專利名稱：馬式體－奧式體鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種馬式體-奧式體鋼，特別是用作燃?xì)廨啓C(jī)中的承受蠕變應(yīng)力的部件材料的馬氏體-奧氏體鋼。
背景技術(shù)：
本技術(shù)領(lǐng)域目前的狀態(tài)是采用可調(diào)質(zhì)處理的鉻鋼作為用于熱電站中的材料，特別是用于轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)子葉輪的材料。與以鎳基超級合金相比，可調(diào)質(zhì)處理的鉻鋼的特點(diǎn)是可經(jīng)較好的無損探傷檢驗(yàn)。此外，它還具有較低的熱膨脹系數(shù)和高的導(dǎo)熱性，這樣就增強(qiáng)了耐熱疲勞的性能。然而，在溫度超過450℃時(shí)，該調(diào)質(zhì)鋼在耐熱、抗蠕變和韌性方面就不能滿足預(yù)期的要求。
已知一種標(biāo)號為X12CrNiMo12的可調(diào)質(zhì)處理的馬氏體鋼。這種鋼除鐵外還包含0.10-0.14％的C、0.10-0.40％的Si、0.5-0.9％的Mn、11-12％的Cr、2-2.6％的Ni、1.3-1.8％的Mo、0.2-0.35％的V、0.02-0.05％的N、以及通常的雜質(zhì)。這種鋼在低于450℃的溫度范圍內(nèi)，且有相當(dāng)高的高溫屈服極限和相當(dāng)高的抗蠕變性能。然而，在溫度超過450℃時(shí)，該高溫屈服極限和抗蠕變性能就不足了此外，這種鋼在更高的溫度下有明顯的脆化趨勢。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供一種用于燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子或燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子葉輪的馬氏體-奧氏體鋼，其在由450℃到至少550℃的溫度范圍，具有足夠的耐熱性能和韌性。
根據(jù)本發(fā)明，按照第一權(quán)利要求中的特征部分可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
本發(fā)明的核心是調(diào)整由經(jīng)回火的馬氏體和熱力學(xué)穩(wěn)定的奧式體組成的十分精細(xì)的兩相微觀結(jié)構(gòu)。這種鋼主要包含8-15％的鉻、4-10％的鈷、2.5-8％的錳，0.5-6％的鎳，0.5-2.5％的鉬、達(dá)2％的鎢、0.1-0.5％的釩，0.05-0.2％的碳，0.05-0.25％的氮，其余為鐵和通常在熔煉條件下形成的雜質(zhì)。
根據(jù)上述內(nèi)容可以看出本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)實(shí)際完全在于，按照雙相結(jié)構(gòu)形成的鋼即使在450℃以上的溫度，也具有高的高溫屈服極限和高的抗蠕變性能，以及由于它的高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，呈現(xiàn)低的脆化趨勢。
根據(jù)各從屬權(quán)利要求形成更有利的實(shí)施例。
發(fā)明的實(shí)施例為本發(fā)明應(yīng)用所研制的鋼按重量計(jì)主要包含8-15％的鉻、4-10％的鈷、2.5-8％的錳、0.5-6％的鎳、0.5-2.5％的鉬、達(dá)2％的鎢、0.1-1.0％的釩、0.05-0.2％的碳、0.05-0.25％的氮、并且可以通過澆鑄或通過粉末冶金方法制造。
公知的和工業(yè)上所采用的9-12％的鉻鋼是由于在該經(jīng)回火的馬氏體中形成的位錯(cuò)網(wǎng)格上極為精細(xì)的沉淀物的穩(wěn)定作用來達(dá)到其耐熱和抗蠕變性能的。在為本發(fā)明應(yīng)用研制的鋼中，除了該精細(xì)的沉淀物以外，還引入一種面心立方體相態(tài)(奧式體)，由于它的低自行擴(kuò)散和形成相界面，就有助于提高耐熱和抗蠕變性能。在本技術(shù)領(lǐng)域中含有奧氏體作為改進(jìn)蠕變性能的第二相的馬式體鋼是公知的。然而，與本發(fā)明的鋼相比較，其差別在于，它們的奧式體部分不是熱力學(xué)穩(wěn)定的，使得對于熱疲勞是甚為敏感的。
下面，具體介紹對于每種元素的優(yōu)選量，以及本發(fā)明合金的所選合金構(gòu)成范圍的理由。
利用溶解到該固溶體中的鉻以提高抗氧化性能。通過形成六角形的氮化鉻，Cr還可有助于提高抗蠕變性能。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，Cr的最小含量需為8％(重量)。然而，鉻含量不應(yīng)超過15％(重量)，否則會(huì)形成δ-鐵素體，以導(dǎo)致韌性和高溫強(qiáng)度降低。因此，對于鉻的適合范圍約為8-15％(重量)，優(yōu)選為9-12％(重量)，特別是10％(重量)。
在本發(fā)明的鋼中，錳對提高奧式體區(qū)中的氮的溶解度特別有效。為了在固溶退火過程中溶解六角形的穩(wěn)定的氮化物(Cr,V)2N和立方形的穩(wěn)定的氮化物(V,Cr)N,Mn的含量最少為2.5％(重量)。在回火處理的過程中，錳集聚在所形成的奧氏體中，并決定性地降低它的馬氏體的起始溫度，即錳穩(wěn)定了該奧式體。還因這一原因，錳的含量至少應(yīng)為2.5％(重量)。然而，為了防止該合金變成完全的奧氏體性的，Mn含量不應(yīng)超過8％(重量)。因此，錳的合適范圍約為2.5-8(重量)，優(yōu)選為3.5-6.5％(重量)，特別是約為5％(重量)。
鎳增加了在馬氏體鉻鋼的韌性，因?yàn)槠溆行У亟档挺?鐵素體的含量。與錳相似，鎳穩(wěn)定了在雙相結(jié)構(gòu)中的奧式體相。由于這一原因，該合金至少應(yīng)包含0.5％(重量)的Ni。鎳含量超過6％(重量)，Ac3點(diǎn)將大大降低。因此，按鎳的合適范圍約為0.5-6％重量，優(yōu)選為2-5％(重量)，特別是約為3.7％(重量)。
鈷提高鎳的等效量到這樣程度，即，使合金由熔融狀態(tài)以奧氏體固化。因此，避免了氮的隙透和由此導(dǎo)致的微孔形成。因此，Co的含量至少應(yīng)為4％(重量)。然而，Co含量不應(yīng)超過10％(重量)，以使該合金具有足夠高的Ac3溫度。因此，鈷的合適范圍約為4-10％(重量)，優(yōu)選為5-8％(重量)，特別是約為6％(重量)。
鉬能改進(jìn)回火特性和耐熱性能，因此，最低含量應(yīng)維持0.2％(重量)。Mo含量應(yīng)不超過2.0％(重量)，否則可能產(chǎn)生大量拉夫斯相(Lavesphase)。因此鉬的合適范圍為0.5-2.5％(重量)，優(yōu)選為1.0-2.0％(重量)，特別是約1.5％(重量)。
鴿的作用類似于鉬。由于存在形成拉夫斯相的危險(xiǎn)，所以含量不應(yīng)超過2％(重量)。因此鎢的含量為0-2％(重量)，優(yōu)選為低于1％(重量)。
釩與氮和少部分鉻一起形成一種內(nèi)聚的和部分內(nèi)聚的立方形氮化物的致密彌散體，它基本上決定耐熱和抗蠕變性能。在形成合金時(shí)其中V的含量至少為0.1％(重量)。然而由于釩能增加δ鐵素體形成的趨勢，所以V的含量不應(yīng)超過1％(重量)。最好釩的含量為0.15-0.65％(重量)。
在原子溶解狀態(tài)下，氮會(huì)促進(jìn)在冷卻過程中由奧氏體相向無擴(kuò)散的奧氏體的轉(zhuǎn)變。這就保證了可調(diào)質(zhì)處理性。此外，可與V和Cr，也可能與Nb、Ti和Ta形成所述的氮化物。因此，氮應(yīng)以化學(xué)計(jì)算量形成合金。由于在固化過程中N可能隙透，故其上限不應(yīng)超過0.25％(重量)。因此N的含量約為0.05-0.25％(重量)，優(yōu)選為0.07-0.15％(重量)。
碳與鉻一起會(huì)促進(jìn)分子式Cr23C6的碳化物的形成。根據(jù)其化學(xué)計(jì)算量看，這種碳化物從基體中去除的鉻比在本發(fā)明的鋼中形成的Cr2N去除的鉻更多。由于這一原因，碳的含量應(yīng)不超過0.2％(重量)，優(yōu)選為0.1％(重量)。
鈮、鈦、鋯和鉭都是合金元素，與釩可以形成MX型的各種特定氮化物。它們的作用首先是在少量添加時(shí)，能增強(qiáng)V(N,C)析出的穩(wěn)定性。然而，在高含量下，氮化物的穩(wěn)定性高到在固溶處理過程中而不能被溶解。由于這一原因，這些元素的總含量限制到0.5％硼會(huì)增加各種析出物的耐粗化性能。由于這會(huì)導(dǎo)致熔析，所以含量必須限制在0.02％。
在各種常遇到由于生產(chǎn)條件形成的雜質(zhì)中，例如無素磷、硫、銻、錫和砷的含量不應(yīng)當(dāng)超過在后面表2中所示的量。這是為避免回火脆化所必需的。
本發(fā)明的鋼具有馬氏體-奧氏體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是通過調(diào)質(zhì)處理形成的。該調(diào)質(zhì)方法包含固溶退火，淬火和隨后的回火。
固溶退火應(yīng)當(dāng)在1050℃≤T≤1250℃T.進(jìn)行，優(yōu)選為1100℃≤T≤1230℃，特別是1200℃，以便溶解分子式為VN的所有氮化物。經(jīng)過回火處理，調(diào)整奧氏體的含量和馬氏體相的淬火度。為了將所需的奧式體組分調(diào)整到15-45％，退火溫度要選擇在550℃≤T≤650℃，優(yōu)選為580℃≤T≤630℃。
實(shí)施例下面，以舉例方式更詳細(xì)地描述上述的各種合金的特別優(yōu)選的實(shí)施方案，這里標(biāo)記為合金817。合金817的組成可取自表1和表2。表2中表示某些可能有的雜質(zhì)的最大含量。
在固溶退火和淬火處理之后，合金在600℃下回火4小。熱處理后，形成的結(jié)構(gòu)是兩相的馬氏體-奧氏體，奧氏體相的含量約37％，相區(qū)大小為200-300納米。
在表3中將本發(fā)明的合金817的特性與先前介紹的合金X12CrNiMo12進(jìn)行比較。
根據(jù)表3，與合金X12CrNiMo12相比較的合金817顯示全面改進(jìn)的特性。高耐熱和抗蠕變性能使得其能用作在溫度高達(dá)550℃下的燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子材料和轉(zhuǎn)子葉輪材料。
表1
表2
表權(quán)利要求
1．一種馬氏體-奧氏體鋼，按重量計(jì)其組成主要為8-15％的鉻、0.5-2.5％的鉬、直到2％的鎢、4-10％的鈷、0.5-6％的鎳、2.5-8％的錳、0.1-1.0％的釩、0.05-0.25％的氮、直到0.2％的碳、其余成分是鐵和各種雜質(zhì)。
2．如權(quán)利要求1中所述的馬氏體-奧氏體鋼，其特征在于，鉻的含量范圍為9-12％、和/或鉬的含量范圍為1.0-2.0％、和/或鈷的含量范圍為5-8％、和/或鎳的含量范圍為2-5％、和/或錳的含量范圍為3.5-6.5％、和/或鎢的含量為1.0％、和/或釩的含量范圍為0.15-0.65％、和/或氮的含量范圍為0.07-0.15％、和/或碳的含量直到0.1％。
3．如權(quán)利要求1或2的馬氏體-奧氏體鋼，其特征在于，含有最大總量為0.5％的鈮、鈦、鋯和鉭。
4．如權(quán)利要求1、2或3的馬氏體-奧氏體鋼，其特征在于，硼的含量最大為0.02％。
5．如權(quán)利要求1-4中之一所述的馬氏體-奧氏體鋼作為耐熱和抗蠕變材料在熱電站中的應(yīng)用。
6．如權(quán)利要求1-4中之一所述的馬氏體-奧氏體鋼的熱處理方法，其特征在于，該方法包含在550℃-650℃的溫度范圍內(nèi)對處于固溶退火和淬火狀態(tài)下的合金鋼進(jìn)行回火，由此形成一種含體積份額為20％-50％的奧氏體的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種馬氏體－奧氏體鋼,按重量計(jì),其主要組成為:8－15%的鉻、0.5－2.5%的鉬、直到2%的鎢、4－10%的鈷、0.5－6%的鎳、2.5－8%的錳、0.1－1.0%的釩、0.05－0.25%的氮、直到0.2%的碳、其余為鐵和雜質(zhì)。這種馬氏體－奧式體鋼特別適用于工作溫度在450℃以上的燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子材料或轉(zhuǎn)子葉輪材料。在550℃到650℃之間的溫度范圍內(nèi)通過對固溶退火和淬火的鋼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理,以達(dá)到兩相的馬氏體－奧式體結(jié)構(gòu)的調(diào)整。
文檔編號C21D6/00GK1216073SQ97193736
公開日1999年5月5日 申請日期1997年3月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月12日
發(fā)明者P·埃恩斯特, P·J·烏戈維策爾, M·斯佩德爾, R·思泰恩斯 申請人:Abb研究有限公司