CN1209464A - 高韧性耐热钢、涡轮转子及其制造方法 - Google Patents

高韧性耐热钢、涡轮转子及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了在较低温区的抗拉强度和韧性以及在高温区的蠕变断裂强度俱佳的高韧性耐热钢。该高韧性耐热钢含有(重量比)C:0.05%以上、0.30%以下、Si:0%以上、0.20%以下、Mn:0%以上、1.0%以下、Cr:8.0%以上、14.0%以下、Mo:0.5%以上、3.0%以下、V:0.10%以上、0.50%以下、Ni:1.5%以上、5.0%以下、Nb:0.01%以上、0.50%以下、N:0.01%以上、0.08%以下、B:0.001%以上、0.020%以下,余量由Fe和不可避免的杂质构成。优选的是还含有Co:0.5%以上、6.0%以下。

Description

高韧性耐热钢、涡轮转子及其制造方法
本发明是关于高韧性耐热钢、涡轮转子及其制造方法，特别是关于适合于大容量和高效率的发电设备的高低压一体型涡轮转子使用的高韧性的耐热钢的材质改善。
一般地说，将多个涡轮转子机械结合的汽轮机是根据从高压侧到低压侧的使用蒸汽条件等来选择转子材料的。例如，在高温高压侧(550-600℃等)使用的涡轮转子材料采用CrMoV钢(ASTM-A470(8级))或12Cr钢(特公昭60-54385)等，而低温低压侧(400℃以下)使用的涡轮转子材料采用含有2.5％以上Ni的NiCrMoV钢(ASTM-A471(2-7级))等。
另外，在最近的旨在实现大容量和高效率的发电设备中，从汽轮机的小型化和结构简单化的角度考虑，从高压侧到低压侧用同一种材料形成的所谓高低压一体型涡轮转子受到人们的关注。
但是，以往的涡轮转子使用的上述钢未必能全部满足从高压侧到低压侧的全部使用条件，因此使用上述钢构成高低压一体型涡轮转子时存在下列问题。
1)：在CrMoV钢的场合，虽然在550℃的高温区域的蠕变断裂强度很好，但未必能满足低温区的抗拉强度和韧性要求，有可能发生廷性破坏或脆性破坏等，因此，为了防止发生上述破坏，必须减小涡轮转子的低压级的工作应力，结果使得低压级、特别是最后一级上安装的叶片的大小受到限制，难以实现发电设备的大容量化。另外，关于高温蠕变断裂强度，未必能满足最近为了提高发电设备的效率所需要的涡轮进口蒸汽的高温(600℃)、高压条件。
2)：在12Cr钢的场合，与CrMoV钢相比，虽然高温蠕变断裂强度很好，能够满足上述涡轮进口蒸汽的条件，但韧性不足，作为解决这个问题的措施，与CrMoV钢同样需要限制低压级上安装的叶片的大小。
3)：在NiCrMoV钢的场合，虽然在低温区的抗拉强度和韧性很好，但未必能满足蠕变断裂强度的要求，由于高压部的强度不足，因此必须限制涡轮进口蒸汽的高温化，难以提高发电设备的效率。
如上所述，使用以往的钢构成高低压一体型涡轮转子的场合，在使用高温蒸汽、安装尺寸较大的低压最终级叶片以实现汽轮机的大型化和高效率化时受到很大的限制。
本发明就是为了解决上述问题而完成的，本发明的目的是，提供在低温区的抗拉强度和韧性以及高温区的蠕变断裂强度俱佳的高韧性耐热钢。
本发明的另一目的是，提供适合于大容量、高效率发电设备的高低压一体型涡轮转子及其制造方法。
旨在实现上述目的的本发明的高韧性耐热钢，其特征是，含有(重量比)C:0.05％以上、0.30％以下、Si:0％以上、0.20％以下、Mn:0％以上、1.0％以下、Cr:8.0％以上、14.0％以下、Mo:0.5％以上、3.0％以下、V:0.10％以上、0.50％以下、Ni:1.5％以上、5.0％以下、Nb:0.01％以上、0.50％以下、N:0.01％以上、0.08％以下、B:0.001％以上、0.020％以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成。优选的是还含有Co:0.5％以上、6.0％以下。
本发明的另一实施方案的高韧性耐热钢，其特征是，含有(重量比)C:0.05％以上、0.30％以下、Si:0％以上、0.20％以下、Mn:0％以上、1.0％以下、Cr:8.0％以上、14.0％以下、Mo:0.1％以上、2.0％以下、W:0.3％以上、5.0％以下、V:0.10％以上、0.50％以下、Ni:1.5％以上、5.0％以下、Nb:0.01％以上、0.50％以下、N:0.01％以上、0.08％以下、B:0.001％以上、0.020％以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成。优选的是还含有Co:0.5％以上、6.0％以下。
下面说明本发明的高韧性耐热钢中各元素含量范围的限定理由。如果没有特别说明的话，表示各元素含量的百分数％是指重量％。
C：与Cr、Nb、V等元素结合形成碳化物，有助于沉淀强化，此外对于提高淬透性和抑制δ铁素体生成是必不可少的元素。C的添加量不足0.05％时，不能确保所希望的蠕变断裂强度，超过0.30％时，促进碳化物的粗大化，致使长时间的蠕变断裂强度降低，因此其含量范围在0.05％-0.30％为宜，优选的是0.07％-0.25％，最好是0.09％-0.20％。
Si：作为熔炼时的脱氧材料是必不可少的元素。Si添加过多时，其中的一部分形成氧化物残留在钢中，使韧性降低，因此其含量在0％以上、0.20％以下为宜。
Mn：作为熔炼时的脱氧、脱硫剂是不可缺少的元素。Mn添加量过多时，钢的蠕变断裂强度降低，因此其含量在0％以上、1.0％以下为宜。
Cr：可以提高抗氧化性和耐腐蚀性，此外作为有助于固溶强化和沉淀强化的M23C6型析出物的构成元素是不可缺少的成分。但Cr添加量少于8.0％时，其效果较小，超过14.0％时，容易生成对韧性和蠕变断裂强度有害的δ铁素体，因此其含量在8.0％-14.0％为宜，优选的是9.0％-13.0％，最好是9.5％-12.5％。
Mo：作为固溶强化元素和碳化物形成元素是必不可少的成分。但Mo的添加量不足0.5％时，其效果较小，超过3.0％时，韧性大大降低，并且容易生成δ铁素体，因此其含量在0.5％-3.0％为宜，优选的是0.7％-2.5％，最好是0.9％-2.0％。
在添加与Mo作用大致相同的W(参见下文)的场合，Mo的添加量不足0.1％时，作为固溶强化元素和碳化物形成元素的作用较小，超过2.0％时，韧性大为降低，此外还容易生成δ铁素体，因此，其含量在0.1％-2.0％为宜，优选的是0.2％-1.5％，最好是0.5％-1.2％。
V：是有助于固溶强化和形成V碳氮化物的元素。添加量在0.10％以上时，蠕变过程中在马氏体板条的边界上析出微细的沉淀物，抑制了回复，反之，含量超过0.50％时，容易生成δ铁素体。另外，添加量少于0.10％时，固溶量和析出量都很少，不能得到上述效果，因此，其含量在0.10％-0.50％为宜，优选的是0.10％-0.40％，最好是0.15％-0.30％。
Ni：大大提高淬透性和韧性，此外可以抑制δ铁素体的析出。但Ni添加量少于1.5％时，其效果较小，超过5.0％时，蠕变抗力降低，因此，其含量在1.5％-5.0％为宜，优选的是1.5％-4.0％，最好是2.0％-3.0％。
Nb：与C和N结合形成Nb(C、N)微细碳氮化物，有利于沉淀弥散强化。但Nb添加量不足0.01％时，析出的密度低，不能得到相应的效果，反之超过0.50％时，容易生成未固溶的粗大Nb(C、N)，延性和韧性降低，因此，其含量在0.01％-0.50％为宜，优选的是0.01％-0.30％，最好是0.03％-0.20％。
N：形成氮化物或碳氮化物，有助于沉淀强化，此外还残留在母相中，有助于固溶强化。但N含量低于0.01％时，不能得到相应的效果，超过0.08％时，促进了氮化物或碳氮化物的粗大化，蠕变抗力降低，延性和韧性也降低，因此，其含量在0.01％-0.08％为宜，优选的是0.01％-0.06％，最好是0.02％-0.04％。
B：微量添加时促进在晶界处析出沉淀物，还可以提高碳氮化物的高温长时间稳定性。其添加量低于0.001％时，不能得到相应的效果，超过0.020％时，韧性大幅度降低，此外还损害热加工性，因此，其含量在0.001％-0.020％为宜，优选的是0.003％-0.015％，最好是0.005％-0.012％。
W：是固溶强化元素和碳化物形成元素，有助于形成由Fe、Cr、W等构成的金属间化合物，因此在需要更高的蠕变断裂强度时添加，其添加量少于0.3％时，几乎没有效果，超过5.0％时，容易生成δ铁素体，同时显著降低韧性和加热脆化特性，因此，其含量在0.3％-5.0％为宜，优选的是0.5％-3.0％，最好是1.0％-2.5％。
Co：有助于固溶强化，此外还抑制δ铁素体生成，必要时添加。其添加量少于0.5％时，得不到相应效果，超过6.0％时，损害加工性，因此其含量在0.5％-6.0％为宜。
在添加上述各元素和主要成分Fe时，应尽可能减少带入的杂质。
本发明的涡轮转子，其特征是，使用上述本发明的高韧性耐热钢构成。
本发明的涡轮转子的制造方法，其特征是，按照本发明的高韧性耐热钢的化学成分制备原材料，用该材料形成涡轮转子坯体，在950-1120℃的加热温度条件下对该涡轮转子坯体进行淬火，然后采用550-740℃的加热温度对上述涡轮转子坯体至少进行1次回火。
上述淬火处理的加热温度条件，优选的是，相当于涡轮转子坯体的高压部或中压部的部分为1030℃以上、1120℃以下，相当于涡轮转子坯体的低压部的部分为950℃以上、1030℃以下。
上述回火处理的加热温度条件，优选的是，相当于涡轮转子坯体的高压部或中压部的部分为550℃以上、630℃以下，相当于涡轮转子坯体的低压部的部分为630℃以上、740℃以下。
下面说明本发明的热处理条件的限定理由。
淬火处理是赋予涡轮转子坯体以良好的强度所必不可少的热处理。淬火加热温度低于950℃时，奥氏体化不充分，不可能淬火，超过1120℃时，奥氏体晶粒显著粗大化，延性降低，因此加热温度在950-1120℃范围内为宜。
对于转子坯体上相当于高压部或中压部的部分来说，蠕变断裂强度特别重要，因此通过在1030-1120℃的高加热温度下淬火，可以使各种沉淀物充分固溶，在随后的回火时微细再析出。另外，对于转子坯体上相当于低压部的部分来说，在较低温度下的抗拉强度和韧性特别重要，通过在950-1030℃的较低加热温度下进行淬火，可以使晶粒细化。
回火处理是为了将涡轮转子材料调整到所希望的强度而不可缺少的热处理，通常进行1次以上。回火加热温度低于550℃时，不能得到充分的回火效果，得不到良好的韧性，超过740℃时，不能得到所希望的强度，因此加热温度在550-740℃范围内为宜。
对于转子坯体上相当于高压部或中压部的部分来说，蠕变断裂强度特别重要，因此要在630-740℃的高温下至少进行1次回火，使经过淬火后固溶的沉淀物充分地再析出。另外，对于转子坯体上相当于低压部的部分来说，在较低温度下的抗拉强度和韧性特别重要，因此要在550-630℃的较低加热温度下至少进行1次回火，使之兼有所希望有抗拉强度和良好的韧性。
形成上述涡轮转子坯体的工艺，最好是采用电渣重熔法制造上述涡轮转子的钢锭。
以汽轮机用转子为代表的大型坯料，在凝固成钢锭时，容易产生添加元素的偏析和凝固组织不均匀，特别是为了提高材料性能而添加各种元素时，钢锭中心部位的偏析倾向增大，结果使得转子坯体中心部分的延性和韧性降低。如果采用电渣重熔法制造构成涡轮转子坯体的钢锭，可以得到更均匀、洁净的钢锭。除此之外，还可以采用真空碳脱氧等方法。
发明的实施方案
下面说明本发明的高韧性耐热钢、涡轮转子及其制造方法的具体实施方案。
[第1实施方案]
实施例1-44
作为本发明钢的实施例1-44，按表1所示的本发明范围内的化学成分(试料M1-M44)制备试料。其中，试料M1-M30不含W和Mo,M31-M40含有W,M41-M44含有W和Mo。【表1】
  试№                                               化学成分(重量％)
C Si Mn Cr Mo V Ni Nb N B W Co Fe
实施例1  M 1   0.12  0.05   0.07  11.65   1.61  0.21  2.63  0.06  0.022  0.006   -     - 余量
实施例2  M 2   0.15  0.08   0.18  10.92   1.39  0.20  2.46  1.10  0.025  0.007   -     - 余量
实施例3  M 3   0.08  0.15   0.10  10.23   1.76  0.19  2.72  0.07  0.027  0.008   -     - 余量
实施例4  M 4   0.21  0.06   0.08  11.95   1.80  0.25  2.35  0.09  0.025  0.005   -     - 余量
实施例5  M 5   0.06  0.10   0.20  10.88   1.53  0.17  2.52  0.05  0.022  0.007   -     - 余量
实施例6  M 6   0.27  0.12   0.15  11.02   1.65  0.21  2.81  0.08  0.030  0.008   -     - 余量
实施例7  M 7   0.14  0.08   0.22  9.90   1.78  0.22  2.27  0.08  0.022  0.008   -     - 余量
实施例8  M 8   0.16  0.09   0.11  12.40   1.72  0.25  2.50  0.07  0.023  0.006   -     - 余量
实施例9  M 9   0.12  0.11   0.09  8.80   1.66  0.19  2.48  0.07  0.029  0.009   -     - 余量
实施例10  M10   0.12  0.09   0.13  13.20   1.27  0.20  2.87  0.12  0.031  0.005   -     - 余量
实施例11  M11   0.15  0.09   0.14  11.87   0.80  0.26  2.60  0.08  0.025  0.010   -     - 余量
实施例12  M12   0.13  0.15   0.30  10.59   2.30  0.22  2.38  0.07  0.022  0.006   -     - 余量
实施例13  M13   0.13  0.11   0.09  10.98   0.60  0.20  2.57  0.09  0.032  0.006   -     - 余量
实施例14  M14   0.18  0.10   0.15  11.45   2.70  0.17  2.59  0.08  0.028  0.009   -     - 余量
实施例15  M15   0.13  0.14   0.18  11.54   1.59  0.13  2.47  0.10  0.024  0.008   -     - 余量
实施例16  M16   0.14  0.12   0.13  11.84   1.65  0.33  2.70  0.09  0.025  0.008   -     - 余量
实施例17  M17   0.15  0.09   0.09  11.75   1.69  0.45  2.58  0.07  0.027  0.009   -     - 余量
实施例18  M18   0.14  0.11   0.26  10.08   1.48  0.18  1.80  0.05  0.021  0.006   -     - 余量
实施例19  M19   0.17  0.16   0.11  11.83   1.79  0.22  3.50  0.08  0.024  0.007   -     - 余量
实施例20  M20   0.15  0.08   0.08  11.69   1.68  0.20  4.40  0.06  0.030  0.011   -     - 余量
实施例21  M21   0.13  0.12   0.27  10.36   1.64  0.21  2.80  0.02  0.025  0.006   -     - 余量
实施例22  M22   0.14  0.09   0.12  10.74   1.72  0.22  2.49  0.23  0.026  0.007   -     - 余量
实施例23  M23   0.14  0.11   0.15  11.38   1.56  0.27  2.66  0.36  0.030  0.006   -     - 余量
实施例24  M24   0.16  0.09   0.09  11.77   1.80  0.26  2.53  0.10  0.016  0.008   -     - 余量
实施例25  M25   0.12  0.14   0.18  11.84   1.90  0.24  2.43  0.09  0.045  0.007   -     - 余量
实施例26  M26   0.11  0.10   0.15  11.61   1.75  0.21  2.70  0.07  0.070  0.008   -     - 余量
实施例27  M27   0.15  0.08   0.10  10.69   1.43  0.24  2.55  0.07  0.030  0.004   -     - 余量
实施例28  M28   0.12  0.13   0.12  11.51   1.70  0.23  2.68  0.08  0.027  0.014   -     - 余量
实施例29  M29   0.14  0.13   0.21  11.74   1.80  1.21  2.22  0.08  0.024  0.002   -     - 余量
实施例30  M30   0.14  0.09   0.16  11.05   1.48  0.19  2.88  0.06  0.028  0.019   -     - 余量
实施例31  M31   0.13  0.05   0.09  11.63   0.68  0.21  2.58  0.06  0.021  0.006  1.81     - 余量
实施例32  M32   0.14  0.08   0.17  10.88   1.06  0.20  2.43  0.09  0.026  00.08  1.17     - 余量
实施例33  M33   0.10  0.10   0.26  11.17   1.11  0.26  2.63  0.07  0.029  0.008  0.70     - 余量
实施例34  M34   0.14  0.10   0.13  11.67   0.56  0.18  2.51  0.07  0.022  0.007  2.84     - 余量
实施例35  M35   0.15  0.09   0.09  11.73   1.10  0.19  2.56  0.10  0.030  0.009  0.42     - 余量
实施例36  M36   0.14  0.08   0.14  11.45   0.70  0.22  2.49  0.09  0.025  0.007  3.99     - 余量
实施例37  M37   0.12  0.13   0.22  10.15   0.30  0.26  2.31  0.08  0.025  0.007  2.04     - 余量
实施例38  M38   0.13  0.08   0.23  10.78   1.40  0.21  2.60  0.08  0.023  0.010  1.36     - 余量
实施例39  M39   0.16  0.12   0.13  11.43   0.10  0.22  2.71  0.05  0.022  0.007  2.31     - 余量
实施例40  M40   0.14  0.09   0.15  11.70   1.80  0.21  2.66  0.06  0.028  0.006  1.25     - 余量
实施例41  M41   0.14  0.10   0.09  11.56   0.73  0.20  2.53  0.05  0.025  0.007  1.87   3.03 余量
实施例42  M42   0.15  0.12   0.10  11.38   0.58  0.25  2.79  0.07  0.028  0.009  1.75   2.10 余量
实施例43  M43   0.12  0.11   0.14  10.62   0.98  0.24  2.37  0.07  0.031  0.008  1.38   0.90 余量
实施例44  M44   0.12  0.07   0.18  11.07   0.83  0.24  2.49  0.06  0.024  0.007  1.65   4.20 余量
使用真空高频感应电炉熔炼表1所示实施例1-44的各试料50kg，铸造后加热至1200℃进行锻压，延伸锻造成直径60mm的圆棒。然后按表2所示的热处理条件HM1、即在1030℃下对该圆棒进行淬火，接着在630℃回火1次，进行调质热处理。
【表2】
 No.                               热处理条件
        淬火                      回火
       第1次        第2次
HM 1  1030℃×5小时→油冷 630℃×20小时→空冷          -
HM 2  1030℃×5小时→油冷 630℃×20小时→空冷 475℃×5小时→空冷
HM 3  1000℃×5小时→油冷 630℃×20小时→空冷          -
HM 4  1070℃×5小时→油冷 630℃×20小时→空冷          -
HM 5  1030℃×5小时→油冷 600℃×20小时→空冷          -
HM 6  1030℃×5小时→油冷 660℃×20小时→空冷          -
HM 7  1000℃×5小时→油冷 600℃×20小时→空冷          -
HM 8  1070℃×5小时→油冷 660℃×20小时→空冷          -
HM 9  1000℃×5小时→油冷 600℃×20小时→空冷 475℃×5小时→空冷
HM10  1070℃×5小时→油冷 660℃×20小时→空冷 475℃×5小时→空冷
HS 1  970℃×5小时→空冷 680℃×20小时→空冷          -
HS 2  830℃×5小时→空冷 610℃×20小时→空冷          -
HS 3  1050℃×5小时→油冷 570℃×5小时→空冷 660℃×20小时→空冷
HS 4  930℃×5小时→油冷 630℃×20小时→空冷          -
HS 5  1140℃×5小时→油冷 630℃×20小时→空冷          -
HS 6  1030℃×5小时→油冷 530℃×20小时→空冷          -
HS 7  1030℃×5小时→油冷 760℃×20小时→空冷          -
由所得到的圆棒试料上切取试片，在室温下进行拉伸试验、夏氏冲击试验和蠕变断裂试验。通过拉伸试验测定试料的抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率，抗拉强度和屈服强度越大，拉伸强度越好，延伸率和断面收缩率越大，延性越好。
通过夏式冲击试验测定试料的冲击值和FATT等，冲击值越大或FATT值越小，说明韧性越好。冲击值是表示在室温(20℃)下对试样施加冲击力时断裂的难易程度，即表示韧性的温度变量，FATT是根据冲击试片的断面比率求出的延性-脆性转变温度，即在冲击值较大的高温区观察到的延性断面和在冲击值较小的低温区观察到的脆性断面混合存在的中间温度区域内、两种断面的面积比例为50％-50％的温度。
通过蠕变断裂试验求出试料的蠕变断裂强度。蠕变断裂强度是与蠕变断裂时间对应的特性，蠕变断裂时间越长，说明蠕变断裂强度越高。将用多个试片得到的蠕变断裂试验结果(试验温度、试验应力、试验时间)用Larson-Miller参数进行处理，可以求出在任意温度(580℃等)下的蠕变断裂强度(105小时断裂强度等)。
表3中示出上述各材料试验所得到的抗拉强度、0.02％屈服强度、延伸率、断面收缩率、FATT、580℃的105小时断裂强度的测定结果。【表3】
试料№ 热处理№                    抗拉试验 冲击试验  蠕变断裂试验
抗拉强度(MPa) 0.02％屈服强度(MPa) 延伸率(％) 面缩率(％)    FATT(℃) 580℃、105h断裂强度(MPa)
实施例1  M1  HM1  1022     758     22     64     -32     127
实施例2  M2  HM1  1030     760     23     64     -37     132
实施例3  M3  HM1  1006     726     23     65     -23     120
实施例4  M4  HM1  1035     762     23     63     -35     103
实施例5  M5  HM1  993     721     24     64     -25     115
实施例6  M6  HM1  971     714     25     66     -29     97
实施例7  M7  HM1  1018     755     21     62     -34     126
实施例8  M8  HM1  1027     757     21     60     -30     124
实施例9  M9  HM1  1020     748     22     63     -35     121
实施例10  M10  HM1  1032     760     21     63     -27     116
实施例11  M11  HM1  1016     744     22     61     -33     120
实施例12  M12  HM1  1028     757     21     61     -29     132
实施例13  M13  HM1  1019     744     23     64     -37     109
实施例14  M14  HM1  1027     759     20     60     -24     133
实施例15  M15  HM1  1009     728     22     63     -38     119
实施例16  M16  HM1  1027     750     21     61     -30     127
实施例17  M17  HM1  1030     748     20     63     -25     125
实施例18  M18  HM1  997     730     23     65     -24     130
实施例19  M19  HM1  1024     749     21     63     -36     121
实施例20  M20  HM1  1023     754     22     60     -39     112
实施例21  M21  HM1  1020     757     22     62     -35     106
实施例22  M22  HM1  1026     760     22     63     -30     130
实施例23  M23  HM1  1018     750     18     56     -25     126
实施例24  M24  HM1  989     723     24     65     -34     117
实施例25  M25  HM1  1030     755     20     63     -29     125
实施例26  M26  HM1  1034     760     18     58     -23     129
实施例27  M27  HM1  1027     754     21     63     -38     120
实施例28  M28  HM1  1025     755     21     60     -31     128
实施例29  M29  HM1  1030     760     22     61     -37     109
实施例30  M30  HM1  1025     749     18     57     -24     127
实施例31  M31  HM1  1025     758     22     63     -30     161
实施例32  M32  HM1  1037     764     20     61     -24     155
实施例33  M33  HM1  1030     760     21     60     -29     149
实施例34  M34  HM1  1033     763     22     64     -25     154
实施例35  M35  HM1  1025     759     21     64     -31     140
实施例36  M36  HM1  1039     766     21     62     -23     157
实施例37  M37  HM1  1026     755     23     65     -28     138
实施例38  M38  HM1  1035     764     21     63     -24     156
实施例39  M39  HM1  1024     756     24     65     -29     135
实施例40  M40  HM1  1034     768     20     61     -24     162
实施例41  M41  HM1  1059     794     21     63     -29     184
实施例42  M42  HM1  1051     790     21     64     -24     180
实施例43  M43  HM1  1042     781     20     63     -27     179
实施例44  M44  HM1  1080     809     20     60     -24     182
为了进行比较，对以往在涡轮转子中实际使用过的现有技术钢也进行了同样的材料试验。作为现有技术钢，制备表4所示化学成分(试料№S1-S3)为代表的3种试料，即高温涡轮转子用的CrMoV钢(ASTM-A470)(以下简称“以往例1”)、低温涡轮转子用的NiCrMoV钢(ASTM-A471)(以下简称“以往例2”)、高温涡轮转子用的12Cr钢(特公昭60-54385)(以下简称“以往例3”)。【表4】
试№                                                   化学成分(wt％)     备注
   C    Si    Mn    Cr    Mo    V    Ni    Nb     N     B     W    Fe
以往例1  S 1  0.29   0.07   0.77   1.10   1.15   0.22   0.34     -     -     -     - 余量   CrMoV钢
以往例2  S 2  0.24   0.08   0.23   1.84   0.39   0.12   3.56     -     -     -     - 余量  NiCrMoV钢
以往例3  S 3  0.14   0.03   0.59   10.03   0.99   0.18   0.68   0.05   0.048     -   1.02 余量    12Cr钢
比较例1  S 4  0.04   0.08   0.18   10.83   1.39   0.20   2.46   0.10   0.025   0.007     - 余量       -
比较例2  S 5  0.33   0.12   0.15   11.38   1.65   0.21   2.81   0.08   0.030   0.008     - 余量       -
比较例3  S 6  0.12   0.09   0.13   7.57   1.66   0.19   2.48   0.07   0.029   0.009     - 余量       -
比较例4  S 7  0.14   0.08   0.22   13.48   1.72   0.25   2.50   0.07   0.023   0.006     - 余量       -
比较例5  S 8  0.13   0.15   0.30   10.59   0.36   0.26   2.60   0.08   0.025   0.010     - 余量       -
比较例6  S 9  0.13   0.11   0.09   10.98   3.29   0.17   2.59   0.08   0.028   0.009     - 余量       -
比较例7  S10  0.15   0.09   0.09   11.75   1.69   0.07   2.47   0.10   0.024   0.008     - 余量       -
比较例8  S11  0.13   0.11   0.19   11.27   1.46   0.60   2.70   0.09   0.025   0.008     - 余量       -
比较例9  S12  0.12   0.08   0.12   11.41   1.57   0.19   1.24   0.05   0.030   0.007     - 余量       -
比较例10  S13  0.14   0.11   0.26   10.08   1.48   0.18   5.26   0.06   0.030   0.011     - 余量       -
比较例11  S14  0.14   0.09   0.12   10.74   1.72   0.22   2.49   0.008   0.025   0.006     - 余量       -
比较例12  S15  0.17   0.14   0.17   10.52   1.58   0.24   2.79   0.68   0.030   0.006     - 余量       -
比较例13  S16  0.15   0.08   0.10   11.38   1.66   0.21   2.50   0.12   0.008   0.010     - 余量       -
比较例14  S17  0.11   0.10   0.15   11.61   1.75   0.21   2.70   0.07   0.110   0.070     - 余量       -
比较例15  S18  0.12   0.13   0.12   11.51   1.48   0.19   2.88   0.06   0.028   0.0007     - 余量       -
比较例16  S19  0.12   0.13   0.10   10.69   1.43   0.24   2.22   0.08   0.024   0.024     - 余量       -
比较例17  S20  0.14   0.08   0.17   10.88   1.06   0.19   2.56   0.10   0.030   0.009   0.019 余量       -
比较例18  S21  0.14   0.08   0.14   11.45   0.70   0.22   2.63   0.07   0.029   0.008   5.53 余量       -
比较例19  S22  0.13   0.08   0.23   10.78   0.06   0.21   2.66   0.06   0.028   0.006   1.25 余量       -
比较例20  S23  0.14   0.09   0.15   11.70   5.71   0.26   2.31   0.08   0.025   0.007   2.04 余量       -
使用表4所示的3种以往的钢，按表2所示的热处理条件HS1-HS3制备试料，进行与上述同样的材料试验，结果示于表5中。
【表5】
试料№ 热处理№                  拉伸试验   冲击试验  蠕变断裂试验
抗拉强度(MPa) 0.02％屈服强度(MPa) 延伸率(％)  面缩率(％)    FATT(℃)  580℃、105h断裂强度(MPa)
以往例1  S 1 HS1  835     602     19     56     104     90
以往例2  S 2 HS2  906     693     24     61     -26     21
以往例3  S 3 HS3  938     716     22     58     58     177
比较例1  S 4 HM1  767     534     28     72     -45     45
比较例2  S 5 HM1  1078     798     14     44     -16     78
比较例3  S 6 HM1  976     688     20     60     -30     84
比较例4  S 7 HM1  1019     713     22     64     -3     82
比较例5  S 8 HM1  945     665     24     64     -25     76
比较例6  S 9 HM1  1027     760     19     56     34     136
比较例7  S10 HM1  968     671     23     65     -27     80
比较例8  S11 HM1  1039     775     21     61     23     103
比较例9  S12 HM1  923     704     22     58     49     149
比较例10  S13 HM1  1054     764     20     57     -35     82
比较例11  S14 HM1  1003     697     22     64     -24     69
比较例12  S15 HM1  1063     771     13     32     75     125
比较例13  S16 HM1  759     515     26     73     -50     67
比较例14  S17 HM1  1046     748     12     39     86     86
比较例15  S18 HM1  1025     760     21     60     -36     80
比较例16  S19 HM1  1036     763     20     57     74     141
比较例17  S20 HM1  956     722     22     58     -22     80
比较例18  S21 HM1  1031     790     19     53     41     129
比较例19  S22 HM1  951     731     22     60     -19     78
比较例20  S23 HM1  1027     784     20     57     54     132
将3种以往钢的性能进行比较可以看出，以往例1的抗拉强度和韧性最差，以往例2的韧性最好，以往例3的抗拉强度和蠕变断裂强度最好。
将本发明钢的性能与上述以往钢进行比较，结果，实施例1-44的抗拉强度和0.02％屈服强度均比以往例1-3高，本发明钢的抗拉强度和蠕变断裂强度优于3种以往的钢。至于延伸率和断面收缩率，实施例1-44显示出与以往例1-3大体相同的值，证实具有足够的延性。
关于FATT，实施例1-44全都显示出与以往钢中韧性最好的以往例2同等或稍低的值，证实本发明钢具有非常好的韧性。
关于蠕变断裂强度，实施例1-44全都比以往例1高，其中一部分显示出与以往钢中蠕变断裂强度最好的以往例3大致相同的水平，证实本发明钢具有非常好的蠕变断裂强度。
由以上所述表明，本发明钢的抗拉强度和韧性比以往汽轮机中使用的钢要好，此外蠕变断裂强度与以往钢中性能最好的12Cr钢大致相同或接近，是两种性能俱佳的高韧性耐热钢。
比较例1-20
作为比较钢，按上面表4所示，按照各种元素中有1种超出本发明范围的上限或下限(试料S4-S23)和上述热处理条件HM1制备比较例1-20，进行与上述同样的试验。
结果如表5所示，与上述本发明钢相比，比较钢的抗拉强度、韧性和蠕变断裂强度全都不如本发明钢，有些蠕变断裂强度低(比较例1-5、7、10、11、13-15、17、19)，有些韧性较低(比较例6、8、9、12、14、16、18、20)，有些抗拉强度较低(比较例1、13)。
作为其它的比较钢，在含Co的场合也得到了与上述相同的结果，即抗拉强度、韧性和蠕变断裂强度全都没有显示出良好的性能。
[第2实施方案]
本实施方案是关于使用高韧性耐热钢的涡轮转子等的制造方法，主要是通过试验具体地调查热处理条件的影响。
实施例45
采用热处理条件HM1对不含W和Co的试料M1进行与上述相同的试验。结果如表6所示，抗拉强度、韧性、蠕变断裂强度全都很好。
因此，按照本实施例可以得到具有适合于高低压一体型涡轮转子用坯料的性能、即低压部具有良好的抗拉强度和韧性、高压部具有良好的蠕变断裂强度的高韧性耐热钢。【表6】
试料№ 热处理№                   抗拉试验 冲击试  蠕变断裂试
抗拉强(MPa) 0.02％屈(MPa) 延伸率(％)  面缩率(％)    FATT(℃)  580℃、105h断裂强度
实施例45  M 1 HM1  1022     758     22     64     -32     127
实施例46  M 1 HM2  1023     801     21     63     -35     128
实施例47  M 1 HM3  1007     734     22     63     -56     98
实施例48  M 1 HM4  1046     772     20     60      9     140
实施例49  M 1 HM5  1115     832     20     61     -27     123
实施例50  M 1 HM6  984     720     21     64     -34     132
实施例51  M 1 HM7  1114     835     20     60     -50     89
实施例52  M 1 HM8  981     723     21     63     -9     147
实施例53  M 1 HM9  1119     886     20     59     -51     88
实施例54  M 1 HM10  979     756     22     62     -6     148
实施例55  M 1 HS4  773     525     26     73     10     67
实施例56  M 1 HS5  1037     771     13     36     24     134
实施例57  M 1 HS6  1298     896     12     34     68     131
实施例58  M 1 HS7  883     621     25     70     -28     78
实施例59  M31 HM1  1025     758     22     63     -30     161
实施例60  M31 HM2  1024     803     21     63     -29     159
实施例61  M31 HM3  1010     732     22     61     -54     128
实施例62  M31 HM4  1051     750     20     61      3     178
实施例63  M31 HM5  1120     835     19     58     -25     156
实施例64  M31 HM6  991     721     20     62     -33     164
实施例65  M31 HM7  1126     842     21     64     -49     190
实施例66  M31 HM8  982     719     20     60     -5     91
实施例67  M31 HM9  1130     892     22     63     -52     189
实施例68  M31 HM10  986     745     19     58     -10     87
实施例69  M31 HS4  756     507     28     78     15     59
实施例70  M31 HS5  1030     811     12     37     33     162
实施例71  M31 HS6  1316     907     12     31     83     166
实施例72  M31 HS7  859     606     22     67     -26     75
实施例73  M41 HM1  1059     794     21     63     -29     184
实施例74  M41 HM2  1054     860     20     64     -27     181
实施例75  M41 HM3  1057     799     21     61     -52     146
实施例76  M41 HM4  1064     803     21     59     11     197
实施例77  M41 HM5  1136     859     20     58     -24     176
实施例78  M41 HM6  1003     736     22     62     -33     188
实施例79  M41 HM7  1138     857     21     60     -49     137
实施例80  M41 HM8  1006     736     20     59      5     211
实施例81  M41 HM9  1140     940     20     60     -50     132
实施例82  M41 HM10  1001     762     21     58     10     208
实施例83  M41 HS4  746     509     29     74     14     65
实施例84  M41 HS5  1067     803     12     36     38     193
实施例85  M41 HS6  1348     993     10     31     80     185
实施例86  M41 HS7  894     637     23     66     -31     82
实施例46
实施例46采用热处理条件HM2，即在上述HM1基础上、在475℃进行第2次回火，其它与上述相同。结果如表6所示，与采用HM1的实施例45相比，0.02％屈服强度大为提高，FATT和蠕变断裂强度基本上没有改变。
因此，按照本实施例，通过进行第2次回火，可以进一步提高抗拉强度，例如用于制造转子材料时，可以更有效地发挥作用。
实施例47
采用热处理条件HM3，即淬火温度为1000℃，其它与HM1相同。结果如表6所示，与采用HM1的实施例45相比，虽然蠕变断裂强度有些降低，但抗拉强度和0.02％屈服强度基本不变，FATT大大降低。
因此，按照本实施例，通过在950℃-1030℃的较低加热温度下进行淬火，可以得到具有适合于高低压一体型汽轮机转子坯体的低压部的性能、即具有更好的韧性的高韧性耐热钢。
实施例48
采用热处理条件HM4，即淬火温度为1070℃，其它与HM1相同。结果如表6所示，与采用HM1的实施例45相比，虽然FATT升高，但抗拉强度和0.02％屈服强度基本不变，蠕变断裂强度提高。
因此，按照本实施例，通过在1030℃-1120℃的较高加热温度下进行淬火，可以得到具有适合于高低压一体型汽轮机转子坯体的高压部或中压部的性能、即具有更好的蠕变断裂性能的的高韧性耐热钢。
实施例49
采用热处理条件HM5，即回火温度为600℃，其它与HM1相同。结果如表6所示，与采用HM1的实施例45相比，蠕变断裂强度稍微降低，FATT略有提高，抗拉强度和0.02％屈服强度大大提高。
因此，按照本实施例，通过在550℃-630℃的较低加热温度下进行回火，可以得到具有适合于高低压一体型汽轮机转子坯体的低压部的性能、即具有更好的抗拉强度的的高韧性耐热钢。
实施例50
采用热处理条件HM6，即回火温度为680℃，其它与HM1相同。结果如表6所示，与采用HM1的实施例45相比，抗拉强度和0.02％屈服强度降低，FATT略有降低，蠕变断裂强度提高。
因此，按照本实施例，通过在630℃-740℃的较高加热温度下进行回火，可以得到具有适合于高低压一体型汽轮机转子坯体的高压部或中压部的性能、即具有良好蠕变断裂强度的的高韧性耐热钢。
实施例51
采用热处理条件HM7，即淬火温度为1000℃，回火温度为600℃，其它与HM1相同。结果如表6所示，与采用HM1的实施例45相比，虽然蠕变断裂强度降低，但FATT大大降低，抗拉强度和0.02％屈服强度大大提高。
因此，按照本实施例，通过在950℃-1030℃的较低温度下进行淬火，再在550℃-630℃的较低加热温度下进行回火，可以得到具有适合于高低压一体型汽轮机转子坯体的低压部的性能、即具有更好的抗拉强度和韧性的高韧性耐热钢。
实施例52
采用热处理条件HM8，即淬火温度为1070℃，回火温度为680℃，其它与HM1相同。结果如表6所示，与采用HM1的实施例45相比，虽然抗拉强度和0.02％屈服强度降低，FATT有所上升，但蠕变断裂强度大大提高。
因此，按照本实施例，通过在1030℃-1120℃的较高温度下进行淬火，再在630℃-740℃的较高加热温度下进行回火，可以得到具有适合于高低压一体型汽轮机转子坯体的低压部的性能、即具有更好的的蠕变断裂强度的高韧性耐热钢。
实施例53
采用热处理条件HM9，即在上述HM7的基础上、在475℃下进行第2次回火。结果如表6所示，与采用HM7的实施例51相比，0.02％屈服强度大大提高，FATT和蠕变断裂强度基本不变。
因此，按照本实施例，通过在950℃-1030℃的较低温度下进行淬火，在550℃-630℃的较低加热温度下进行回火，并且回火进行2次，可以得到具有适合于高低压一体型汽轮机转子坯体的低压部的性能、即同时具有更好的抗拉强度和韧性的高韧性耐热钢。
实施例54
采用热处理条件HM10，即在上述HM8的基础上、在475℃下进行第2次回火。结果如表6所示，与采用HM8的实施例52相比，0.02％屈服强度提高，FATT和蠕变断裂强度基本不变。
因此，按照本实施例，在1030℃-1120℃的较高温度下进行淬火，在630℃-740℃的较高加热温度下进行回火的场合，进行第2次回火，可以得到具有适合于高低压一体型汽轮机转子坯体的高压部的性能、即具有更好的蠕变断裂强度的高韧性耐热钢。
实施例55
采用热处理条件HS4，即淬火温度为930℃，其它与HM1相同。结果如表6所示，与采用HM1的实施例45相比，抗拉强度、韧性和蠕变断裂强度都降低了。
实施例56
采用热处理条件HS5，即淬火温度为1140℃，其它与HM1相同。结果如表6所示，与采用HM1的实施例45相比，韧性和延性降低。
实施例57
采用热处理条件HS6，即回火温度为530℃，其它与HM1相同。结果如表6所示，与采用HM1的实施例45相比，特别是韧性和延性降低。
实施例58
采用热处理条件HS7，即回火温度为760℃，其它与HM1相同。结果如表6所示，与采用HM1的实施例45相比，特别是抗拉强度和蠕变断裂强度降低。
实施例59-72
对于含有W的试料M31，分别采用与上述相同的热处理条件HM1-HM10、HS4-HS7。结果如表6所示，得到与试料M1的场合大致相同的结果。
实施例73-86
对于含有W和Co的试料M41，分别采用与上述相同的热处理条件HM1-HM10、HS4-HS7。结果如表6所示，得到与试料M1的场合大致相同的结果。
[第3实施方案]
本实施方案是改变构成涡轮转子坯体的钢锭的制造方法的实施方案。
实施例87
采用表7中所示的本发明范围内的化学成分条件(试料E1)制备试料，用电炉熔化后，浇铸到电渣重熔的电极用铸模中，以该铸锭作为消耗电极，使用电渣重熔法制成钢锭，将其加热到1200℃进行锻压，得到相当于转子部分的模型(φ1000mm×800mm)。在1030℃下对该模型进行淬火，然后在630℃的加热温度下回火。【表7】
№                                                  化  学  成  分(wt％)
   C    Si    Mn    Cr    Mo    V    Ni    Nb    N    B    W    Co    Fe
实施例87  E1   0.13   0.06   0.09  11.63   1.65   0.20   2.70   0.05   0.024  0.007     -     - 余量
实施例88  E2   0.14   0.09   0.11  11.49   0.69   0.19   2.53   0.07   0.021  0.008   1.86   3.01 余量
实施例89  V1   0.13   0.07   0.08  11.70   1.63   0.21   2.68   0.06   0.023  0.008     -     - 余量
实施例90  V2   0.14   0.08   0.13  11.51   0.72   0.20   2.52   0.07   0.021  0.008   1.83   2.99 余量
从所得到的试料的表层部和中心部切取试片，与上述同样进行室温拉伸试验、夏式冲击试验和蠕变断裂试验，测定抗拉强度、0.02％屈服强度、延伸率、断面收缩率、FATT、580℃的105小时断裂强度。
结果如表8中所示，就抗拉强度、0.02％屈服强度、延伸率、断面收缩率、FATT、蠕变断裂强度而言，表层部位与中心部位显示出大体相同的值。【表8】
 制造条件     热处理条件 试验部位                     拉伸试验 冲击试验     蠕变断裂试验
抗拉强度(MPa) 0.02％屈服强度(MPa) 延伸率(％) 面缩率(％)    FATT(℃) 580℃、105小时断裂强度(MPa)
实施例87 电渣重熔法 淬火：1030℃×20h→油冷回火：630℃×30h→空冷 表层部 1029     752     22     65     -34     129
中心部 1035     761     21     64     -37     126
实施例88 电渣重熔法 淬火：1030℃×20h→油冷回火：630℃×30h→空冷 表层部 1054     789     20     62     -30     182
中心部 1061     796     21     60     -37     176
实施例89 真空碳脱氧 淬火：1030℃×20h→油冷回火：630℃×30h→空冷 表层部 1027     750     23     63     -31     127
中心部 1032     758     20     59     -27     123
实施例90 真空碳脱氧 淬火：1030℃×20h→油冷回火：630℃×30h→空冷 表层部 1058     790     22     62     -29     179
中心部 1064     795     17     53     -18     170
因此，按照本发明，采用电渣重熔法制造使用高韧性耐热钢的涡轮转子坯体的钢锭，可以得到表层部位与中心部位的抗拉强度、延性、韧性、蠕变断裂强度基本上没的差别的、均质转子坯体。
实施例88
如表7所示，采用含有W和Co的化学成分条件(试料E2)，其它与实施例87相同。按照本实施例，如表8所示可以得到与上述相同的结果，在含有较多合金元素的情况下，其效果特别显著。
实施例89
如表7所示，按照与实施例87中使用的试料E1大致相同的成分条件(试料V1)制备试料，用电炉熔化，然后用真空碳脱氧法制造钢锭，加热至1200℃进行锻压，制造相当于转子部分的模型(φ1000mm×800mm)，与上述同样进行热处理，对所得试料进行与述相同的试验。
结果如表8所示，抗拉强度、0.02％屈服强度和蠕变断裂强度在表层部位和中心部位大致相同，延伸率和断面收缩率在中心部位偏低，FATT在中心部位偏高。
实施例90
如表7所示，采用与实施例88中使用的试料E2大体相同的成分条件(试料V2)，其它与实施例89相同，按照本实施例可以得到与上述同样的结果，特别是在添加更多金多元素的情况下，这种倾向特别明显。
如上所述，采用本发明可以提供在高温蒸汽条件下具有高的蠕变断裂强度、同时在较低温蒸汽条件下具有高的抗拉强度和韧性的高韧性耐热钢。使用该高韧性耐热钢构成涡轮转子、特别是高低压一体型涡轮转子，可以在高温蒸汽环境下使用，同时可以安装大尺寸的低压最终极叶片，可以制成以往不能实现的、使用高低压一体型涡轮的大容量·高效率发电设备，在工业生产上获得有益的效果。

Claims (8)

1．高韧性耐热钢，其特征是，含有(重量比)C:0.05％以上、0.30％以下、Si:0％以上、0.20％以下、Mn:0％以上、1.0％以下、Cr:8.0％以上、14.0％以下、Mo:0.5％以上、3.0％以下、V:0.10％以上、0.50％以下、Ni:1.5％以上、5.0％以下、Nb:0.01％以上、0.50％以下、N:0.01％以上、0.08％以下、B:0.001％以上、0.020％以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成。
2．高韧性耐热钢，其特征是，含有(重量比)C:0.05％以上、0.30％以下、Si:0％以上、0.20％以下、Mn:0％以上、1.0％以下、Cr:8.0％以上、14.0％以下、Mo:0.1％以上、2.0％以下、W:0.3％以上、5.0％以下、V:0.10％以上、0.50％以下、Ni:1.5％以上、5.0％以下、Nb:0.01％以上、0.50％以下、N:0.01％以上、0.08％以下、B:0.001％以上、0.020％以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成。
3．权利要求1或2所述的高韧性耐热钢，其特征是，还含有Co:0.5％以上、6.0％以下。
4．涡轮转子，其特征是，它是用权利要求1-3中任一项所述的高韧性耐热钢构成。
5．涡轮转子的制造方法，其特征是，按照权利要求1-3中任一项所述的化学成分制备原材料，用该材料形成涡轮转子坯体，在950℃-1120℃的加热温度条件下对该涡轮转子坯体进行淬火，然后采用550℃-740℃的加热温度条件对上述涡轮转子坯体至少进行1次回火。
6．权利要求5所述的涡轮转子的制造方法，其特征是，淬火处理的加热温度条件是，相当于上述涡轮转子坯体的高压部或中压部的部分为1030℃以上、1120℃以下，相当于上述涡轮转子坯体的低压部的部分为950℃以上、1030℃以下。
7．权利要求5或6所述的涡轮转子的制造方法，其特征是，回火处理的加热条件是，相当于上述涡轮转子坯体的高压部或中压部的部分为550℃以上、630℃以下，相当于上述涡轮转子坯体的低压部的部分为630℃以上、740℃以下。
8．权利要求5-7中任一项所述的涡轮转子制造方法，其特征是，形成上述涡轮转子坯体的工序是，采用电渣重熔法制造上述涡轮转子坯体的钢锭。
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