CN109355585A - 一种超高氮马氏体耐热铸钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种超高氮马氏体耐热铸钢及其制备方法，各元素重量百分比为：Cr：8.0％～12.0％；C：0.005％～0.12％；N：0.1％～0.4％；W：4.0％～7.0％；Co：3.0％～6.0％；Mo：0.5％～1.5％；Cu：0.50％～1.7％；V：0.2％～0.8％；Mn：0.03％～0.8％；Si：0.02％～0.10％；Nb：0.01％～0.06％；Ta：≤0.10％；Nb+Ta：0.01％～0.2％；P、S≤0.005％；Fe：余量。通过加压真空感应+加压真空电渣重熔的制备方法，增加了氮元素在钢中的溶解度，并得到无明显缺陷，组织均匀的超高氮马氏体耐热铸钢。

Description

一种超高氮马氏体耐热铸钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐热钢技术领域，特别提供了一种新型的超高氮马氏体耐热铸钢及其制备方法。
背景技术
传统的燃煤电厂通过严重的污染导致化石资源的不断消耗和环境的恶化。为了节约能源和保护环境，发展超超临界技术能够减轻发电厂造成的污染，而耐热材料是发展这一技术的关键。鉴于镍基合金的高成本，奥氏体耐热钢的高膨胀系数及热加工抗热疲劳性能不足，具有高强度，高导热性和低膨胀系数的马氏体/铁素体钢是目前超超临界汽轮机用缸体和转子的理想钢种。
国内外超超临界火电机组中应用的马氏体/铁素体耐热铸钢中性能较为优异的有锅炉管用T/P91、T/P92、E911与T122，和缸体用钢CB2，其服役温度为620℃。近年来，国际上正在积极探索可在650℃下使用的耐热铸钢，因此研发出了9Cr-3W-3Co、SAVE12、NF12等钢种。
国内外许多学者研究发现，在钢中添加氮元素可以和钢中的其他合金元素(如Mn、Cr、V、Nb、Ti等)交互作用，可以大大地提高强度，不会明显降低材料韧性、塑性，而且对耐腐蚀性能也有积极作用。并且氮可以取代镍作为奥氏体稳定元素，抑制δ相的析出，不但可以提高其性能，还可以降低成本。但是由于氮在钢中的溶解度较低，并且在凝固过程中，易导致氮的偏析和氮气的逸出，严重制约了高氮钢的开发和应用，通过加压技术可以有效地解决这一问题。
目前，制备高氮钢常用的方法有加压真空感应熔炼和加压电渣重熔。加压真空感应熔炼能够实现氮的合金化，使氮均匀分布并能精确控制铸锭的氮含量，但是加压真空感应过程中无熔渣，不能去除钢液中的氧、硫等有害元素。加压电渣重熔的增氮过程不稳定，但可有效降低氧、硫等夹杂物的含量，从而达到净化钢液的效果，并且可以改善元素偏析，减少气孔等缺陷。
发明内容
本发明目的是解决以往马氏体铸钢中氮元素溶解度极低、耐热铸钢高温性能差及制备价格昂贵等问题，提供了一种新型的超高氮马氏体耐热铸钢及其制备方法，该耐热铸钢的氮含量很高，其质量百分比为0.1％～0.4％，可与钒、铌、铬和铁等元素形成Cr/Fe(N)沉淀相以及氮化钒，氮化铌等弥散相，从而提高耐热铸钢的高温性能，通过加压真空感应炉+加压电渣重熔法制备出该氮含量很高、组织均匀无明显缺陷的耐热铸钢。
本发明的技术方案
一种新型的超高氮马氏体耐热铸钢，其主要合金元素及其质量百分比为Cr：8.0％～12.0％；W：4.0％～7.0％；Co：3.0％～6.0％；Mo：0.5％～1.5％；Cu：0.50％～1.7％；V：0.2％～0.8％；Mn：0.03％～0.8％；Si：0.02％～0.10％；Nb：0.01％～0.06％；Ta：≤0.10％；Nb+Ta：0.01％～0.2％；P：≤0.005％；S：≤0.005％；Fe：余量。
所述超高氮耐热铸钢还可以含有：C：0.005％～0.12％；N：0.1％～0.4％。
本发明提供的超高氮马氏体耐热铸钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)加压真空感应熔炼：按以上所述超高氮马氏体耐热铸钢的化学成分及其含量配料，并将工业纯铁、金属铬、金属钼、金属铜和金属钨放入加压感应炉内的柑锅中，将石墨、工业硅、金属锰、氮化铬、钒铁、钽锭、硅钙合金和脱氧剂镍镁合金置于加料仓中；将冶炼温度控制在1500～1650℃，压强控制在2～11MPa，并在氩气和氮气的双重气氛保护下进行冶炼，浇铸后得到钢锭；
(2)加压电渣熔炼：通过步骤(1)加压真空感应熔炼制备所得钢锭焊接到假电极上，并与加压电渣炉的电极夹持器相连接；然后在加压电渣炉中冶炼，向冶炼室内充入氮气至压力为1～4MPa，并同步提升结晶器的冷却水压力，使结晶器铜壁两侧压力基本保持一致，并将电压调整至40～45V、电流3000～4200A，进行加压电渣重熔气相渗氮熔炼；待冶炼结束后，关闭交流电源5min后，打开加压电渣炉放气阀泄压至常压，同步降低加压电渣炉结晶器内冷却水压力，在钢锭温度降至室温后，脱出钢锭即为所述的超高氮马氏体耐热铸钢。
本发明提供的超高氮马氏体耐热铸钢，具有以下特征：
(1)降低马氏体耐热铸钢中的C的含量到极低水平(0.005％～0.12％)，以抑制钢中碳化物(M23C6)的形成；这是由于马氏体耐热铸钢中的碳含量较高时，析出的碳化物过多，消耗固溶元素(如Cr、W)，使耐热铸钢的持久蠕变性能和抗氧化性能降低，且碳含量过高时，易形成M23C6，该碳化物在高温下易于长大，也会对耐热铸钢的持久蠕变性能造成负面影响。
(2)添加铜和钽元素。这是由于添加Cu元素可以固溶在基体上形成纳米级的富铜相，从而提高材料的高温强度，但是其含量过高时，会导致铜脆；添加钽元素可以与钢中的间隙原子(C、N等)具有极高的亲和力，可以形成在高温下更加稳定的第二相，并可以细化晶粒。
(3)使马氏体/铁素体耐热铸钢中的N的含量控制在0.1％～0.4％范围内。这是由于N元素可以与V，Nb等元素形成细小弥散的第二相，显著提高材料的高温持久强度，并且与镍同为奥氏体稳定元素，氮可以取代镍作为奥氏体稳定元素，抑制δ相的析出，降低成本。
(4)该钢中的氮元素是以氮化铬铁的形式添加。这是由于高氮铬铁由Cr、N及少量的Si和C组成，故带入的夹杂物较少，能够保证所制备超高氮马氏体耐热铸钢的纯度。
(5)该钢的制备方法为加压真空感应+加压电渣重熔。这是由于真空感应熔炼能够实现氮的合金化，使氮均匀分布并能精确控制铸锭的氮含量，在后续加压电渣重熔过程中有效降低夹杂物和硫含量，改善偏析，使钢锭纯净化、均质化和致密化。
本发明的优点和有益效果：
本发明的超高氮马氏体耐热铸钢的制备方法，通过在钢材中加入氮化铬铁，并调节各种元素的比例关系，通过加压真空感应炉中通入氮气和氩气，进行冶炼，得到组织为马氏体的超高氮耐热铸钢，并将加压真空感应炉制备的超高氮马氏体耐热铸钢作为电极进行加压电渣重熔，从而获得组织均匀、无明显缺陷的超高氮马氏体耐热铸钢。
本发明提供的超高氮马氏体耐热铸钢，通过增加N元素的含量来代替昂贵的Ni元素，以降低材料制备的成本；本发明的耐热铸钢的高温性能主要由于细小弥散的氮化钒，氮化铬及Laves相等强化相的存在。
附图说明
图1为案例1中超高氮马氏体耐热铸钢的金相组织照片：马氏体。A为低倍镜下的金相组织照片，B为高倍镜下的金相组织照片。
图2案例4为超高氮马氏体耐热铸钢的金相组织照片：马氏体。A为低倍镜下的金相组织照片，B为高倍镜下的金相组织照片。
图3为案例4超高氮马氏体耐热铸钢的SEM照片：方形析出相为氮化铬或氮化钒，短棒状的为Laves相。A为低倍镜下扫描电子显微照片，B为A图的局部放大图。
图4为案例4高氮马氏体耐热铸钢经过合理的热处理后的析出相照片：基体上分布着大量的Laves相(Fe2W)、和针状的渗氮体(Cr2N)和MX型沉淀相。A为经过合理热处理后的透射电子显微照片，B为图A的局部放大图，从中可以明显看出Laves相(Fe2W)和方形的MX型沉淀相，C为在高倍镜下的针状的渗氮体(Cr2N)的形貌图。
具体实施方式
实施例1：
一种超高氮马氏体耐热铸钢及其制备，各元素的化学成分及其质量百分比为：Cr：9.24％；C：0.016％；N：0.16％；W：6.32％；Co：3.61％；Mo：1.0％；Cu：0.9％；V：0.48％；Mn：0.11％；Si：0.073％；Ni：0.03％；Nb：0.04％；Ta：0.056％；S：0.004％；P：0.003％；Fe：余量。
按所述超高氮耐热铸钢的化学成分及其含量进行配料，并将工业纯铁、金属铬、金属钼、金属铜和金属钨放入加压真空感应炉内的柑锅中，将石墨、工业硅、金属锰、氮化铬、钒铁、钽锭、硅钙合金和脱氧剂镍镁合金置于加料仓中；将冶炼温度控制在1580℃左右，压强为4MPa，并往熔炼室中通入氩气保护，待各原料完全熔化后，浇铸后得到钢锭。
将加压真空感应所制备的钢锭焊接到假电极上，并与加压电渣炉的电极夹持器相连接。然后在加压电渣炉中冶炼，向冶炼室内充入氮气至压力为2MPa，并同步提升结晶器的冷却水压力，使结晶器铜壁两侧压力基本保持一致，并将电压调整至40V、电流3100A，进行加压电渣重熔气相渗氮熔炼。待冶炼结束后，关闭交流电源5min后，打开加压电渣炉放气阀泄压至常压，同步降低加压电渣炉结晶器内冷却水压力，在钢锭温度降至室温后，脱出钢锭。其铸态金相组织照片如附图1所示，为具有一定取向的板条马氏体和晶粒内部平整无亚结构的δ-铁素体组成。
将制备所得的马氏体耐热铸钢进行正火(1100℃-2h-空冷)→回火(780℃-2h-空冷)后，对其进行硬度测量，得出维氏硬度值在259.1～303.2HV范围内。
实施例2
一种超高氮马氏体耐热铸钢及其制备，各元素的化学成分及其质量百分比为：Cr：8.15％；C：0.10％；N：0.20％；W：6.11％；Co：3.71％；Mo：1.12％；Cu：0.93％；V：0.65％；Mn：0.13％；Si：0.074％；Ni：0.015％；Nb：0.031％；Ta：0.052％；S：0.0042％；P：0.0038％；Fe：余量。
按所述超高氮耐热铸钢的化学成分及其含量进行配料，并将工业纯铁、金属铬、金属钼、金属铜和金属钨放入加压真空感应炉内的柑锅中，将石墨、工业硅、金属锰、氮化铬、钒铁、钽锭、硅钙合金和脱氧剂镍镁合金置于加料仓中；将冶炼温度控制在1600℃左右，压强为8MPa，并往熔炼室中通入氮气，待各原料完全熔化后，浇铸后得到钢锭。
将加压真空感应所制备的钢锭焊接到假电极上，并与加压电渣炉的电极夹持器相连接。然后在加压电渣炉中冶炼，向冶炼室内充入氮气至压力为3MPa，并同步提升结晶器的冷却水压力，使结晶器铜壁两侧压力基本保持一致，并将电压调整至42V、电流3500A，进行加压电渣重熔气相渗氮熔炼。待冶炼结束后，关闭交流电源5min后，打开加压电渣炉放气阀泄压至常压，同步降低加压电渣炉结晶器内冷却水压力，在钢锭温度降至室温后，脱出钢锭即为所述的超高氮马氏体耐热铸钢。
将制备所得的马氏体耐热铸钢进行正火(1100℃-2h-空冷)→回火(780℃-2h-空冷)后，对其进行硬度测量，得出维氏硬度值在269.9～315.3HV范围内。
实施例3
一种超高氮马氏体耐热铸钢及其制备，各元素的化学成分及其质量百分比为：Cr：10.4％；C：0.05％；N：0.24％；W：6.41％；Co：3.81％；Mo：1.11％；Cu：0.79％；V：0.61％；Mn：0.09％；Si：0.078％；Ni：0.02％；Nb：0.028；Ta：0.061％；S：0.0032％；P：0.0024％；Fe：余量。
按所述超高氮耐热铸钢的化学成分及其含量进行配料，并将工业纯铁、金属铬、金属钼、金属铜和金属钨放入加压真空感应炉内的柑锅中，将石墨、工业硅、金属锰、氮化铬、钒铁、钽锭、硅钙合金和脱氧剂镍镁合金置于加料仓中；将冶炼温度控制在1620℃左右，压强为10MPa，并往熔炼室中通入氮气，待各原料完全熔化后，浇铸后得到钢锭。
将加压真空感应所制备的钢锭焊接到假电极上，并与加压电渣炉的电极夹持器相连接。然后在加压电渣炉中冶炼，向冶炼室内充入氮气至压力为4MPa，并同步提升结晶器的冷却水压力，使结晶器铜壁两侧压力基本保持一致，并将电压调整至44V、电流3800A，进行加压电渣重熔气相渗氮熔炼。待冶炼结束后，关闭交流电源5min后，打开加压电渣炉放气阀泄压至常压，同步降低加压电渣炉结晶器内冷却水压力，在钢锭温度降至室温后，脱出钢锭即为所述的超高氮马氏体耐热铸钢。
将制备所得的马氏体耐热铸钢进行正火(1100℃-2h-空冷)→回火(780℃-2h-空冷)后，对其进行硬度测量，得出维氏硬度值在275.2～320.0HV范围内。
实施例4
一种超高氮马氏体耐热铸钢及其制备，各元素的化学成分及其质量百分比为：Cr：9.48％；C：0.008％；N：0.27％；W：6.25％；Co：3.58％；Mo：1.04％；Cu：0.88％；V：0.53％；Mn：0.09％；Si：0.077％；Ni：0.01％；Nb：0.017％；Ta：0.042％；S：0.0042％；P：0.0037％；Fe：余量。
按所述超高氮耐热铸钢的化学成分及其含量进行配料，并将工业纯铁、金属铬、金属钼、金属铜和金属钨放入加压真空感应炉内的柑锅中，将石墨、工业硅、金属锰、氮化铬、钒铁、钽锭、硅钙合金和脱氧剂镍镁合金置于加料仓中；将冶炼温度控制在1550℃左右，压强为11MPa，并往熔炼室中通入氩气+氮气，待各原料完全熔化后，浇铸后得到3钢锭。
将加压真空感应所制备的钢锭焊接到假电极上，并与加压电渣炉的电极夹持器相连接。然后在加压电渣炉中冶炼，向冶炼室内充入氮气至压力为4MPa，并同步提升结晶器的冷却水压力，使结晶器铜壁两侧压力基本保持一致，并将电压调整至45V、电流4000A，进行加压电渣重熔气相渗氮熔炼。待冶炼结束后，关闭交流电源5min后，打开加压电渣炉放气阀泄压至常压，同步降低加压电渣炉结晶器内冷却水压力，在钢锭温度降至室温后，脱出钢锭。其铸态金相组织照片如附图2所示，为具有一定取向的板条马氏体和晶粒内部平整无亚结构的δ-铁素体组成。
将制备所得的马氏体耐热铸钢进行正火(1100℃-2h-空冷)→回火(780℃-2h-空冷)后，其扫描照片及透射照片如附图3和附图4所示，从中可以看出在基体上分布着大量的Laves相和渗氮体(Cr2N)和氮化铬，氮化钒等MX型沉淀相。对其进行硬度测量，得出维氏硬度值在280.2～323.4HV范围内。

Claims (6)

1.一种超高氮马氏体耐热铸钢，其特征在于：所述耐热铸钢的合金成分及其质量百分比为：Cr：8.0％～12.0％；W：4.0％～7.0％；Co：3.0％～6.0％；Mo：0.5％～1.5％；Cu：0.50％～1.7％；V：0.2％～0.8％；Mn：0.03％～0.8％；Si：0.02％～0.10％；Nb：0.01％～0.06％；Ta：≤0.10％；Nb+Ta：0.01％～0.2％；P：≤0.005％；S：≤0.005％；Fe：余量。
2.按照权利要求1所述的超高氮马氏体耐热铸钢，其特征在于：所述耐热铸钢还含有以下成分：C：0.005％～0.12％；N：0.1％～0.4％。
3.权利要求1或2所述的超高氮马氏体耐热铸钢的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)加压真空感应熔炼：按权利要求1或2所述超高氮马氏体耐热铸钢的化学成分及其含量配料，并将工业纯铁、金属铬、金属钼、金属铜和金属钨放入加压感应炉内的柑锅中，将石墨、工业硅、金属锰、氮化铬、钒铁、钽锭、硅钙合金和脱氧剂镍镁合金置于加料仓中；将冶炼温度控制在1500～1650℃，压强控制在2～11MPa，并在氩气和氮气的双重气氛保护下进行冶炼，浇铸后得到钢锭；
(2)加压电渣熔炼：通过步骤(1)加压真空感应熔炼制备所得钢锭焊接到假电极上，并与加压电渣炉的电极夹持器相连接；然后在加压电渣炉中冶炼，向冶炼室内充入氮气至压力为1～4MPa，并同步提升结晶器的冷却水压力，使结晶器铜壁两侧压力基本保持一致，并将电压调整至40～45V、电流3000～4200A，进行加压电渣重熔气相渗氮熔炼；待冶炼结束后，关闭交流电源5min后，打开加压电渣炉放气阀泄压至常压，同步降低加压电渣炉结晶器内冷却水压力，在钢锭温度降至室温后，脱出钢锭即为所述的超高氮马氏体耐热铸钢。
4.按照权利要求3所述的超高氮马氏体耐热铸钢的制备方法，其特征在于：氮元素的加入方式为氮化合金和加压渗氮两种方式共同作用。
5.按照权利要求3或4所述的超高氮马氏体耐热铸钢的制备方法，其特征在于：该方法制备的超高氮马氏体耐热铸钢的组织为马氏体。
6.按照权利要求3或4所述的超高氮马氏体耐热铸钢的制备方法，其特征在于：所述的超高氮马氏体耐热铸钢经过合理的回火后有细小弥散的氮化钒，氮化铬以及Laves相析出。
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