CN107604245B - 一种耐热CrMoV铸钢件的制备方法及耐热CrMoV铸钢材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐热CrMoV铸钢件的制备方法，该铸钢件的主要化学成分及重量百分比分别为：C：0.12～0.20，Si：0.20～0.60，Mn：0.5～0.9，P≤0.020，S≤0.012，Cr：1.0～1.5，Mo：0.9～1.2，Ni：0.1～0.5，V：0.20～0.35，其余为铁及残余元素，对上述组成成分的铸钢件进行正火和回火处理。采用该制备方法生产的铸件，可用于生产高温环境下工作的铸件，如燃气轮机铸件，具有较高的高温持久力学性能，同时可以满足常温和高温条件的力学性能要求。

Description

一种耐热CrMoV铸钢件的制备方法及耐热CrMoV铸钢材料

技术领域

本发明专利涉及一种耐热CrMoV铸钢件的制备方法，具体涉及制备耐高温力学性能铸钢件的热处理工艺方法，以及采用该制备方法生产的耐热CrMoV铸钢材料。

背景技术

燃气轮机具有重量轻、体积小、单机功率大，运行平稳、寿命长、维修方便等优点。它是关系到国防、能源、交通、环保等国计民生，有巨大发展前景的高技术产品。作为发电设备主力机型，燃气轮机是21世纪动力设备的核心，对应的重型燃气轮机配套铸钢件有着广阔的市场前景。

高效空气冷却的燃气轮机，其材质为CrMoV系列，常温力学性能要求：抗拉强度≥551MPa、屈服强度≥414MPa、延伸率≥15％、断面收缩率≥50％、铸件硬度为170～217HB。高温力学性能要求为：618℃、145MPa条件下，抗拉持续时间≥48h；657℃、207MPa条件下，抗拉持续时间≥48h；660℃、97MPa条件下，抗拉持续时间≥48h。

这种铸钢件的生产难点在于如何保证铸件同时满足常温和高温条件的力学性能要求，现有生产技术生产的铸件，强度和硬度超标准上限，短时高温持久性能满足要求，但存在塑韧性不符合标准要求，如果为提高塑韧性而降低强度和硬度，则短时高温持久性能下降不符合标准要求。除此之外，因为材料中含有钒，导致铸件组织偏析，铸件在后序热处理过程中容易开裂，而且随之钒量的增加，这种趋势越明显。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的技术弊端，提供一种耐热CrMoV铸钢件的制备方法，采用该制备方法生产的铸钢件能够同时满足常温和高温条件的力学性能要求，并且防止铸件在热处理过程中开裂，有利于铸件生产，提高铸件生产效率、节约成本。

本发明的技术方案如下：一种耐热CrMoV铸钢件的制备方法，主要用于生产高温条件下工作的燃气轮机铸件，为达到背景技术中的常温和高温力学性能要求，要确保加入原料的化学成分及重量百分比如下：

C：0.12～0.20

Si：0.20～0.60

Mn：0.5～0.9

P≤0.020

S≤0.012

Cr：1.0～1.5

Mo：0.9～1.2

Ni：0.1～0.5

V：0.20～0.35，其余为铁及残余元素；

以上各化学成分的范围限定主要考虑以下因素：

为了确保铸件出现缺陷时，可采用焊接工艺弥补铸件缺陷，要求碳当量(Ceq)的取值范围为：0.63～0.99，其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。

为降低铸件在热处理时的开裂风险，冷裂纹敏感指数Pcm的取值范围为：0.28～0.46，其中Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5*B。

碳含量：碳是主要的强化元素，可显著提高钢材的抗拉强度和硬度，碳与铁可以形成一系列化合物，一般碳量每增加0.1％，钢材的抗拉强度可提高70MPa，屈服点提高28MPa，但随着含碳量的提高，金属的淬硬性增加，会降低钢材的塑性。并降低了韧性，使铸件热裂倾向性和焊接热影响区冷裂倾向性增大。因此在低合金钢材料中，碳含量高于0.12％以上，小于0.20％。

铬含量：铬是耐热钢抗高温氧化的主要合金元素之一，由于它的熔点高，本身具有优异的抗蠕变性能，在低合金耐热钢中加入1％左右就能明显地提高钢的抗蠕变性能，但当钢中铬含量超过1.5％时，不但不能改善铁素体低合金钢的热强性，反而有不利影响。

钼含量：钼属高熔点金属范畴，它的熔点高，钼固溶到基体金属中能提高固溶体的再结晶温度；它们都是缩小Y-Fe相区，扩大a-Fe相区的合金元素；又都是强碳化物形成元素，因此对提高耐热钢的热强性有较好的作用.它作为一种高溶点物质，有良好的细化晶粒作用，且在提高强度的同时对塑韧性损伤不大。一般CrMo合金耐热钢中Cr：Mo比值接近1，而Mo略低些，故Mo：0.9～1.2。

Cr、Mo保持中上限控制，对高温力学性能有好的影响。综合下来，如此的成分控制，铸件材料常温力学性能如强度、硬度回归到标准范围之内，而铸件不易开裂，高温力学性能也能很好的满足。

硅含量：Si可以提高金属的淬透性，抑制先共析铁素体的产生，促进针状铁素体的形成。用以防止基体的氧化以及稳固基体保证材料强度；Si在铸件材料焊接时起到脱氧作用与强化焊缝的作用，Si含量过高，会增加材料的脆性，降低韧性。碳钢和多数低合金钢中Si小于0.6，因此Si：0.20～0.60。

锰含量：Mn是焊缝强韧化的有效元素，在金属中有利于脱氧，防止引起热裂纹的铁硫化物的形成，Mn可以提高金属的淬透性，抑制先共析铁素体的产生，促进针状铁素体的形成。在低碳的金属材料中，锰的含量在2.2％以下时，在提高金属强度的同时可以降低脆性转变温度。金属的碳含量达到0.2％时，锰对韧性也产生有利影响。锰的另一作用在于它能与硫结合形成硫化锰，并使金属中的硫部分进入溶渣，起到降低金属中残余元素S的作用。一般Mn/Si＝1～2更有利于钢液中杂质的清除，据此确定Mn的含量。

镍含量：Ni有利于提高金属的韧性，尤其中低温冲击韧性，降低韧脆转变温度，但Ni太高时，会增加铸件材料强度及硬度，使金属材料成本增加；综合取值Ni：0.1～0.5。

钒含量：钒在耐热钢中的作用与铝和钨类似，但与它们不同的是钒不能强化固溶体，也不能提高固溶体的再结晶温度。钒在铁素体和奥氏体耐热钢中之所以能提高其热强性都是通过形成细小均匀分布的碳化物而起作用的，因为钒的碳化物是一种十分稳定的碳化物。根据资料研究显示，含0.25％V的低合金铝钢比不含钒的同类钢的抗蟠变性能提高了3倍。钒是提高铁素体型耐热钢的热强住的有效元素，含量一般在0.2-0.35％之间。钒也在奥氏体型耐热钢及合金中获得了应用，但钒含量一般在0.3-0.5％之间。

S和P极易偏析；易于在晶粒间形成非金属夹杂及第二相质点，从而导致钢的延伸断裂，钢的高纯度要求主要是S化物数量、尺寸、形态及分布的要求，S含量应≤0.012，P≤0.020。影响铸件开裂的P、S和V都按较低水平控制，对铸件减少开裂有益。

本发明采用上述化学成分控制的熔炼工艺生产出铸钢件，再对铸钢件进行热处理，具体工艺方法包括以下步骤：

(1)正火处理：将所述铸钢件加热至1030～1064℃下保温，8h≤保温时间≤最大壁厚mm×1h/25mm，期间铸钢件内部组织进行奥氏体化处理，保温时间结束后，对铸钢件分2个阶段进行冷却，第一冷却阶段以8～20℃/min的冷却速率将铸钢件降温到650℃，第二冷却阶段以1～3℃/min的冷却速率将铸钢件降温到200℃。

优选的保温时间为：在大于8h的基础上，保温时间＝最大壁厚mm×1h/25mm。

进一步地，所述正火处理的第一冷却阶段采用强风或强风加水雾或水雾中的一种冷却方法，可以在铸件的内腔和外部同时吹风及喷水雾，加快降温速度。

(2)回火处理：将上述正火处理后的铸钢件加热至700～730℃下保温，8h≤保温时间≤最大壁厚mm×1h/25mm，第一冷却阶段铸件在炉内以≤80℃/h的冷却速度降温至260～300℃，第二冷却阶段铸件出炉自然空冷。

优选的保温时间为：在大于8h的基础上，保温时间＝最大壁厚mm×1h/25mm。

该发明方案的技术效果在于：

1.正火处理时在1030～1064℃的温度下长时保温，使铸件组织能够充分奥氏体化，且组织能够均匀化。第一冷却阶段采用强风或强风加水雾或水雾等冷却方式，确保铸件以8～20℃/min的冷却速率降温至650℃，冷却过程中奥氏体组织转变为贝氏体和铁素体，快速的冷却速度抑制了铁素体的转变，提高了铸件的强度、硬度以及高温力学性能。第二阶段以1～3℃/min的冷却速率使铸件缓冷到200℃，有利于缩小铸件各部位的温度差，减小铸件的内应力，防止铸件在冷却过程中变形、开裂。

2.回火处理：在700～730℃的温度下长时保温，可以进一步地分解贝氏体组织，在高温下相对饱和的贝氏体组织中的部分碳化物析出，随着第二相颗粒的析出增强了基体的硬度，同时相对软化了贝氏体组织且释放了铸件的内应力，既降低了铸件的开裂风险，又提高了铸件的高温力学性能。先在第一冷却阶段采用炉内缓冷，再采用空冷的冷却方式，更加利于释放铸件的应力。

采用前述发明方案生产背景技术中力学性能要求的铸件时，由于其他铸造工艺导致铸件产生缺陷时，需要对缺陷挖除并焊接，焊接后铸件局部产生应力，如果去应力热处理工艺选择不当，会导致铸件的力学性能不符合要求，因此本发明另一个发明目的在于，消除焊接后铸件的局部应力时，保证铸件最终的常温及高温力学性能仍然符合要求。

具体方案如下：实施前述技术方案，完成回火处理后，对铸件的缺陷进行焊接修补后，或者铸件粗加工后，对铸件进行去应力热处理，温度控制在低于所述回火温度20～30℃范围内，保温时间为3～8h，重复实施1～2次。

该发明方案的技术效果在于：消除铸件残余应力时，保证铸件金相组织不恶化，同时控制这种回火消应力次数在1～2次，以保证铸件最终常温力学性能和高温力学性能都符合要求。

本发明还公开一种采用上述发明方法制备的耐热CrMoV铸钢材料，优选的化学成分组成按重量百分比计，为：

C：0.12～0.16；

Si：0.20～0.4；

Mn：0.5～0.7；

P≤0.015；

S≤0.01；

Cr：1.2～1.5；

Mo：0.9～1.1；

Ni：0.1～0.3；

V：0.20～0.28，其余为铁及残余元素；

该铸钢材料的主要组织为贝氏体组织，短时高温持久强度满足：618℃、145MPa条件下，抗拉持续时间≥48h；657℃、207MPa条件下，抗拉持续时间≥48h；660℃、97MPa条件下，持续时间≥48h。

具体实施方式

选用本发明方案中公开的化学成分及含量范围，并采用第一个发明方案中的热处理工艺制定下方实施例，各实施例生产同一型号的燃气轮机铸件，铸件最大壁厚为220mm，铸件上带有梯形的附铸试块，试块横截面为梯形，横截面尺寸为：上底宽：70m，下底宽：100mm，高：100mm，试块整体长为220mm。

采用第一发明方案制定的实施例包括：实施例一、实施例二、实施例三、实施例四、实施例五，具体实验参数见表1和表2，实验结果见表3。

第二个发明方案的实施，分别选择实施例一、实施例二和实施例三中的附铸试块，将其分别编为实施例六、实施例七、实施例八，对其实施去应力热处理工艺，各实施例选取的去应力热处理的工艺参数如表4所示，实验结果见表5。

表1.各实施例中铸钢件的化学成分含量(重量百分比)

化学元索	实施例一	实施例二	实施例三	实施例四	实施例五
						C(％)	0.12	0.14	0.16	0.18	0.20
Si(％)	0.2	0.3	0.4	0.5	0.60
						Mn(％)	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9
P(％)	0.01	0.019	0.01	0.015	0.01
						S(％)	0.01	0.01	0.006	0.01	0.008
Cr(％)	1.0	1.2	1.5	1.4	1.5
						Mo(％)	0.9	1.0	1.1	1.1	1.2
Ni(％)	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5
						V(％)	0.2	0.26	0.28	0.32	0.35

表2.各实施例的热处理工艺参数

表3.各实施例生产铸件的附铸试块的力学性能

表4.各实施例去应力热处理的工艺参数

表5.各实施例生产铸件的附铸试块的力学性能

上述实施例仅仅是在本发明的范围中选取的部分实施例，不作为对本发明技术的限制，任何在本发明构思的基础上，进行工艺参数的排列组合都属于本发明保护的范畴。

Claims (8)

1.一种耐热CrMoV铸钢件的制备方法，该铸钢具有优异的高温力学性能，主要用于生产高温条件下工作的燃气轮机铸件，其特征在于，所述铸钢件的化学成分及成分含量的重量百分比为：

C：0.12～0.20

Si：0.20～0.60

Mn：0.5～0.9

P≤0.020

S≤0.012

Cr：1.0～1.5

Mo：0.9～1.2

Ni：0.1～0.5

V：0.20～0.35，其余为铁及残余元素；

对上述组成成分的铸钢件进行热处理，包括如下步骤：

正火处理：将所述铸钢件加热至1030～1064℃下保温，8h≤保温时间≤最大壁厚mm×1h/25mm，期间铸钢件内部组织进行奥氏体化处理，保温时间结束后，对铸钢件分2个阶段进行冷却处理，第一冷却阶段以8～20℃/min的冷却速率将铸钢件降温到650℃，第二冷却阶段以1～3℃/min的冷却速率将铸钢件降温到200℃；

回火处理：将上述正火处理后的铸钢件加热至700～730℃下保温，8h≤保温时间≤最大壁厚mm×1h/25mm，第一冷却阶段铸件在炉内以≤80℃/h的冷却速度降温至260～300℃，第二冷却阶段铸件出炉自然空冷。

2.根据权利要求1所述的一种耐热CrMoV铸钢件的制备方法，其特征在于，所述正火处理的保温时间为：在大于8h的基础上，保温时间＝最大壁厚mm×1h/25mm。

3.根据权利要求1所述的一种耐热CrMoV铸钢件的制备方法，其特征在于，所述正火处理的第一冷却阶段采用强风或强风加水雾或水雾中的一种冷却方法。

4.根据权利要求1所述的一种耐热CrMoV铸钢件的制备方法，其特征在于，所述回火处理的保温时间为：在大于8h的基础上，保温时间＝最大壁厚mm×1h/25mm。

5.根据权利要求1所述的一种耐热CrMoV铸钢件的制备方法，其特征在于，铸件焊接修补或粗加工后还进行去应力热处理，温度控制在低于所述回火温度20～30℃范围内，保温时间为3～8h。

6.根据权利要求5所述的一种耐热CrMoV铸钢件的制备方法，其特征在于，所述去应力热处理的次数为1次或2次。

7.根据权利要求1～6所述方法制备的一种耐热CrMoV铸钢，其特征在于，该铸钢的化学成分组成按重量百分比计，为：

C：0.12～0.16；

Si：0.20～0.4；

Mn：0.5～0.7；

P≤0.015；

S≤0.01；

Cr：1.2～1.5；

Mo：0.9～1.1；

Ni：0.1～0.3；

V：0.20～0.28，其余为铁及残余元素；

所述铸钢的主要组织为贝氏体组织，短时高温持久强度满足：618℃、145MPa条件下，抗拉持续时间≥48h；657℃、207MPa条件下，抗拉持续时间≥48h；660℃、97MPa条件下，持续时间≥48h。

8.一种由权利要求7所述耐热CrMoV铸钢制成的燃气轮机铸件。