專利名稱：一種新型高鉻鐵素體耐熱鋼及其馬氏體板條細(xì)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐熱鋼材料及其制備方法，特別涉及一種新型高鉻鐵素體耐熱鋼及其馬氏體板條細(xì)化方法。
背景技術(shù)：
電站電力設(shè)備技術(shù)向大功率、高參數(shù)方向的發(fā)展，與鐵素體耐熱鋼的發(fā)展密切相關(guān)。只有獲得具有足夠蠕變強(qiáng)度能承受高溫高壓的耐熱鋼材料，才能盡可能提高電站運(yùn)行的蒸汽參數(shù)，達(dá)到理論上的效率增長。所以長期以來國內(nèi)外的科研人員一直在進(jìn)行著鐵素體耐熱鋼的研制與開發(fā)。隨著蒸汽參數(shù)的提高，超超臨界發(fā)電機(jī)組對耐熱鋼提出了更高的要求，應(yīng)當(dāng)具有如下優(yōu)良的性能
(I)常溫力學(xué)性能較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，良好的沖擊韌性；
(2)高溫力學(xué)性能優(yōu)異的高溫持久性能，抗蠕變性能；
(3)化學(xué)性能良好的高溫抗氧化性能和抗蒸汽腐蝕性能；
(4)工藝性能優(yōu)良的冷熱加工性能及焊接性能；
(5)物理性能較低的熱膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)熱性；
(6)經(jīng)濟(jì)性盡可能高的性價(jià)比。
從廣義上來說，由于其服役狀態(tài)下的基體組織都為體心立方(BCC)結(jié)構(gòu)，故而低合金和中合金耐熱鋼都可歸結(jié)為鐵素體系耐熱鋼。鐵素體系耐熱鋼的發(fā)展可以分為兩條主線，一是縱向通過逐漸提高主要的耐熱合金元素Cr的成分含量，即從OCr到2. 25Cr，再到 9-12Cr ;二是橫向通過填加V、Nb、Mo、W和Co等合金元素，提高其沉淀強(qiáng)化及固溶強(qiáng)化能力。 從簡單的CMn-鋼開始到9-12%Cr鐵素體系耐熱鋼，在發(fā)展歷程中通過采用多元合金化和組織結(jié)構(gòu)控制，并結(jié)合多種不同的強(qiáng)化機(jī)制，使蠕變強(qiáng)度不斷得到提高(提高近10倍)。研究證明，9-12%Cr鐵素體耐熱鋼是鐵素體系耐熱鋼中蠕變強(qiáng)度最高的鋼系。因而近年來，日本、 歐洲及北美的發(fā)達(dá)國家在注重改善奧氏體鋼性能并提高性價(jià)比的同時(shí)，已將研發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了 9-12%Cr系鐵素體耐熱鋼。
目前，針對于鐵素體耐熱鋼的研究，主要集中于如下幾個(gè)方面
(I)根據(jù)合金化原理，繼續(xù)對現(xiàn)有鐵素體耐熱鋼的成分進(jìn)行微調(diào)，通過改變合金成分試圖增強(qiáng)其高溫下的強(qiáng)化效果。例如固溶強(qiáng)化元素Co，彌散強(qiáng)化元素Ta、T1、平衡元素Cu 的引入。不過合金元素的過多添加雖然可以提高常溫及高溫拉伸及屈服強(qiáng)度，但是反而會導(dǎo)致高溫下組織演變速率的加快，從而導(dǎo)致持久強(qiáng)度反而降低。而且，合金元素的加入還會劣化焊接性能，以及導(dǎo)致成本的上升。因此，適當(dāng)數(shù)量和成分的元素添加對組織演化和長期蠕變的影響目前還是國際上的熱點(diǎn)。
(2)根據(jù)組織控制原理，通過改變鐵素體耐熱鋼的熱處理工藝參數(shù)，改變其第二相粒子及晶界的分布，從而提高彌散強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化的效果。結(jié)合耐熱鋼的具體成分，制訂最合適的正火、冷卻及回火參數(shù)，可有效提高材料的高溫強(qiáng)度，從而延緩蠕變過程中的裂紋擴(kuò)展速率。此外，控軋控冷、形變熱處理等新型工藝的引入也同樣可以達(dá)到提高高溫蠕變強(qiáng)度的目的。
(3)隨著服役溫度的提高，目前鐵素體耐熱鋼的Cr含量往往不能保證足夠的抗腐蝕能力。因此，表面處理技術(shù)的引入成為了鐵素體耐熱鋼防腐方面的重點(diǎn)。一方面，要求材料表面具有足夠的抗腐蝕抗氧化能力，另一方面，表面涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度和彈性模量的匹配也應(yīng)該在考慮范圍內(nèi)。
(4)新的加工制造技術(shù)的引入,主要包括ODS (oxide-dispersed steels,氧化物彌散強(qiáng)化鋼)鋼的制備。ODS鋼主要通過熱等靜壓燒結(jié)等手段將合金粉末和細(xì)小彌散的氧化物顆粒結(jié)合成塊體來實(shí)現(xiàn)。其高溫強(qiáng)度及抗蠕變能力都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鐵素體耐熱鋼，但是其弊端也非常明顯造價(jià)非常昂貴；生產(chǎn)工藝復(fù)雜；對于體積較大的管件則需要更大的磨具，使其無法生產(chǎn)大口徑管件；焊接工藝還有待進(jìn)一步研究。發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種新型高鉻鐵素體耐熱鋼及其馬氏體板條細(xì)化方法，通過對現(xiàn)有的鐵素體耐熱鋼進(jìn)行成分調(diào)整及馬氏體板條細(xì)化，從而提高材料的綜合性能。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明新型高鉻鐵素體耐熱鋼，按照質(zhì)量百分比具有以下組分組成C0. 05-0. 07%, Si ( O. 5%, MnO. 3-0. 6%, Cr8. 5-9. 0%, MoO. 3-0. 6%, ffl. 5-2. 0%, VO. 20-0. 25%, NbO. 07-0. 09%, TiO. 005%, BO. 005%, Ν〈0· 001%，其余為 Fe 和雜質(zhì)。
本發(fā)明一種新型高鉻鐵素體耐熱鋼的馬氏體板條細(xì)化方法，其步驟是以5° C/s 加熱至1100-1200。C，保溫IOmin ;然后，以-5。C/s冷卻至1100-900。C，保溫2min，以變形速率為0. l-1/s進(jìn)行壓縮變形，變形量為40-70%，變形完成后直接空冷至室溫。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明對傳統(tǒng)鐵素體耐熱鋼(T91鋼)的成分進(jìn)行了調(diào)整，減少了 C含量至 0. 05-0. 07%，因?yàn)镃含量過高會降低鋼的焊接性能、耐蝕性和抗氧化性，并且會加快碳化物粗大，劣化鋼的高溫性能。減少了 Mo含量至0. 3-0. 6%，大量添加了 W元素，含量為 1.5-2. 0%。Mo和W都具有顯著的固溶強(qiáng)化的作用，能優(yōu)先溶于固溶體中，提高蠕變強(qiáng)度。但是在長期蠕變的過程中，可能會脫溶形成粗大的Laves相，不但會減弱固溶強(qiáng)化效果，同時(shí)粗大的Laves相也會對性能產(chǎn)生不利影響。但是因?yàn)閃原子的自擴(kuò)散系數(shù)比Mo的小，其生成Laves相的傾向性也要低。因此在成分設(shè)計(jì)時(shí)選擇了 “減Mo增W”。


圖1(a)為本發(fā)明新型高鉻鐵素體耐熱鋼實(shí)施例1的OM組織形貌；
圖1(b)為本發(fā)明新型高鉻鐵素體耐熱鋼實(shí)施例2的OM組織形貌；
圖2(a)為本發(fā)明新型高鉻鐵素體耐熱鋼實(shí)施例1的TEM組織形貌；
圖2(b)為本發(fā)明新型高鉻鐵素體耐熱鋼實(shí)施例2的TEM組織形貌。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
本發(fā)明新型高鉻鐵素體耐熱鋼，按照質(zhì)量百分比具有以下組分組成CO. 05-0. 07%, Si ( O. 5%, MnO. 3-0. 6%, Cr8. 5-9. 0%, MoO. 3-0. 6%, ffl. 5-2. 0%, V0. 20-0. 25%, NbO. 07-0. 09%, TiO. 005%, B0. 005%, Ν〈0· 001%，其余為 Fe 和雜質(zhì)。
表I實(shí)施例中新型高鉻鐵素體耐熱鋼的成分(Wt/%)
權(quán)利要求
1.一種新型高鉻鐵素體耐熱鋼，其特征在于按照質(zhì)量百分比具有以下組分組成 CO. 05-0. 07%, Si ( O. 5%, MnO. 3-0. 6%, Cr8. 5-9. 0%, MoO. 3-0. 6%, Wl. 5-2. 0%, V0. 20-0. 25%, NbO. 07-0. 09%, TiO. 005%, B0. 005%, Ν〈0· 001%，其余為 Fe 和雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述新型高鉻鐵素體耐熱鋼，其特征在于按照質(zhì)量百分比具有以下組分組成C0. 05%, SiO. 5%, MnO. 4%, Cr9. 0%, MoO. 3%, ffl. 5%, VO. 25%, NbO. 08%, TiO. 005%, BO. 005%, NO. 001%,雜質(zhì)為 PO. 025% 和 SO. 020%,其余為 Fe。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述新型高鉻鐵素體耐熱鋼，其特征在于按照質(zhì)量百分比具有以下組分組成C0. 07%, SiO. 45%, MnO. 5%, Cr8. 7%, MoO. 45%, W2. 0%, V0. 2%, NbO. 09%, TiO. 005%, BO. 005%, NO. 001%，雜質(zhì)為 PO. 020% 和 SO. 015%，其余為 Fe。
4.一種新型高鉻鐵素體耐熱鋼的馬氏體板條細(xì)化方法，其步驟是以5° C/s加熱至 1100-1200° C，保溫IOmin;然后，以-5° C/s冷卻至1100-900° C，保溫2min，以變形速率為0. l-1/s進(jìn)行壓縮變形，變形量為40-70%，變形完成后直接空冷至室溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種新型高鉻鐵素體耐熱鋼的馬氏體板條細(xì)化方法，其步驟是以5° C/s加熱至1200° C，保溫IOmin ;然后，以-5° C/s冷卻至1050° C，保溫2min， 以變形速率為0. Ι/s進(jìn)行壓縮變形，變形量為60%，變形完成后直接空冷至室溫。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種新型高鉻鐵素體耐熱鋼的馬氏體板條細(xì)化方法，其步驟是以5° C/s加熱至1100° C，保溫IOmin ;然后，以-5° C/s冷卻至950° C，保溫2min， 以變形速率為Ι/s進(jìn)行壓縮變形，變形量為60%，變形完成后直接空冷至室溫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型高鉻鐵素體耐熱鋼，按照質(zhì)量百分比具有以下組分組成C0.05-0.07%，Si≤0.5%，Mn0.3-0.6%，Cr8.5-9.0%，Mo0.3-0.6%，W1.5-2.0%，V0.20-0.25%，Nb0.07-0.09%，Ti0.005%，B0.005%，N<0.001%，其余為Fe和雜質(zhì)。其馬氏體板條細(xì)化方法，其步驟是以5℃/s加熱至1100-1200℃，保溫10min；然后，以-5℃/s冷卻至1100-900℃，保溫2min，以變形速率為0.1-1/s進(jìn)行壓縮變形，變形量為40-70%，變形完成后直接空冷至室溫。通過對組織形貌分析可知馬氏體板條細(xì)化到140-180nm，鋼的綜合性能也可以得到提高。
文檔編號C22C38/32GK103014514SQ20121049505
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者劉永長, 馬秋佳, 馬宗青, 余黎明, 高志明 申請人:天津大學(xué)