CN109112424A - 一种汽轮机用耐热钢 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料领域，特别涉及一种汽轮机用耐热钢。所述耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C 0.05％～0.15％，Mn≤0.15％，Cr 8.5％～10.0％，Co 2.5％～3.6％，W 2.5％～3.5％，V 0.10％～0.40％，Nb 0.01％～0.07％，N 0.002％‑0.030％，B 0.004％‑0.018％，Ni≤0.20％，Al≤0.02％，Ti≤0.02％，杂质≤0.185％，Fe 80％～88％；B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.2～6.0。本发明的耐热钢可以满足工作温度为650℃及650℃以下的汽轮机部件的使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料领域，特别涉及一种汽轮机用耐热钢。
背景技术
目前，世界各国都在争相发展高参数的汽轮机机组。在过去几十年里，燃煤发电机组参数已由亚临界、超临界提升到620℃等级的超超临界参数，现在正在往更高等级汽轮机组发展。提高汽轮机蒸汽温度，高温零部件工作环境进一步恶化，对材料的高温性能提出更高的要求。
目前，汽轮机的最高蒸汽温度为620℃，已有可用的成熟材料，诸如转子锻件选用的材料为13Cr9Mo2Co1NiVNbNB(专利CN103074550)，其620℃/10万小时条件下的持久强度可以满足100MPa的要求。但是对于更高温度等级的汽轮机，目前尚没有可用的材料。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种汽轮机用耐热钢及其制备方法，可以满足工作温度650℃及650℃以下的汽轮机部件的使用要求。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明的一方面提供一种汽轮机用耐热钢，所述耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C 0.05％～0.15％，Mn≤0.15％，Cr 8.5％～10.0％，Co 2.5％～3.6％，W 2.5％～3.5％，V 0.10％～0.40％，Nb 0.01％～0.07％，N0.002％-0.030％，B 0.004％-0.018％，Ni≤0.20％，Al≤0.02％，Ti≤0.02％，杂质≤0.185％，Fe 80％～88％；B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.2～6.0。
在本发明的一些实施方式中，所述的杂质包括Si、P、S的一种或多种。
在本发明的一些实施方式中，以汽轮机用耐热钢的总质量为基准计，所述Si、P、Si对应的质量百分数分别是：Si≤0.15％，P≤0.020％，S≤0.015％。
在本发明的一些实施方式中，铬当量小于12.0％。
在本发明的一些实施方式中，所述耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C0.05％-0.12％，Mn≤0.10％，Cr 8.5％-9.8％，Co 2.6％-3.2％，W 2.6％-3.2％，V0.10％-0.30％，Nb 0.02％-0.07％，N 0.004％-0.025％，B 0.006％-0.016％，Ni≤0.10％，Al≤0.010％，Ti ≤0.010％，杂质≤0.125％，Fe 82％～88％；B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.3～3.0，铬当量小于9.0％。
在本发明的一些实施方式中，所述的杂质包括Si、P、S中的一种或多种，以汽轮机用耐热钢总质量为基准计，所述Si、P、S质量百分数分别是Si≤0.10％，P≤0.015％，S≤0.010％。
在本发明的第二方面，提供前述汽轮机用耐热钢的制备方法，经过冶炼、浇注、锻造或轧制工序得到型坯，并进行热处理。
在本发明的一些实施方式中，所述热处理采用一次淬火和两次回火工艺，淬火温度为1060℃～1160℃；第一次回火温度为540℃～660℃，第二次回火温度不低于660℃。
在本发明的一些实施方式中，所述热处理采用一次淬火和一次回火工艺，淬火温度为1060℃～1160℃；回火温度不低于660℃。
本发明的第三方面，所述汽轮机用耐热钢在汽轮机领域的用途。
具体实施方式
本发明发明人经过大量探索实验，提供了一种汽轮机用耐热钢，可以满足工作温度650℃及650℃以下的汽轮机部件的使用要求，在此基础上完成了本发明。
下面详细说明根据本发明的汽轮机用耐热钢及其制备方法。
首先说明根据本发明第一方面的汽轮机用耐热钢。
本发明所提供的汽轮机用耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C 0.05％～0.15％，Mn≤0.15％，Cr 8.5％～10.0％，Co 2.5％～3.6％，W 2.5％～3.5％，V 0.10％～0.40％，Nb 0.01％～0.07％，N 0.002％-0.030％，B 0.004％-0.018％，Ni≤0.20％，Al≤0.02％，Ti≤0.02％，杂质≤0.185％，Fe 80％～88％；B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.2～6.0。在汽轮机用耐热钢中添加微量B元素可以显著提高其高温蠕变温度；N元素在汽轮机用耐热钢中主要与添加的V、Nb元素形成弥散的MX型沉淀而起到沉淀强化的效果；当B和N元素含量过高时，极易在正火处理过程中在汽轮机用耐热钢内产生粗大的具有极高热稳定性的BN沉淀相，在1300℃时仍不发生溶解，恶化蠕变性能。所以B和N的质量百分含量很重要，本发明人在大量的实验基础上，发现本发明中当B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.2～6.0时，配合前述质量百分含量的其他化学元素，得到的汽轮机材料的耐高温性能更好。
本发明所提供的汽轮机用耐热钢中，所述的杂质包括Si、P、S的一种或多种。Si是钢中不可避免的常存杂质元素，过高的硅含量会促进脆性的σ相形成或富硅的G相在晶界析出。S是钢中一种有害杂质元素，主要是降低钢的热塑性，影响热加工性，降低耐腐蚀性，特别是对热塑性不利。因为硫偏聚晶界，降低晶界结合力，致使高温持久强度降低。P是钢中一种有害的杂质元素，特别高时会使钢产生一定的脆性。钢中有害杂质元素对耐热钢及合金的力学性能有不利影响，P和S作为杂质元素应尽量降低其含量。
在本发明的一些实施方式中，以汽轮机用耐热钢的总质量为基准计，所述Si、P、S对应的质量百分数分别是：Si≤0.15％，P≤0.020％，S≤0.015％。
本发明所提供的汽轮机用耐热钢中，铬当量小于12.0％。铬当量是指将不锈钢中铁素体形成元素，按其作用的程度折算成Cr元素(以Cr的作用系数为1)的总和，即称为铬当量。铬当量的计算公式：铬当量＝Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb+12Al+8Ti-40C-2Mn-4Ni-2Co-30N。通常认为δ铁素体是降低合金钢强韧性的重要原因，且对材料的高温长时性能有重要影响。另外，δ铁素体还将大幅降低钢合金的耐腐蚀性。在实际生产过程中，应尽量避免δ铁素体的生成。在本发明中，只有在铬当量低于12.0％时，才会消除δ-铁素体，可以通过调整钢的化学成分来调整铬当量。
本发明所提供的汽轮机用耐热钢中，优选地，所述耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C 0.05％-0.12％，Mn≤0.10％，Cr 8.5％-9.8％，Co 2.6％-3.2％，W 2.6％-3.2％，V 0.10％-0.30％，Nb 0.02％-0.07％，N 0.004％-0.025％，B 0.006％-0.016％，Ni≤0.10％，Al≤0.010％，Ti≤0.010％，杂质≤0.125，Fe 82％～88％；B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.3～3.0，铬当量小于9.0％。
本发明所提供的汽轮机用耐热钢中，优选地，所述的杂质包括Si、P、S中的一种或多种，以汽轮机用耐热钢总质量为基准计，所述Si、P、S质量百分数分别是Si≤0.10％，P≤0.015％，S≤0.010％。
表1为本发明汽轮机用耐热钢与13Cr9Mo2Co1NiVNbNB转子钢的化学成分对比。
表1化学成分对比(wt.％)
与现有的620℃汽轮机用锻件材料13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢对比，本发明汽轮机用耐热钢的成分特点是提高Co元素的含量，降低C、Mn、Mo、N和Ni元素的含量，添加合金元素W。通过增加组元W的含量，并加入Co组元来提高蠕变性能；同时降低C含量，保证足够的固溶强度；适当的降低N的含量也可以提高蠕变强度；Co的高温稳定性很好，使得钢的蠕变强度上升了一个等级。
其次说明根据本发明第二方面的汽轮机用耐热钢的制备方法。
在本发明提供前述汽轮机用耐热钢的制备方法，包括经过冶炼、浇注、锻造或轧制工序得到型坯，并进行热处理。
本发明所提供的汽轮机用耐热钢的制备方法中，所述的热处理采用“一次淬火+两次回火”工艺，所述淬火温度为1060℃～1160℃；第一次回火温度为540℃～660℃；第二次回火温度不低于660℃。本发明的“一次淬火+两次回火”工艺可用于汽轮机用锻件的制备，例如转子锻件、轮盘和轴头锻件、汽轮机内承受高温的中小锻件。
本发明所提供的汽轮机用耐热钢制备方法中，所述的热处理采用“一次淬火+一次回火”工艺，所述淬火温度为1060℃～1160℃；所述回火温度为660℃。本发明的“一次淬火+一次回火”工艺可用于汽轮机用叶片、螺钉的制备。
本发明第三方面提供汽轮机用耐热钢在汽轮机领域的用途，本发明所提供的汽轮机用耐热钢可以被用于制备汽轮机部件，制备获得的汽轮机部件在650℃及650℃以下的高温环境中具有良好的性能，可以满足工作温度为650℃及650℃以下的汽轮机的使用要求。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
在下述实施例中，所使用到的试剂、材料以及仪器如没有特殊的说明，均可商购获得。
实施例1-2
采用本发明涉及的材料成分制造了汽轮机用锻件。
采用电弧炉冶炼、钢包精炼和真空除气后浇注成电极棒，经电渣重熔成钢锭；经过锻造、热处理、机加工等一系列工序后制成28吨锻件，最大直径达1.2米。
其中，热处理为一次淬火+两次回火工艺，淬火温度为1060℃-1160℃，第一次回火温度为540℃-660℃，第二次回火温度不低于660℃。
表2列出了利用本发明材料成分所制备的汽轮机用锻件的化学成分分析结果，均满足化学成分指标要求。
表2锻件化学成分分析结果(wt.％)
| 本发明耐热钢 | 实施例1 | 实施例2 | |
| C | 0.05～0.15 | 0.07 | 0.11 |
| Si | ≤0.15 | 0.07 | 0.07 |
| Mn | ≤0.15 | 0.05 | 0.05 |
| P | ≤0.020 | 0.002 | 0.004 |
| S | ≤0.015 | 0.002 | 0.002 |
| Cr | 8.5～10.0 | 8.9 | 9.4 |
| Co | 2.5～3.6 | 2.9 | 3.3 |
| W | 2.5～3.5 | 2.9 | 2.6 |
| V | 0.10～0.40 | 0.20 | 0.20 |
| Nb | 0.01～0.07 | 0.05 | 0.04 |
| N | 0.002～0.030 | 0.006 | 0.015 |
| B | 0.004～0.018 | 0.012 | 0.016 |
| Ni | ≤0.20 | 0.14 | 0.06 |
| Al | ≤0.02 | 0.007 | 0.007 |
| Ti | ≤0.02 | 0.001 | 0.001 |
| Fe | 80～88 | 84.69 | 84.13 |
| Cr当量 | ＜12.0 | 6.77 | 4.42 |
| B/N | 0.2～6.0 | 2.00 | 1.07 |
表3为锻件的室温力学性能(Rp0.2屈服强度、Rm抗拉强度、延伸率A，断面收缩率Z)，可以看出本发明实施例锻件的室温力学性能与13Cr9Mo2Co1NiVNbNB转子锻件相当。
表3锻件室温性能
实施例3
采用本发明涉及的材料成分制造了汽轮机用阀碟锻件。
通过真空感应和电渣重熔等工序得到钢锭，经过锻造、热处理、机加工等工序得到圆钢。
其中，热处理为一次淬火+两次回火工艺，淬火温度为1060℃-1160℃，第一次回火温度为540℃-660℃，第二次回火温度不低于660℃。
表4列出了利用本发明材料成分所制备锻件的化学成分分析结果，均满足化学成分指标要求。
表4锻件化学成分分析结果(wt.％)
| 本发明耐热钢 | 实施例3 | |
| C | 0.05～0.15 | 0.12 |
| Si | ≤0.15 | 0.07 |
| Mn | ≤0.15 | 0.06 |
| P | ≤0.020 | 0.006 |
| S | ≤0.015 | 0.002 |
| Cr | 8.5～10.0 | 9.5 |
| Co | 2.5～3.6 | 3.1 |
| W | 2.5～3.5 | 3.2 |
| V | 0.10～0.40 | 0.22 |
| Nb | 0.01～0.07 | 0.05 |
| N | 0.002～0.030 | 0.009 |
| B | 0.004～0.018 | 0.006 |
| Ni | ≤0.20 | 0.08 |
| Al | ≤0.02 | 0.005 |
| Ti | ≤0.02 | 0.001 |
| Fe | 80～88 | 83.57 |
| Cr当量 | ＜12.0 | 5.75 |
| B/N | 0.2～6.0 | 0.67 |
表5为锻件的室温力学性能，可以看出本发明实施例锻件的室温力学性能均满足要求。
表5锻件室温性能
实施例4
采用本发明涉及的材料成分制造了汽轮机用高温叶片扁钢毛坯。
通过真空感应和电渣重熔等工序得到钢锭，经过锻造、热处理、机加工等工序得到圆钢。
其中，淬火温度为1060℃-1160℃，回火温度不低于660℃。
表6列出了利用本发明材料成分所制备的扁钢毛坯的化学成分分析结果，均满足化学成分指标要求。
表6扁钢毛坯化学成分分析结果(wt.％)
| 本发明耐热钢 | 实施例4 | |
| C | 0.05～0.15 | 0.09 |
| Si | ≤0.15 | 0.004 |
| Mn | ≤0.15 | 0.05 |
| P | ≤0.020 | ＜0.005 |
| S | ≤0.015 | 0.001 |
| Cr | 8.5～10.0 | 10.0 |
| Co | 2.5～3.6 | 3.6 |
| W | 2.5～3.5 | 2.4 |
| V | 0.10～0.40 | 0.30 |
| Nb | 0.01～0.07 | 0.08 |
| N | 0.002～0.030 | 0.020 |
| B | 0.004～0.018 | 0.01 |
| Ni | ≤0.20 | 0.01 |
| Al | ≤0.02 | 0.005 |
| Ti | ≤0.02 | ＜0.001 |
| Fe | 80～88 | 83.43 |
| Cr当量 | ＜12.0 | 5.85 |
| B/N | 0.2～6.0 | 0.5 |
表7为扁钢毛坯的室温力学性能，可以看出本发明实施例的叶片扁钢毛坯的室温力学性能均满足要求。
表7扁钢毛坯室温性能
表8为本发明材料实施例与13Cr9Mo2Co1NiVNbNB转子锻件的持久强度对比。可以发现，本发明实施例的持久强度明显高于620℃用锻件材料13Cr9Mo2Co1NiVNbNB，且本发明实施例在10万小时持久强度为100MPa所对应的温度为650℃，高于13Cr9Mo2Co1NiVNbNB在10万小时持久强度为100MPa所对应的温度620℃。
因此，本发明材料制备的构件完全可以满足工作温度650℃及650℃以下的汽轮机的使用要求。
表8本发明实施例持久性能
Claims (10)
1.一种汽轮机用耐热钢，所述耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C 0.05％～0.15％，Mn≤0.15％，Cr 8.5％～10.0％，Co 2.5％～3.6％，W 2.5％～3.5％，V 0.10％～0.40％，Nb 0.01％～0.07％，N 0.002％-0.030％，B 0.004％-0.018％，Ni≤0.20％，Al≤0.02％，Ti≤0.02％，杂质≤0.185％，Fe 80％～88％；B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.2～6.0。
2.根据权利要求1所述的汽轮机用耐热钢，其特征在于，所述的杂质包括Si、P、S的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的汽轮机用耐热钢，其特征在于，以汽轮机用耐热钢的总质量为基准计，所述Si、P、S对应的质量百分数分别是：Si≤0.15％，P≤0.020％，S≤0.015％。
4.根据权利要求1所述的汽轮机用耐热钢，其特征在于，铬当量小于12.0％。
5.根据权利要求1-4所述的汽轮机用耐热钢，其特征在于，所述耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C 0.05％-0.12％，Mn≤0.10％，Cr 8.5％-9.8％，Co 2.6％-3.2％，W2.6％-3.2％，V 0.10％-0.30％，Nb 0.02％-0.07％，N 0.004％-0.025％，B 0.006％-0.016％，Ni≤0.10％，Al≤0.010％，Ti≤0.010％，杂质≤0.125％，Fe 82％～88％；B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.3～3.0，铬当量小于9.0％。
6.根据权利要求5所述的汽轮机用耐热钢，其特征在于，所述的杂质包括Si、P、S中的一种或多种，以汽轮机用耐热钢总质量为基准计，所述Si、P、S质量百分数分别是Si≤0.10％，P≤0.015％，S≤0.010％。
7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的汽轮机用耐热钢的制备方法，经过冶炼、浇注、锻造或轧制工序得到型坯，并进行热处理。
8.根据权利要求7所述的汽轮机用耐热钢的制备方法，其特征在于，所述热处理采用一次淬火和两次回火工艺，淬火温度为1060℃～1160℃；第一次回火温度为540℃～660℃，第二次回火温度不低于660℃。
9.根据权利要求7所述的汽轮机用耐热钢的制备方法，其特征在于，所述热处理采用一次淬火和一次回火工艺，淬火温度为1060℃～1160℃；回火温度不低于660℃。
10.根据权利要求1-6任一权利要求所述的汽轮机用耐热钢在汽轮机领域的用途。
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