專利名稱：具有由熱處理方法產生的馬氏體顯微組織的耐熱和抗蠕變鋼的制作方法
技術領域：
本發明起源于一種具有由熱處理方法產生的馬氏體顯微組織的耐熱和抗蠕變鋼，該鋼除了含有鐵和約8-13%(重量)的鉻之外，至少還含有硅、錳、鎳、鉬、釩、鈮和鎢。這樣一種鋼可以由鍛造或鑄造或由粉末冶金法生產，而且由于其性能，它可以特別有效地用于制造燃氣和蒸汽運轉的發電站的耐熱和抗蠕變元件，(例如)特別是熱透平機，例如燃氣透平或蒸汽透平或壓氣機或蒸汽發生器以及其他高溫裝置和機械。
特別是在蒸汽透平發展中，通過提高新鮮蒸汽的溫度和壓力來改進效率是主要目標。因此，溫度和壓力從現在的約550℃和240巴的通常值提高到約650℃和300巴就會將蒸汽透平的熱效率改進約10%。連帶的燃料消耗的減少不僅降低電能的生產成本，而且同時顯著減少環境污染。同時，蒸汽透平在高溫和高壓運轉要求在運轉中有高的適應性，例如，特別是短的起動時間和最高負荷操作能力。但是，為此目的，需要一種具有高強度和高延性的鋼。這種鋼應當呈現占優勢的鐵素體和/或馬氏體顯微組織，因為這樣的一種鋼與奧氏體鋼相比，價格低，此外還有較高的導熱性和較低的熱膨脹，這對于蒸汽透平的靈活運轉是特別重要的。
在此本發明涉及現有技術，例如DE3，522，115A的結果。一種由該現有技術已知的馬氏體鋼除鐵以外還含有(以重量百分數表示)C0.05-0.25、Si0.2-1.0、Mn≤1、Ni0.3-2.0、Cr8.0-13、Mo0.5-2.0、V0.1-0.3、Nb0.03-0.3、N0.01-0.2和W1.1-2.0。這種鋼在室溫時具有至少18%的斷裂伸長，并且在最高達600℃的溫度以高的抗蠕變強度而著稱。但是，在600℃和更高溫度時，除了高的抗蠕變強度之外，對所使用的鋼還要求高的組織穩定性、低的脆化傾向以及尤其是高的抗氧化能力。
因此，本發明的一個目的是提供了一種新的耐熱和抗蠕變鋼，該鋼具有由熱處理方法產生的馬氏體顯微組織，而且它以性能而著稱，這些性能使它在熱透平機，例如尤其是在600℃和更高溫度時的蒸汽透平和燃氣透平中成為可認為是非常有前途的。
本發明的鋼呈現一種非常熱穩定的和均勻的顯微組織。因此，本發明的鋼與現有技術的類似合金相比，以顯著改進的抗蠕變強度和特別好的抗氧化能力而著稱。此外，本發明的鋼在室溫時有非常高的強度和韌性。同時，在室溫和Acl溫度之間的高溫時具有意想不到的高屈服點。
本發明鋼的這些預料不到的有益性能首先是基于碳含量保持極低和氮含量保持較高這一事實。
本發明鋼的各個元素的作用如下1.碳(C)在普通鋼中對于淬硬性，碳是決定性的重要合金元素。在退火過程中碳形成碳化物，例如M23C6，這種碳化物通常是抗蠕變所必需的。而相比之下在本發明的鋼中用氮代替了碳。在本發明鋼中形成了熱穩定的氮化物以代替碳化物。為了避免析出碳占優勢的相，碳含量應當低，最多為0.05%(重量)，優選0.001-0.03%(重量)。
2.硅(Si)硅促進δ-鐵素體和拉夫斯相(Laves phase)的形成。此外，硅優先在晶粒間界偏析并降低韌性。因此，硅含量應當低于0.5%(重量)，而優選低于0.2%(重量)。
3.錳(Mn)錳抑制δ-鐵素體的形成，因此應當保持在大于0.05%(重量)的數值。但是，錳也促進拉夫斯相的形成，并且對氧化性能有不利影響。由于這種原因，錳含量不應超過2%(重量)。優選錳含量應當在0.05-1%(重量)之間。
4.鎳(Ni)鎳抑制δ-鐵素體的形成，因此應當保持在高于0.05%(重量)的數值。高鎳含量導致Acl溫度的不能允許的降低，以致不再可能在高溫進行退火處理。由于這種原因，鎳含量應當在0.05-2%(重量)之間，優選在0.3-1%(重量)之間。
5.鉻(Cr)鉻是提高抗氧化能力，即形成耐熱鋼的決定性的成合金元素。為了達到足夠的作用，鉻含量應當至少是8%(重量)。過分高的鉻含量導致δ-鐵素體的形成。因此鉻含量應當在8-13%(重量)之間，優選在8.5-11%(重量)之間。
6.鉬(Mo)鉬促進形成穩定的M6X型氮化物，并因而有助于提高抗蠕變強度。為保證此點，鉬含量應當大于0.05%(重量)。然而，高鉬含量促進形成δ-鐵素體和拉夫斯相。因而，鉬含量應當在0.05-1%(重量)之間，優選在0.05-0.5%(重量)之間。
7.鎢(W)鎢實質上有助于形成穩定的氮化物。此外，鎢促使基體的固溶體硬化。而且，鎢提高氮的溶解性，并因而允許經濟地制造本發明的鋼。因此，鎢含量應當大于1%(重量)。然而，過分高的鎢含量促進形成δ-鐵素體和拉夫斯相。因而，鎢含量應當在1-4%(重量)之間，優選是在1.5-3%(重量)之間。
8.釩(V)在本發明的鋼中，釩是形成穩定的釩氮化物的重要元素。為了達到足夠的硬化作用，釩含量必須大于0.05%(重量)。在高的釩含量時，形成δ-鐵素體的趨向增加。因此，釩含量應適宜在0.05-0.5%(重量)的范圍內，優選在0.15-0.35%(重量)范圍內。
9.鈮(Nb)鈮與氮鍵合而形成鈮氮化物，并因而促使形成精細顯微組織。小部分鈮在硬化退火過程中進入溶體，并在回火處理過程中作為鈮氮化物析出。這種相在很大程度上增進抗蠕變強度。為了保證此點，鈮含量應當大于0.01%(重量)。另一方面，如果鈮含量大于0.2%(重量);則鈮鍵合太多的氮，以致于其他氮化物的析出被過分抑制。因而，鈮含量應當在0.01-0.2%(重量)之間，優選在0.04-0.1%(重量)之間。
10.鈷(Co)鈷提高本發明鋼的抗蠕變強度，因為它有利地影響位錯亞結構的形成，以及因為它防止或至少顯著延遲形成δ-鐵素體和拉夫斯相。為了達到有利的作用，鈷含量應當大于2%(重量)。太高的鈷含量會過分地降低Acl溫度，并顯著地增加鋼的成本。因而鈷含量應當在2.0-6.5%(重量)之間，優選在3.0-5.0%(重量)之間。
11.氮(N)氮和元素V、Nb、Cr、W和Mo形成氮化物，這些氮化物作為沉淀相是非常熱穩定的。此外，氮使本發明鋼中存在的奧氏體穩定化，并因而防止形成δ-鐵素體。氮的這種有利作用是由至少0.1%(重量)的氮含量保證的。大于0.3%(重量)的氮含量不能以廉價的方法引入鋼中。因此，氮含量應當在0.1-0.3%(重量)之間，優選在0.1-0.15%(重量)之間。
在一臺真空熔化爐中在1巴氮氣壓下熔煉約10kg(重量)的本發明鋼A，然后進行均化并鍛造成棒材。在1150℃溶體退火之后，將鋼在流動空氣中冷卻，然后在780℃回火約4小時。從市場上可買到的回火的參比鋼B(按照德國標準牌號X20CrMo V 12 1的鋼)和C(按照日本制造商的牌號的鋼)鍛造成相應尺寸的棒材。鋼A、B和C的化學成分示于下表中。
鋼 A B C(本發明) (X20CrMoV 12 1) (TR 1200)Fe 余量C 0.018 0.23 0.14Si 0.06 0.4 0.05Mn 0.19 0.6 0.44Ni 0.51 0.5 0.53Cr 9.1 11.5 11.6Mo 0.42 1.0 0.12W 2.43 0.1 2.1V 0.21 0.3 0.22Nb 0.06 0.03 0.05Co 4.2 --- ---Cu --- --- ---B --- --- 0.001N 0.12 0.05 0.055從下表中可以得知這些鋼的機械性能及蠕變和氧化試驗的結果。在預應力樣品上測定抗蠕變強度。取在600℃經1000小時之后剛好靜止地被樣品吸收的預應力作為抗蠕變能力的量度。由在650℃在空氣中曝露1000小時的板形樣品的重量變化測定各個合金的抗氧化能力。
鋼 A B CRp0.2拉伸屈服強度[MPa] 797 522 555切口沖擊能Av[J](在室溫) 122 66 141在500℃經1000小時后的抗蠕變強度[MPa] 260 160 190
抗氧化能力(在650℃經1000小時 0.002 0.02 0.016的重量變化[mg/cm2])可以用含量為約0.001-0.03%(重量)的硼實現進一步地提高鋼A和相應的下列成分(重量%)的鋼的抗蠕變強度C0.001-0.05，Si0.05-0.5，Mn0.05-2.0，Ni0.05-2.0，Cr8.0-13.0，Mo0.05-1.0，W1.00-4.0，V0.05-0.5，Nb0.01-0.2，Co2.0-6.5，N0.1-0.3，余量為Fe和不可避免的雜質。
硼在此大概起到晶粒間界硬化劑的作用。此外，在加入硼之后可能會形成硼氮化物。含量低于0.001%(重量)的硼不能起到任何顯著地提高抗蠕變強度的作用，而大于0.03%(重量)的硼含量對鋼的韌性和可焊性有不利的影響。用0.006-0.015%(重量)的硼含量可獲得特別好的抗蠕變強度值。
0.001-2%(重量)的銅含量也有利地影響本發明的鋼，因為銅在基本上不降低Acl溫度的情況下抑制δ-鐵素體的形成。此外，銅改進在焊接縫的熱影響區的機械性能。但是，在銅含量大于2%(重量)時，元素銅在晶粒間界析出。因此，銅含量不應超過2%(重量)。
本發明的鋼呈現基本上無δ-鐵素體的由在熱處理過程中回火的馬氏體組成的顯微組織。這種顯微組織和由此而產生的性能，例如在600℃溫度時的抗蠕變強度和抗氧化能力以及在室溫的強度和韌性，無疑地是用下列條件來保證的即無論何時鋼中存在的元素，即鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)、鈮(Nb)、硅(Si)、鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn)、氮(N)、碳(C)和銅(Cu)，如果存在的話，滿足下面給出的不等式(元素含量以重量百分數表示)(Cr+1.5 Mo+1.5 W+2.3 V+1.75 Nb+0.48 Si-Ni-Co-0.3 Cu-0.1 Mn-18 N-30 C)＜10因此建議，如果必要的話，相應地限制本發明鋼的組成。
如果鋼中存在的元素，即鐵(Fe)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)、鈷(Co)、鎳(Ni)、釩(V)和銅(Cu)，如果存在的話，滿足下面給出的不等式(元素含量以原子百分數表示)(0.858 Fe+1.142 Cr+1.55 Mo+1.655 W+0.777 Co+0.717 Ni+0.615 Cu+1.543 V)＜89.5或者，在一種特別有利的方式中，滿足不等式(0.858 Fe+1.142 Cr+1.55 Mo+1.655 W+0.777 Co+0.717 Ni+0.615 Cu+1.543 V)＜89.0就可以在本發明鋼中避免與因拉夫斯相的形成而引起的降低的抗蠕變能力和脆化有關的顯微組織改變。
顯然，按照上述教導，本發明的許多改良和演變都是可能的。因此應當理解為，除按照本文中具體說明之外，也可以在所附權利要求書范圍內實施本發明。
權利要求
1.一種具有由熱處理方法產生的馬氏體顯微組織的耐熱和抗蠕變鋼，它具有下列成分(以重量百分數表示)C 0.001-0.05，Si 0.05-0.5，Mn 0.05-2.0，Ni 0.05-2.0，Cr 8.0-13.0，Mo 0.05-1.0，W 1.00-4.0，V 0.05-0.5，Nb 0.01-0.2，Co 2.0-6.5，N 0.1-0.3，余量為Fe和不可避免的雜質。
2.一種權利要求1中要求保護的鋼，它具有下列成分(以重量百分數表示)C0.001-0.03，Si0.05-0.5，Mn0.05-2.0，Ni0.05-2.0，Cr8.0-13.0，Mo0.05-1.0，W1.00-4.0，V0.05-0.5，Nb0.01-0.2，Co2.0-6.5，N0.1-0.15，余量為Fe和不可避免的雜質。
3.一種權利要求2中要求保護的鋼，它具有下列成分(以重量百分數表示)C0.001-0.03，Si0.05-0.2，Mn0.05-1.0，Ni0.3-1.0，Cr8.5-11.0，Mo0.05-0.5，W1.5-3.0，V0.15-0.35，Nb0.04-0.1，Co3.0-5.0，N0.1-0.15，余量為Fe和不可避免的雜質。
4.一種權利要求1-3中任一項中要求保護的鋼，它另外具有含量為0.001-2%(重量)的銅。
5.一種權利要求1-4中任一項中要求保護的鋼，它另外具有含量為0.001-0.03%(重量)的硼。
6.一種權利要求5中要求保護的鋼，它含有0.006-0.015%(重量)的硼。
7.一種權利要求1-6中任一項中要求保護的鋼，其中鋼中存在的元素，即鐵(Fe)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)、鈷(Co)、鎳(Ni)、釩(V)和銅(Cu)，如果存在的話，滿足下面所給出的不等式(元素含量以原子百分數表示)(0.858 Fe+1.142 Cr+1.55 Mo+1.655 W+0.777 Co+0.717 Ni+0.615 Cu+1.543 V)＜89.5.
8.一種權利要求3-6中任一項中要求保護的鋼，其中鋼中存在的元素，即鐵(Fe)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)、鈷(Co)、鎳(Ni)、釩(V)和銅(Cu)，如果存在的話，滿足下面所給出的不等式(元素含量以原子百分數表示)(0.858 Fe+1.142 Cr+1.55 Mo+1.655 W+0.777 Co+0.717 Ni+0.615 Cu+1.543 V)＜89.0.
9.一種權利要求1-6中任一項中要求保護的鋼，其中鋼中存在的元素，即鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)、鈮(Nb)、硅(Si)、鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn)、氮(N)、碳(C)和銅(Cu)，如果存在的話，滿足下面所給出的不等式(元素含量以原子百分數表示)(Cr+1.5 Mo+1.5 W+2.3 V+1.75 Nb+0.48 Si-Ni-Co-0.3 Cu-0.1 Mn-18 N-30 C)＜10.
全文摘要
本發明涉及具有由熱處理方法產生的馬氏體顯微組織的耐熱和抗蠕變鋼。該鋼含有如權利要求1中所述含量的成分。這樣的一種鋼可以由鍛造、鑄造或由粉末冶金法生產。由這種鋼制造的元件在室溫顯示高強度和高延性，并且在600℃溫度和更高溫度時以極高的抗蠕變強度和非常高的抗氧化能力而著稱。因此，這種鋼可以有效地用作蒸汽和/或燃氣運轉的發電站中的機械和熱應力高的元件。
文檔編號C22C38/58GK1098444SQ94106160
公開日1995年2月8日 申請日期1994年5月27日 優先權日1993年5月28日
發明者B·施卡林, M·施派德爾, P·烏戈韋澤 申請人:Abb管理有限公司