CN101328532A - 用于铬钢表面处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于铬钢表面处理的方法。具体地，本发明涉及一种方法，其用于铁素体/马氏体的9－12％铬钢以及奥氏体铬钢的表面处理，目的在于获得在蒸汽中，在使用温度高于500℃，尤其是大约650℃时，增强的抗氧化性和固体微粒腐蚀抗性。本方法的特征在于，钢表面使用铝颗粒或铝合金颗粒喷丸处理，其中可选择地在后续步骤中将钢表面平整至粗糙度＜0.5μm，优选＜0.3μm。随后的附加的热处理不是必需的，如此处理过的部件能够被用作为，例如，蒸汽轮机中的叶片。

Description

用于铬钢表面处理的方法
技术领域
本发明涉及材料科技领域。其涉及一种用于铁素体/马氏体的9-12％铬钢和高合金化的奥氏体铬钢的表面处理的方法，这些钢材主要被用来生产在蒸汽发电站中使用的构件。这些钢材被暴露在高温下(通常600℃至650℃)，因此必须防止由氧化和随之而来的剥落引起的退化，也即质量损失。
背景技术
由现有技术公知，尤其是用铬高合金化的奥氏体钢用于发电站的过热器管和中间过热器管。由奥氏体钢公知，通过表面的冷成型，例如通过用碳素钢小颗粒对钢表面高速轰击(＝喷丸处理)，材料可获得改善的氧化行为。其原因在于经如此处理的表面的马氏体转变，其中产生大量晶界，这使得存在于钢中的铬能够到达表面，并在那形成氧化铬，其防止该材料进一步的氧化(见于D.Caplan，Corr.Science 6(1966)，509以及Y.Minami，NKK Tech.Rev 75(1966)，1)。
此外，含约9-12％铬的铁素体/马氏体钢是公知的，其主要用于管、阀和壳体。对此，可例举出如，P92钢(化学组成(重量％)：0.12C，0.5Mn，8.9Cr，0.4Mo，1.85W，0.2V，其余为铁和不可避免的杂质)和E911钢(化学组成(重量％)：0.11C，0.35Mn，0.2Si，9.1Cr，1.01Mo，1.00W，0.23V，其余为铁和不可避免的杂质)。由于其化学组成，这些铁素体/马氏体钢一般比奥氏体钢更不抗氧化，但其在现代发电站中同样常需承受高达620℃的高温。因此，为防止对此类钢材的有害氧化，发展了特种涂层(A.Agüero，R.Muelas，Mat.Sci.Forum，卷461(1994)，957)。这种涂层的缺点一方面在于贵，另一方面为不总是可靠。在施加涂层时，总需要一次或者甚至多次的热处理，这又是耗费和耗时的，尤其是因为在发电站建设中，必须热处理很大的构件。因此，长久以来，人们期望替代的，特别是简单的可能方法来防止此种铁素体/马氏体钢的氧化。
与奥氏体钢不同，由于其不同的组织结构，公知的喷丸处理对铁素体/马氏体钢没有上述的积极效果。
然而，如果在置于高温和蒸汽负载前，此种钢材经受纯铬颗粒的喷丸处理和随后在700℃的热处理的话，由H.Haruyama，H.Kutsumi，S.Kuroda，F.Abe，Proc.of EPRI Conf.，(2004)，659-667报道了对此种钢材在蒸汽中抗氧化形有小的增强。但后者缺点在于非常成本密集和就在发电站建设中所期望的组织结构而言是不合意的。
发明内容
本发明的任务在于，发展一种方法，其用于铁素体/马氏体的9-12％铬钢和用铬高合金化的奥氏体钢的表面处理，通过该方法能够改变所述钢材表面的结构，使得此钢材相对于各未处理的钢材获得在蒸汽中，在使用温度高于500℃，尤其是在650℃时，大幅改善的氧化行为和提高的固体微粒腐蚀抗性。此方法应当成本有利且简单易用，不需对元件附加的热处理而导致好的效果。
本发明的核心在于，为提高抗氧化性和固体颗粒腐蚀抗性，在该用于所述钢材的表面处理方法中，用铝颗粒或铝合金颗粒对所述钢材表面进行喷丸处理。
本发明的优点在于，如果这些表面处理过的铁素体/马氏体9-12％铬钢以及用铬高合金化的奥氏体钢在高温下被用于蒸汽环境时，如在高温蒸汽轮机的叶片中常规的那些，它们展示出相对于各未处理的参比钢样改善的抗氧化性。它们在同样的负载时间(Auslagerumgszeit)情况下具有显著更少的增重。
此外，本方法成本有利，因为其不需要在现有技术中必需的附加热处理步骤也能起作用。
本方法具有令人惊喜的效果，与在铁素体-马氏体钢情况下无效的冷作硬化工艺明显不同的工艺在材料表面起作用。一种可能性为，铝颗粒被嵌入表面或表面发生微合金化，因而产生抗氧化的防护作用。
在根据本发明的方法处理的奥氏体铬钢中，由于表面的奥氏体结构向马氏体结构转变，除刚才描述的作用外还有冷作硬化工艺的某种公知的效果，因铝颗粒的硬度较低，这种作用也只会较小。
特别有利的是，此种用铝颗粒或铝合金颗粒喷丸处理过的钢材随后在另外的方法步骤中对表面精细地平整，其中表面粗糙度应调整至＜0.5μm，尤其＜0.3μm。由此得到的是，由所述钢材制成的蒸汽轮机叶片能够在高于500℃的总体运行温度期间保持高的抗氧化性和固体颗粒腐蚀抗性。
附图说明
附图中示出了一个本发明的工作实施例。其中：
图1：按照本发明处理(用铝合金颗粒喷丸处理)的铁素体的11.5％铬钢在650℃/蒸汽中的氧化行为，与按照现有技术处理(用钢颗粒喷丸处理)的铁素体的11.5％铬钢的氧化行为进行对比；
图2：按照本发明处理的奥氏体18.8-铬镍钢在650℃/蒸汽中的氧化行为与喷丸颗粒材料种类的关系。
具体实施方式
以下根据实施例和图1至2进一步阐明本发明。
按照本发明处理了一种铁素体铬钢，其具有如下化学组成(重量％数据)：
0.2C
0.5Mn
0.28Si
11.6Cr
0.8Mo
0.7Ni
0.27V
其余为铁和不可避免的杂质。在此实施例中，上述钢材用铝合金颗粒(粒径：200～400μm)喷丸处理。铝合金的硬度为90至120 HV 0.2，其具有如下化学组成：
5.5～7％Cu
＜1％Fe
＞1.6％Si
≤1.5％Zn
≤0.15Ti
≤0.2Ni
≤0.3Mn
≤0.15Pb
≤0.1Sn。
钢表面用上述颗粒喷丸5分钟，其中压力约为6bar，喷嘴与表面角度为80-85°。
有利的是，随后的材料的热处理不是必需的。因此，按照本发明的方法成本有利且简单易用。
图1为一种按照本发明处理的，即用铝合金颗粒喷丸处理的，铁素体的11.5％铬钢在650℃/蒸汽中的氧化行为，与用钢颗粒喷丸处理的铁素体的11.5％铬-钢的氧化行为对比。
按照本发明处理的钢表现出显著改善的氧化行为。由图1清楚地看出，在整个测量时间中，按照本发明处理的材料的增重显著小于参比钢材，后者由钢颗粒喷丸处理。例如在负载时间约500小时后，参比钢材的增重比按照本发明处理的具有同样组成的钢材的两倍还多。
本方法具有令人惊喜的效果，与在铁素体-马氏体钢情况下无效的冷作硬化工艺不同的机理明显地起效，所述冷作硬化工艺通过用钢球对材料表面喷丸处理。一种可能性为，铝合金颗粒被嵌入钢表面或在表面发生微合金化，因而产生抗氧化的防护作用。
本方法的另一积极效果与蒸汽轮机的效率相关。为保证蒸汽轮机的高空气动力学效率，其叶片最初就被生产为具有非常精细的表面(最终粗糙度为0.3μm)。这种低的粗糙度水平(Rauhigkeitsniveau)必须在叶片长期的工作寿命中保持。然而，在工作时，材料表面或是因硬质(氧化物)颗粒的碰撞和冲击变得粗糙，这些颗粒是从叶片上游的元件表面剥落，或是在高温蒸汽环境中叶片表面的氧化自身致使氧化物从表面剥落，并因此造成其表面极度的粗糙化。因此，有利的是，根据权利要求1的上述方法应当用用于平整表面的后续步骤，尤其是通过抛光，补充。
现已提出，有利的是，通过在权利要求1中描述的表面处理方法之后的，将表面平整至粗糙度小于0.5μm，优选小于0.3μm的处理，钢的氧化行为被进一步改善，其固体颗粒腐蚀抗性也可得以提升。
图2显示了一种按照本发明处理的奥氏体铬镍钢在650℃/蒸汽中的氧化行为与使用的喷丸颗粒材料种类的关系。此处钢材是具有如下的化学组成(重量％数据)的钢1.4571：
最高为0.08C
最高为1.00Si
最高为2.00Mn
最高为0.0045P
最高为0.030S
16.5～18.5Cr
2.0～2.5Mo
10.5～13.5Ni
C的5倍Ti(即，Ti最高为0.4)
其余为Fe。
此种钢样经奥氏体18.8铬镍钢颗粒、未合金化的具有贝氏体/马氏体结构的碳素钢(铸钢)颗粒、铝合金颗粒和陶瓷材料颗粒进行喷丸处理，随后在经过约2700小时之后暴露在650℃高温蒸汽中。对于钢颗粒或铝合金颗粒，压力约为6bar，对于陶瓷颗粒，压力约为3bar。喷嘴与表面的角度始终设置为80～85°。
喷丸颗粒的化学组成如下(重量％数据)：
1.未合金化的碳素钢：
0.14～0.18C，0.65～0.85Si，0.35～0.55Mn，＜0.015S，＜0.015P，其余为Fe。
2.18.8铬镍-钢：
0.22C，＜2.6Si，＜1.80Mn，约18Cr，约10Ni，其余为Fe。
3.铝合金：
5.50～7.50Cu，≤1.50Zn，≤1.60Si，≤1.00Fe，≤0.15Ti，≤0.20Ni，≤0.30Mn，≤0.20Mg，≤0.15Pb，≤0.10Sn，其余为Al。
4.陶瓷颗粒：
67ZrO2，31SiO2，2Al2O3。
用碳素钢颗粒喷丸处理的钢材在整个试验过程中表现出最大的增重，即最差的氧化行为，而用铝合金颗粒喷丸处理的钢材具有最好的性能，即最少的增重。用陶瓷材料颗粒或18.8铬镍钢颗粒进行喷丸处理的试样具有差不多相同的增重，并恰处于上述两者之间。
按照本发明的方法尤其适用于构件，例如由铁素体/马氏体9-12铬钢制备的叶片，或由奥氏体铬镍钢制备的叶片，这些叶片在燃气轮机和蒸汽轮机中暴露在高于550℃的温度之中。
自然地，本发明不仅限于描述的实施例。既可改变材料也可变更加工参数。

Claims (3)

1.用于铁素体/马氏体9-12％铬钢以及高合金化的奥氏体铬钢的表面处理的方法，目的在于获得在蒸汽中在使用温度高于500℃，尤其是在650℃情况下改善的氧化行为和增强的固体微粒腐蚀抗性，其特征在于，钢表面用铝或铝合金颗粒喷丸处理。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，随后表面被平整至粗糙度小于0.5μm，优选小于0.3μm。
3.按照权利要求1或2的方法在涡轮机元件，尤其是涡轮机叶片中的用途。
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