CN104962713A - 表面处理铁素体/马氏体9-12%铬钢的方法 - Google Patents

表面处理铁素体/马氏体9-12%铬钢的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种表面处理铁素体/马氏体9-12％Cr钢的方法，目的是为了达到改善的氧化行为，以及提高的在500℃以上，尤其是约650℃的使用温度下在蒸汽中对固体微粒侵蚀的抗性。该方法的特征在于，在第一步骤中，用钢颗粒对钢表面进行已知的喷丸，和接下来在第二步骤中，用玻璃颗粒进行喷丸，在此任选在随后的第三步骤中，对钢表面进行光滑化。不需要接下来进行额外的热处理。

Description

表面处理铁素体/马氏体9-12%铬钢的方法
本申请是以下申请的分案申请：申请日：2008年6月13日；申请号：200810215446.0；发明名称：“表面处理铁素体/马氏体9-12％铬钢的方法”。
技术领域
本发明涉及材料技术领域。本发明涉及一种表面处理铁素体/马氏体9-12％Cr钢的方法，该Cr钢主要用于制造在火力发电厂(Dampfkraftwerk)中使用的构件。这种钢遭受高温(通常为600-650℃)，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(1996)，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性有小的增强。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
本发明的目的是开发一种表面处理铁素体/马氏体9-12％Cr钢的方法，用该方法可以这样改变所述钢的结构，从而达到强烈改善的氧化行为，以及提高的在500℃以上，尤其是650℃的使用温度下在蒸汽中对固体微粒侵蚀的抗性。该方法应该是成本有利的，使用简单，并且在没有对组件进行额外的热处理情况下就产生良好结果。
本发明的核心在于，在表面处理铁素体/马氏体钢的方法中，该方法用于提高耐氧化性和对固体微粒侵蚀的抗性，
a)在第一步骤中，用钢颗粒对钢表面进行已知的喷丸，和
b)接下来在第二步骤中，用玻璃颗粒进行喷丸。
本发明的优点在于，这种表面处理过的铁素体/马氏体钢，当在高温下在蒸汽环境中使用时，例如通常用于高温-涡轮机的叶片时，与未处理过的铁素体/马氏体钢相比，表现出改善的耐氧化性。
此外该方法还是成本有利的，因为对于铁素体/马氏体钢而言，没有现有技术中对于已知方法而言必须的额外热处理步骤也行。
本发明方法具有意想不到的效果，明显可看到，与对铁素体/马氏体钢无效的冷作硬化过程不同的工艺在材料的表面上起作用。可以使玻璃颗粒包埋在表面内，或者在表面上进行材料的微合金化，从而形成对氧化的防护作用。
特别有利的是，在第一步骤中用钢颗粒喷丸的和在随后的第二步骤中用玻璃颗粒喷丸的材料接下来在第三步骤中，对表面进行精细光滑化，在此应该调节表面粗糙度为＜0.5μm，尤其是＜0.3μm。从而实现在500℃以上的整个操作温度过程中，对于由铁素体/马氏体9-12％Cr钢制得的蒸汽轮机叶片而言，可以保持对氧化和固体侵蚀的高抗性。
附图说明
在附图中表示本发明的实施例。附图为：
图1：根据本发明处理过的铁素体9％Cr钢在650℃/蒸汽下的氧化行为与未处理过的铁素体9％Cr钢的氧化行为的比较，和
图2：根据本发明处理过的铁素体9％Cr钢在650℃/蒸汽下的氧化行为与表面粗糙度的关系(示意性的)。
具体实施方式
以下借助实施例和图1到2更详细地解释本发明。
根据本发明处理具有以下化学组成(以重量％表示)的铁素体9％Cr钢(E911型)：
0.11C
0.35Mn
0.2Si
9.1Cr
1.01Mn
1.00W
0.23V
0.07N
0.07Nb
其余铁和不可避免的杂质。
在第一步骤中，用钢颗粒(C含量为0.1％的碳钢)对上述钢进行喷丸，所述颗粒的粒度为200-450μm。工艺参数为：
压力：6bar
时间：4-5分钟
角度(喷嘴与表面所成的角度)：80-85°
接下来在第二步骤中，用玻璃颗粒(粒度：300-400μm)对这样处理过的钢进行喷丸。该第二步骤的工艺参数为：
压力：2-2.5bar
时间：4分钟
角度(喷嘴与表面所成的角度)：80-85°
在两种情况下有利的是，不需要对材料进行后续的热处理，因而本发明方法是成本有利的，并且可简单地使用。
在图1中表示如上所述根据本发明处理过的Cr钢在650℃/蒸汽下的氧化行为与未处理过的铁素体9％Cr钢的氧化行为进行比较。
根据本发明处理过的钢表现出根本上改善的氧化行为。尤其是在较长的时效硬化时间(Auslagerungszeit)情况下还表明，在根据本发明处理过的材料情况下的重量增加显著小于未处理过的参考钢情况下的重量增加。在时效硬化时间约为2000小时后，未处理过的参考钢情况下的重量增加例如为约31mg/cm2，而相同组成的根据本发明处理过的钢情况下的重量增加只有20mg/cm2。后者所述的值在约1500h后就达到，并且差不多保持恒定。对于未处理过的参考钢而言，则不能这样认为，因为在此情况下，一方面绝对值显著较高，另一方面，即使在超过2000h的时效硬化时间后，在蒸汽中也达不到重量增加的恒定值，而总是随着时效硬化时间增长而升高。
本方法具有出人意料的效果，明显可看到，与对铁素体/马氏体钢无效的冷作硬化过程(Kaltverfestigungsprocess)不同的机理通过在材料的表面上喷丸而起作用。可以使玻璃颗粒包埋在表面内，或者进行表面的微合金化，从而形成对抗氧化的防护作用。
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的，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，对根据权利要求1的上述方法补充使表面光滑化的后续步骤，该步骤例如可以是在喷玻璃后进行滚磨(tumbling)。
在图2中示意性表示根据本发明处理过的铁素体9％Cr钢在650℃/蒸汽下的氧化行为与表面粗糙度的关系。
已经发现，在处理方法的第二步骤后，有利的是，接下来通过滚磨而使表面光滑到粗糙度小于0.5μm，优选小于0.3μm(＝第三个任选工艺步骤)，钢的氧化行为可以进一步得到改善。
因此，本发明方法特别适合于由铁素体/马氏体9-12Cr钢制成的构件，例如叶片，其在燃气轮机和蒸汽轮机中遭受超过550℃，优选600-650℃的温度。
显然，本发明并不受限于所描述的工作实施例。既可以改变材料也可以改变处理参数，因此比如本发明方法还非常好地适合于改善X20型钢(X20CrMoV12)或P91型钢(X10CrMoVNb91)的耐氧化性。

Claims (3)

1. 一种表面处理铁素体/马氏体9－12％Cr钢的方法，用以达到改善的氧化行为以及提高的在500℃以上，尤其是约650℃的使用温度下在蒸汽中对固体微粒侵蚀的抗性，其特征在于，
a) 在第一步骤中，用钢颗粒对钢表面进行已知的喷丸，和
b) 接下来在第二步骤中，用玻璃颗粒进行喷丸。
2. 根据权利要求1的方法，其特征在于，在随后的第三步骤中，对表面进行光滑化，直到粗糙度低于0.5 μm，优选低于0.3 μm。
3. 根据权利要求1或2的方法在涡轮机部件，尤其是涡轮机叶片上的用途。
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