專利名稱：一種新型高鉻鐵素體耐熱鋼及形變熱處理工藝的制作方法
一種新型高鉻鐵素體耐熱鋼及形變熱處理工藝技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于高鉻鐵素體耐熱鋼生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種新型高鉻鐵素體耐熱鋼成分設(shè)計及其形變熱處理工藝。
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度能承受高溫高壓的耐熱鋼材料，才能盡可能提高電站運行的蒸汽參數(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)性能較高的抗拉強度和屈服強度，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，提高其沉淀強化及固溶強化能力。 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)合多種不同的強化機(jī)制，使蠕變強度不斷得到提高(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比的同時，已將研發(fā)重點轉(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其高溫下的強化效果。例如固溶強化元素Co，彌散強化元素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。
(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，從而提高彌散強化和晶界強化的效果。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。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)合成塊體來實現(xiàn)。其高溫強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)，通過對現(xiàn)有的鐵素體耐熱鋼進(jìn)行成分調(diào)整，提供一種新型高鉻鐵素體耐熱鋼，并提供了相應(yīng)的形變熱處理工藝，從而可以提高該耐熱鋼的服役溫度。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明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. 08-0. 1%, Si ( O. 5%, MnO. 3-0. 6%, Cr8. 5-9. 0%, MoO. 3-0. 6%, ffl. 5-2. 0%, VO. 20-0. 25%, CuO. 02%, NbO. 07-0. 09%, Ti〈0. 005%, BO. 004-0. 005%, Ν〈0· 005%,其余為 Fe 和雜質(zhì)。
本發(fā)明新型高鉻鐵素體耐熱鋼的形變熱處理工藝，其步驟是以5°C /s加熱至 1100-1200。。，保溫5-10min ;然后，以-5°C /s冷卻至900-700°C，保溫5-10s,以變形速率為 Ι/s進(jìn)行壓縮變形，變形量為50-70%，變形完成后進(jìn)行O-1OOs的保溫，然后空冷至室溫。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明新型高鉻鐵素體耐熱鋼中減少了 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化的作用，能優(yōu)先溶于固溶體中，提高蠕變強度。但是在長期蠕變的過程中，可能會脫溶形成粗大的Laves相，不但會減弱固溶強化效果，同時粗大的Laves相也會對性能產(chǎn)生不利影響。但是因為W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)計時選擇了“減Mo增W”。進(jìn)行了 Cu 組元，含量為0. 02%，可以提高鋼的耐腐蝕性能。
本發(fā)明新型高鉻鐵素體耐熱鋼形變熱處理工藝，可以得到理想的析出相，即細(xì)小彌散的MX沉淀。因為MX沉淀在高溫下的熱穩(wěn)定性很好，因此可以提高鋼的高溫性能，從而可以進(jìn)一步提高鋼的服役溫度。
本發(fā)明新型高鉻鐵素體耐熱鋼主要用于發(fā)電廠的鍋爐管道的關(guān)鍵部分水冷壁管、再熱器管、蒸汽管道及聯(lián)箱等。


圖1(a)是本發(fā)明新型高鉻鐵素體耐熱鋼實施例1的OM組織形貌；
圖1(b)是本發(fā)明新型高鉻鐵素體耐熱鋼實施例2的OM組織形貌；
圖2(a)是本發(fā)明新型高鉻鐵素體耐熱鋼實施例2的TEM組織形貌；
圖2(b)是本發(fā)明新型高鉻鐵素體耐熱鋼實施例2析出的MX沉淀相。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
本發(fā)明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 CO. 08-0. 1%，Si ( O. 5%, MnO. 3-0. 6%, Cr8. 5-9. 0%, MoO. 3-0. 6%, ffl. 5-2. 0%, V0. 20-0. 25%, CuO. 02%, NbO. 07-0. 09%, Ti〈0. 005%, BO. 004-0. 005%, Ν〈0· 005%，其余為 Fe 和雜質(zhì)。
表I實施例中高鉻鐵素體耐熱鋼的成分(Wt/%)
元素實施例1實施例2CO.1O. 08SiO. 27O. 5MnO. 53O. 3PO. 027O. 025 S0.012O. 015Cr8. 488. 84MoO. 37O. 5CuO. 02O. 02VO. 23O. 2NbO. 08O. 07TiO. 003O. 005BO. 0045O. 005W1. 52NO. 0045O. 005Fe余量余量
對本發(fā)明高鉻鐵素體耐熱鋼的形變熱處理工藝，其步驟是以5°C /s加熱至 1100-1200°C，保溫5-10min ;然后，以_5°C /s冷卻至900-700°C，保溫5_10s，以變形速率為 Ι/s進(jìn)行壓縮變形，變形量為50-70%，變形完成后進(jìn)行O-1OOs的保溫，然后空冷至室溫。
以下是本發(fā)明的具體實施例，但本發(fā)明不限于下述實施例。
實施例1:
實施例1高鉻鐵素體耐熱鋼的成分見表I，將該耐熱鋼加工成Φ8Χ 14mm的圓柱體試樣，在Gleeble1500D型熱模擬試驗機(jī)上進(jìn)行形變熱處理工藝實驗，其步驟是以5°C / s加熱至1100°C保溫7min充分奧氏體化；然后，以_5°C /s冷卻至850°C保溫5s后進(jìn)行壓縮變形，其變形速率為Ι/s，變形量為60%時空冷至室溫。
實施例2
實施例2高鉻鐵素體耐熱鋼的成分見表I，將試樣加工成Φ8Χ14πιπι的圓柱體， 在Gleeblel500D型熱模擬試驗機(jī)上進(jìn)行形變熱處理工藝實驗，其步驟是以5°C /s升溫至 1200°C保溫5min充分奧氏體化，再以5°C /s冷卻至800°C保溫IOs后進(jìn)行60%的壓縮變形， 變形速率為1/s，變形結(jié)束后保溫IOOs后空冷至室溫。
將上述熱處理后的試樣通過OM形貌分析和TEM形貌分析進(jìn)行組織形貌分析。圖1 Ca)是實施例1的OM組織形貌，圖1 (b)是實施例2的OM組織形貌，從圖1 (a)可以觀察在此熱處理工藝下，奧氏體晶粒不能進(jìn)行動態(tài)再結(jié)晶，得到無畸變的等軸晶粒，形變強化的效果得到提高；從圖1 (b)中可以看出，在進(jìn)行一定時間的保溫之后，在變形的奧氏體晶界處還會大量形成細(xì)小的等軸鐵素體晶粒，這對鋼的性能 也有一定的提高。圖2 (a)是實例2的TEM組織形貌，圖2 (b)示出了實施例2析出的MX沉淀相，可以觀察到在此熱處理工藝下，促進(jìn)了 MX沉淀相的析出，尺寸大約5-10nm。由于MX沉淀的熱穩(wěn)定性很好，可以成為鋼在高溫時的主要強化相，因此提高了鋼的高溫性能。
盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
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. 08-0. 1%，Si ( O. 5%, MnO. 3-0. 6%, Cr8. 5-9. 0%, MoO. 3-0. 6%, Wl. 5-2. 0%, V0. 20-0. 25%, CuO. 02%, NbO. 07-0. 09%, Ti〈0. 005%, BO. 004-0. 005%, Ν〈0· 005%，其余為 Fe 和雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵素體耐熱鋼，其特征在于按照質(zhì)量百分比具有以下組分組成C0. 1%，SiO. 27%, MnO. 53%, Cr8. 84%, MoO. 37%, Wl. 5%, V0. 23%, CuO. 02%, NbO. 08%, TiO. 003%, B0. 0045%, NO. 0045%,雜質(zhì)為 PO. 027% 和 S0. 012%,其余為 Fe。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵素體耐熱鋼，其特征在于按照質(zhì)量百分比具有以下組分組成C0. 08%, SiO. 5%, MnO. 3%, Cr8. 84%, MoO. 5%, W2%, VO. 2%, CuO. 02%, NbO. 07%, TiO. 005%, BO. 005%, NO. 001%，雜質(zhì)為 PO. 025% 和 SO. 015%，其余為 Fe。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述新型高鉻鐵素體耐熱鋼的形變熱處理工藝，其步驟是以5°C/ s加熱至1100-1200°C，保溫5-10min ;然后，以_5°C /s冷卻至900-700°C，保溫5_10s，以變形速率為Ι/s進(jìn)行壓縮變形，變形量為50-70%，變形完成后進(jìn)行O-1OOs的保溫，然后空冷至室溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述新型高鉻鐵素體耐熱鋼的形變熱處理工藝，其步驟是以5°C/ s加熱至1100°C，保溫7min ;然后，以_5°C /s冷卻至850°C，保溫5s，以變形速率為Ι/s進(jìn)行壓縮變形，變形量為60%時空冷至室溫。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述新型高鉻鐵素體耐熱鋼的形變熱處理工藝，其步驟是以5°C/ s加熱至12000C，保溫5min ;然后，以-5°C /s冷卻至800°C，保溫IOs,以變形速率為Ι/s進(jìn)行壓縮變形，變形量為60%時，保溫100s后空冷至室溫。
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C0.08-0.1%，Si≤0.5%，Mn0.3-0.6%，Cr8.5-9.0%，Mo0.3-0.6%，W1.5-2.0%，V0.20-0.25%，Cu0.02%，Nb0.07-0.09%，Ti<0.005%，B0.004-0.005%，N<0.005%，其余為Fe和雜質(zhì)。其形變熱處理工藝的步驟是以5℃/s加熱至1100-1200℃，保溫5-10min；然后，以5℃/s冷卻至900-700℃，保溫5-10s，以變形速率為1/s進(jìn)行壓縮變形，變形量為50-70%，變形完成后進(jìn)行0-100s的保溫，然后空冷至室溫。本發(fā)明熱處理工藝可以促進(jìn)具有良好熱穩(wěn)定性的MX相的析出，從而提高鋼的高溫性能。同傳統(tǒng)的熱處理工藝相比，形變熱處理工藝簡化了工藝流程，減少了生產(chǎn)成本，提高了綜合性能，因此本發(fā)明可以應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。
文檔編號C22C38/32GK102994888SQ201210491758
公開日2013年3月27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, 王欽, 馬宗青, 余黎明, 高志明 申請人:天津大學(xué)