CN114058940A - 一种锻件用耐热钢 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种锻件用耐热钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.09～0.15％，Si≤0.15％，Mn≤0.15％，Cr：8.8～10.4％，Co：2.8～3.5％，W：1.65～1.85％，Mo：0.55～0.75％，V：0.15～0.25％，Nb：0.03～0.07％，N：0.002～0.015％，B：0.008～0.016％，Ni：0.01～0.20％，余量为Fe和杂质。本发明进一步提供耐热钢的制备方法及其用途。本发明制备的一种耐热钢作为锻件具有优异的长时高温持久强度、塑韧性和抗蒸汽氧化性能，可以满足工作温度650℃及650℃以下的透平机械的使用要求。

Description

一种锻件用耐热钢
技术领域
本发明属于金属材料的技术领域，涉及一种锻件用耐热钢，具体涉及一种用于高温锻件的耐热钢。
背景技术
透平机械是将流体工质中的能量转换成机械功的机器，透平机械的工质可以是蒸汽、燃气、空气等气体，也可以是水、油等液体。一般对于工质是气体的透平机械而言，工质气体的温度和压力越高，透平机械的能量转换效率越高，但是同时也对透平机械的零部件性能提出了更高的要求，特别是工作温度为高温的零部件。
特别地，对于火力发电而言，汽轮机是将蒸汽热能转变为机械功的关键部件。蒸汽温度和压力的提高，可以提高发电效率、降低煤耗、降低CO2、NOX、SOX等污染气体，具有显著的经济效益和社会效益。在过去几十年里，汽轮机的蒸汽参数已由亚临界、超临界提升到620℃、630℃等级的超临界参数，目前正在向更高温度等级汽轮机组发展。提高汽轮机蒸汽温度，高温零部件工作环境进一步恶化，对材料的高温性能和抗高温蒸汽氧化性能提出更高的要求，特别是高温长时持久强度，对于汽轮机用锻件而言，要求材料在工作温度下的10万小时持久强度≥100MPa。此外，随着多能互补等概念的提出，对汽轮机运行的灵活性提出了更大的要求，因此对汽轮机关键部件的塑韧性也提出了一定的要求。
目前，可用于650℃汽轮机锻件已有的材料专利为CN109112424A。但现有材料并不同时具备良好的塑韧性、高温长时持久强度和抗蒸汽氧化性能。因此有必要基于已有的材料研究成果，进行进一步研究与探讨。
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锻件用耐热钢，用于提供一种兼具优异长时高温持久强度、塑韧性和抗蒸汽氧化性能的耐热钢，并能够满足工作温度为650℃及650℃以下透平机械锻件的使用要求。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种锻件用耐热钢，由以下质量百分比的元素组成：
C(碳)：0.09～0.15％，Si(硅)：≤0.15％，Mn(锰)：≤0.15％，Cr(铬)：8.8～10.4％，Co(钴)：2.8～3.5％，W(钨)：1.65～1.85％，Mo(钼)：0.55～0.75％，V(钒)：0.15～0.25％，Nb(铌)：0.03～0.07％，N(氮)：0.002～0.015％，B(硼)：0.008～0.016％，Ni(镍)：0.01～0.20％，余量为Fe(铁)和不可避免的杂质。
优选地，所述锻件用耐热钢，由以下质量百分比的元素组成：
C：0.10～0.14％，Si：≤0.10％，Mn：≤0.10％，Cr：9.0～9.4％，Co：2.8～3.2％，W：1.7～1.8％，Mo：0.6～0.7％，V：0.16～0.24％，Nb：0.04～0.06％，N：0.006～0.013％，B：0.010～0.014％，Ni：0.01～0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述锻件用耐热钢，由以下质量百分比的元素组成：
C：0.10～0.14％，Si：≤0.10％，Mn：≤0.10％，Cr：10.0～10.4％，Co：3.1～3.5％，W：1.7～1.8％，Mo：0.6～0.7％，V：0.16～0.24％，Nb：0.04～0.06％，N：0.003～0.009％，B：0.010～0.014％，Ni：0.01～0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述杂质选自P(磷)、S(硫)、Al(铝)、Ti(钛)、Cu(铜)、As(砷)、Sb(锑)、Sn(锡)中的一种或多种元素。
上述不可避免的杂质是钢铁冶炼过程中不可避免沾染的微量杂质元素。
更优选地，所述杂质中元素的质量百分比含量符合以下要求：
P：≤0.02％，S：≤0.01％，Al：≤0.02％，Ti：≤0.02％，Cu：≤0.15％，As：≤0.02％，Sb：≤0.002％，Sn：≤0.02％。
本发明第二方面提供一种耐热钢的制备方法，按元素配比取原料混合后，冶炼、浇注、锻造成型坯、热处理、机加工，以提供所述耐热钢。
优选地，所述冶炼选自电弧炉冶炼或真空感应炉冶炼中的一种。
更优选地，所述电弧炉冶炼后还要进行钢包精炼和真空除气。
优选地，所述浇注是将冶炼后的钢水浇注成电极棒，再电渣重熔制成钢锭。优选地，所述热处理包括依次进行的淬火、回火工序。
更优选地，所述淬火的温度为1080～1140℃。更优选地，所述回火包括二次回火，第一次回火的温度为540～660℃；第二次回火的温度≥660℃。
上述电弧炉冶炼、真空感应炉冶炼、钢包精炼、真空除气、浇注、淬火、回火、锻造、机加工等工序均为钢铁制造领域公知的技术手段。
本发明第三方面提供上述耐热钢在透平机械中的用途。
优选地，所述透平机械为汽轮机。
如上所述，本发明提供的一种锻件用耐热钢，通过优选的元素组分及其制备步骤，能够制备获得性能优异的耐热钢。该种耐热钢兼具优异的长时高温持久强度、塑韧性和抗蒸汽氧化性能，可以满足工作温度为650℃及650℃以下锻件的使用要求，适用于在透平机械中，特别是汽轮机中的使用。
附图说明
图1显示为本发明中实施例1-3的抗650℃蒸汽氧化性能与13Cr9Mo2Co1NiVNbNB抗620℃蒸汽氧化性能对比的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
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。
实施例1
按配比取各元素组分，如表1所示，各组分由以下质量百分比的元素组成：
C：0.11％，Si：0.06％，Mn：0.05％，Cr：9.1％，Co：2.92％，W：1.72％，Mo：0.68％，V：0.20％，Nb：0.052％，N：0.0092％，B：0.010％，Ni：0.09％，余量为Fe和不可避免的杂质。
其中，如表2所示，杂质中元素的质量百分比含量为：P：0.002％，S：0.002％，Al：0.010％，Ti：0.003％，Cu：0.01％，As：0.004％，Sb：0.0011％，Sn：0.003％。
按上述各元素配比取原料混合后，采用电弧炉冶炼后进行钢包精炼和真空除气，将冶炼后的钢水浇注成电极棒，再电渣重熔制成钢锭，钢锭经过锻造成型坯，再将型坯经过热处理、机加工，即得耐热钢锻件样品1*。其中，热处理为一次淬火+两次回火工艺，淬火的温度为1090℃。第一次回火的温度为570℃；第二次回火的温度为700℃。耐热钢锻件样品1*为28吨转子锻件，最大直径达1.2米。
实施例2
按配比取各元素组分，如表1所示，各组分由以下质量百分比的元素组成：
C：0.13％，Si：0.05％，Mn：0.06％，Cr：10.2％，Co：3.34％，W：1.79％，Mo：0.61％，V：0.23％，Nb：0.045％，N：0.0040％，B：0.014％，Ni：0.04％，余量为Fe和不可避免的杂质。
其中，如表2所示，杂质中元素的质量百分比含量为：P：0.002％，S：0.002％，Al：0.004％，Ti：0.003％，Cu：0.01％，As：0.004％，Sb：0.0012％，Sn：0.004％。
按上述各元素配比取原料混合后，采用真空感应炉冶炼后，将冶炼后的钢水浇注成电极棒，再电渣重熔制成钢锭，钢锭经过锻造成型坯，再将型坯经过热处理、机加工，即得耐热钢锻件样品2*。其中，热处理为一次淬火+两次回火工艺，淬火的温度为1100℃。第一次回火的温度为590℃；第二次回火的温度为690℃。耐热钢锻件样品2*为2吨环锻件，最大直径达1.3米。
实施例3
按配比取各元素组分，如表1所示，各组分由以下质量百分比的元素组成：
C：0.15％，Si：0.13％，Mn：0.11％，Cr：9.6％，Co：3.18％，W：1.83％，Mo：0.56％，V：0.17％，Nb：0.066％，N：0.0145％，B：0.015％，Ni：0.17％，余量为Fe和不可避免的杂质。
其中，如表2所示，杂质中元素的质量百分比含量为：P：0.010％，S：0.008％，Al：0.010％，Ti：0.009％，Cu：0.02％，As：0.004％，Sb：0.0015％，Sn：0.008％。
按上述各元素配比取原料混合后，采用真空感应炉冶炼后，将冶炼后的钢水浇注成电极棒，再电渣重熔制成钢锭，钢锭经过锻造成型坯，再将型坯经过热处理、机加工，即得耐热钢锻件样品3*。其中，热处理为一次淬火+两次回火工艺，淬火的温度为1130℃。第一次回火的温度为590℃；第二次回火的温度为670℃。耐热钢锻件样品3*为1吨阶梯轴锻件，最大外径1m，长度800mm。
表1实施例1-3的样品中必要元素含量(wt.％)
Figure BDA0002610059280000041
Figure BDA0002610059280000051
表2实施例1-3的样品中杂质元素含量(wt.％)
元素名称 实施例1 实施例2 实施例3
P 0.002 0.002 0.010
S 0.002 0.002 0.008
Al 0.010 0.004 0.010
Ti 0.003 0.003 0.009
Cu 0.01 0.01 0.02
As 0.004 0.004 0.004
Sb 0.0011 0.0012 0.0015
Sn 0.003 0.004 0.008
测试例1
从本发明实施例1～3中制备的耐热钢锻件样品1*～3*上取样，与用作耐620℃高温的汽轮机转子钢材料13Cr9Mo2Co1NiVNbNB(由专利CN103074550B中制备)分别进行室温力学性能测试，室温力学性能包括屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm、断后伸长率A、断面收缩率Z、冲击韧度αk，测试结果见表3。由表3可知，本发明实施例1～3中制备的耐热钢锻件样品1*～3*不仅具有与13Cr9Mo2Co1NiVNbNB相当的室温强度和塑性，还具有优异的冲击韧度。
表3锻件室温力学性能
Figure BDA0002610059280000052
测试例2
从本发明实施例1～3中制备的耐热钢锻件样品1*～3*上分别取样进行持久试验，根据试验结果计算得到650℃、10万小时的持久强度，结果见表4。由表4可知，本发明实施例1～3中制备的耐热钢锻件样品1*～3*在650℃、10万小时的持久强度均大于100MPa，高温长时持久强度优异。
表4锻件持久强度性能
Figure BDA0002610059280000061
测试例3
将本发明实施例1～3中制备的耐热钢锻件样品1*～3*进行抗650℃蒸汽氧化性能测试，同时将汽轮机转子钢材料13Cr9Mo2Co1NiVNbNB(由专利CN103074550B中制备)进行抗620℃蒸汽氧化性能测试，测试结果见图1。由图1可知，耐热钢锻件样品1*～3*在650℃下的抗蒸汽氧化性能与13Cr9Mo2Co1NiVNbNB在620℃下的抗蒸汽氧化性能相当，说明耐热钢锻件样品的抗蒸汽氧化性能优异。
综上所述，本发明制备的一种锻件用耐热钢具有优异的高温长时持久强度、塑韧性和抗蒸汽氧化性能，完全可以满足工作温度650℃及650℃以下的透平机械特别是汽轮机的使用要求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种耐热钢，由以下质量百分比的元素组成：
C：0.09～0.15％，Si：≤0.15％，Mn：≤0.15％，Cr：8.8～10.4％，Co：2.8～3.5％，W：1.65～1.85％，Mo：0.55～0.75％，V：0.15～0.25％，Nb：0.03～0.07％，N：0.002～0.015％，B：0.008～0.016％，Ni：0.01～0.20％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐热钢，其特征在于，所述耐热钢，由以下质量百分比的元素组成：
C：0.10～0.14％，Si：≤0.10％，Mn：≤0.10％，Cr：9.0～9.4％，Co：2.8～3.2％，W：1.7～1.8％，Mo：0.6～0.7％，V：0.16～0.24％，Nb：0.04～0.06％，N：0.006～0.013％，B：0.010～0.014％，Ni：0.01～0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的耐热钢，其特征在于，所述耐热钢，由以下质量百分比的元素组成：
C：0.10～0.14％，Si：≤0.10％，Mn：≤0.10％，Cr：10.0～10.4％，Co：3.1～3.5％，W：1.7～1.8％，Mo：0.6～0.7％，V：0.16～0.24％，Nb：0.04～0.06％，N：0.003～0.009％，B：0.010～0.014％，Ni：0.01～0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的耐热钢，其特征在于，所述杂质选自P、S、Al、Ti、Cu、As、Sb、Sn中的一种或多种元素。
5.根据权利要求4所述的耐热钢，其特征在于，所述杂质中元素的质量百分比含量符合以下要求：P：≤0.02％，S：≤0.01％，Al：≤0.02％，Ti：≤0.02％，Cu：≤0.15％，As：≤0.02％，Sb：≤0.002％，Sn：≤0.02％。
6.根据权利要求1-5任一所述的耐热钢的制备方法，按元素配比取原料混合后，冶炼、浇注、锻造成型坯，热处理、机加工，以提供所述耐热钢。
7.根据权利要求6所述的耐热钢的制备方法，其特征在于，所述热处理包括依次进行的淬火、回火工序。
8.根据权利要求7所述的耐热钢的制备方法，其特征在于，所述淬火的温度为1080～1140℃；所述回火包括二次回火，第一次回火的温度为540～660℃，第二次回火的温度≥660℃。
9.根据权利要求1-5任一所述的耐热钢在透平机械中的用途。
10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于，所述透平机械为汽轮机。
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