CN109295396A - 一种汽轮机锻件用耐热钢 - Google Patents

一种汽轮机锻件用耐热钢 Download PDF

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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锻件用耐热钢。所述耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C 0.08％～0.18％，Mn≤0.15％，Cr 9.8％～11.5％，Co 3.0％～3.8％，W 1.0％～1.8％，Mo 0.1％～0.7％，V 0.10％～0.40％，Nb 0.02％～0.10％，N 0.005％‑0.040％，B 0.0005％‑0.0060％，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0.03～0.50。本发明的耐热钢，可以满足工作温度为630℃及630℃以下的汽轮机锻件的使用要求。

Description

一种汽轮机锻件用耐热钢
技术领域
本发明涉及金属材料领域，特别涉及一种汽轮机锻件用耐热钢。
背景技术
先进超超临界汽轮机具有巨大的经济效益和社会效益，提高蒸汽温度可以提高燃煤发电效率、降低有害气体的排放。
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，广泛应用的汽轮机的最高蒸汽温度为620℃，均有可用的成熟材料，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达到100MPa以上。尚没有可以满足630℃及630℃以下汽轮机使用要求的锻件材料。
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锻件用耐热钢，可以满足工作温度为630℃及630℃以下的汽轮机锻件的使用要求。
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锻件用耐热钢，所述耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C 0.08％～0.18％，Mn≤0.15％，Cr9.8％～11.5％，Co 3.0％～3.8％，W 1.0％～1.8％，Mo 0.1％～0.7％，V 0.10％～0.40％，Nb 0.02％～0.10％，N 0.005％-0.040％，B 0.0005％-0.0060％，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0.03～0.50。
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，以耐热钢的总质量为基准计，所述的Si、P、S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：C0.10％-0.15％，Mn≤0.10％，Cr 10.0％-11.0％，Co 3.0％-3.5％，W 1.4％-1.8％，Mo0.4％-0.7％，V 0.10％-0.30％，Nb 0.02％-0.08％，N 0.010％-0.035％，B 0.0010％-0.0050％，Ni ≤0.10％，Al≤0.010％，Ti≤0.010％，杂质≤0.125％，Fe 81％～86％；B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.04～0.40。
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％。
在本发明的一些实施方式中，铬当量小于9.0％。
在本发明的第二方面，提供前述汽轮机锻件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，所述的热处理采用一次淬火和两次回火工艺，淬火温度为1050℃～1140℃；第一次回火温度为540℃～650℃；第二次回火温度不低于650℃。
本发明的第三方面提供前述的汽轮机锻件用耐热钢在汽轮机领域的用途。
附图说明
图1为本发明汽轮机锻件用耐热钢与13Cr9Mo2Co1NiVNbNB转子锻件的持久性能对比图。
具体实施方式
本发明发明人经过大量探索实验，提供了一种汽轮机锻件用耐热钢，可以满足工作温度630℃及630℃以下的汽轮机锻件的使用要求，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锻件用耐热钢及其制备方法以及在630℃及630℃以下的高温环境的应用。
首先说明根据本发明第一方面的汽轮机锻件用耐热钢。
本发明所提供的汽轮机锻件用耐热钢中按质量百分含量包括如下化学元素：C0.08％～0.18％，Mn≤0.15％，Cr 9.8％～11.5％，Co 3.0％～3.8％，W 1.0％～1.8％，Mo0.1％～0.7％，V 0.10％～0.40％，Nb 0.02％～0.10％，N 0.005％-0.040％，B 0.0005％-0.0060％，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0.03～0.50。在汽轮机锻件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元素在汽轮机锻件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锻件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0.03～0.50时，配合前述质量百分含量的其他化学元素，得到的锻件的耐高温性能更好。
本发明所提供的汽轮机锻件用耐热钢中，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。
本发明所提供的汽轮机锻件用耐热钢中，以耐热钢的总质量为基准计，所述的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锻件用耐热钢中，铬当量小于12.0％。铬当量是指钢中各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。本发明中铬当量在小于12.0％的范围内，才能不会析出δ铁素体，不会降低材料的高温长时性能。
本发明所提供的汽轮机锻件用耐热钢中，优选地，所述耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C 0.10％-0.15％，Mn≤0.10％，Cr 10.0％-11.0％，Co 3.0％-3.5％，W1.4％-1.8％，Mo 0.4％-0.7％，V 0.10％-0.30％，Nb 0.02％-0.08％，N 0.010％-0.035％，B 0.0010％-0.0050％，Ni≤0.10％，Al≤0.010％，Ti≤0.010％，杂质≤0.125％，Fe 81％～86％；B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.04～0.40。
本发明所提供的汽轮机锻件用耐热钢中，优选地，所述的杂质包括Si、P、S中的一种或多种，以汽轮机锻件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％。
本发明所提供的汽轮机锻件用耐热钢中，优选地，铬当量小于9.0％。
表1为本发明汽轮机锻件用耐热钢与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℃汽轮机锻件材料13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢对比，本发明汽轮机锻件用耐热钢的成分特点是提高Cr和Co元素的含量，降低Mn、Mo、B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，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锻件用耐热钢的制备方法。
在本发明提供前述汽轮机锻件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锻件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1050℃～1140℃；第一次回火温度为540℃～650℃；第二次回火温度不低于650℃。本发明所述的锻件包括了转子锻件、轮盘和轴头锻件以及汽轮机内承受高温的中小锻件等关键构件。
本发明第三方面提供汽轮机锻件用耐热钢在汽轮机领域的用途，本发明所提供的汽轮机锻件用耐热钢可以被用于制备汽轮机锻件，制备获得的汽轮机锻件在630℃及630℃以下的高温环境中具有良好的性能，可以满足工作温度为630℃及630℃以下的汽轮机锻件的使用要求。
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94吨钢锭；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1050℃-1120℃，第一次回火温度为540℃-650℃，第二次回火温度不低于650℃。
表3列出了利用本发明材料成分所制备的汽轮机锻件的化学成分分析结果，均满足化学成分指标要求。
表3 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 0.08～0.18 0.11 0.16
Si ≤0.15 0.07 0.08
Mn ≤0.15 0.09 0.05
P ≤0.020 0.005 0.005
S ≤0.015 0.001 0.002
Cr 9.8～11.5 10.04 10.46
Co 3.0～3.8 3.61 3.18
W 1.0～1.8 1.28 1.75
Mo 0.1～0.7 0.66 0.30
V 0.10～0.40 0.19 0.20
Nb 0.02～0.10 0.04 0.07
N 0.005～0.040 0.019 0.026
B 0.0005～0.0060 0.0014 0.0033
Ni ≤0.20 0.13 0.10
Al ≤0.02 0.009 0.008
Ti ≤0.02 0.001 0.001
Fe 80～88 83.74 83.60
Cr当量 ＜12.0 4.54 3.38
B/N 0.03～0.50 0.074 0.127
表4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的锻件的室温力学性能均满足要求，且强度高于13Cr9Mo2Co1NiVNbNB转子锻件，塑性相当。
表4 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锻件。
通过真空感应和电渣重熔等工序得到直径360mm的钢锭，经过锻造、热处理、机加工等工序得到直径140mm的圆钢。
其中，热处理为一次淬火+两次回火工艺，淬火温度为1080℃-1140℃，第一次回火温度为540℃-650℃，第二次回火温度不低于650℃。
表5列出了利用本发明材料成分所制备的锻件的化学成分分析结果，均满足化学成分指标要求。
表5 中小锻件化学成分分析结果(wt.％)
表6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6 中小锻件室温性能
图1为本发明汽轮机锻件用耐热钢与13Cr9Mo2Co1NiVNbNB转子锻件的持久强度对比。其中，虚线为13Cr9Mo2Co1NiVNbNB转子锻件的平均水平，其620℃/10万小时的持久强度达到100MPa的要求，可以满足620℃汽轮机的使用要求。可以看出，本发明的锻件的持久试验数据均远高于13Cr9Mo2Co1NiVNbNB转子锻件，使用温度可以高出10℃以上。因此，本发明锻件完全可以满足工作温度630℃及630℃以下的汽轮机锻件的使用要求。

Claims (10)

1.一种汽轮机锻件用耐热钢，所述耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C0.08％～0.18％，Mn≤0.15％，Cr 9.8％～11.5％，Co 3.0％～3.8％，W 1.0％～1.8％，Mo0.1％～0.7％，V 0.10％～0.40％，Nb 0.02％～0.10％，N 0.005％-0.040％，B 0.0005％-0.0060％，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0.03～0.50。
2.根据权利要求1所述的汽轮机锻件用耐热钢，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所述的汽轮机锻件用耐热钢，其特征在于，以耐热钢的总质量为基准计，所述的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所述的汽轮机锻件用耐热钢，其特征在于，铬当量小于12.0％。
5.根据权利要求1-4所述的汽轮机锻件用耐热钢，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 0.10％-0.15％，Mn≤0.10％，Cr 10.0％-11.0％，Co 3.0％-3.5％，W 1.4％-1.8％，Mo 0.4％-0.7％，V 0.10％-0.30％，Nb 0.02％-0.08％，N0.010％-0.035％，B 0.0010％-0.0050％，Ni≤0.10％，Al≤0.010％，Ti≤0.010％，杂质≤0.125％，Fe 81％～86％；
B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.04～0.40。
6.根据权利要求5所述的汽轮机锻件用耐热钢，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5所述的汽轮机锻件用耐热钢，其特征在于，铬当量小于9.0％。
8.根据权利要求1-7所述的汽轮机锻件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。
9.根据权利要求8所述的汽轮机锻件用耐热钢的制备方法，其特征在于，所述的热处理采用一次淬火和两次回火工艺，淬火温度为1050℃～1140℃；第一次回火温度为540℃～650℃；第二次回火温度不低于650℃。
10.根据权利要求1-7任一权利要求所述的汽轮机锻件用耐热钢在汽轮机领域的用途。
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