/26GK1900346SQ20051004689
公開日2007年1月24日 申請日期2005年7月19日 優(yōu)先權日2005年7月19日
發(fā)明者趙興東, 王照坤, 劉興國, 邰清安, 孫貴東, 邊麗虹, 李紀, 魯海洋 申請人:沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司