CN102864379A

CN102864379A - Fe-Cr-Co-W-Mo马氏体耐热钢及其制造方法

Info

Publication number: CN102864379A
Application number: CN2012103782177A
Authority: CN
Inventors: 惠希东; 王树申; 常丽
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-10-08
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-10-08
Also published as: CN102864379B

Abstract

Fe-Cr-Co-W-Mo马氏体耐热钢及其制造方法，其化学组成以重量百分比为：C0.08~0.12,Cr11.0~16.0,Co3.5~10.0,W2.0~5.5,Mo0.3~1.5,V0.1~0.5,Nb0.03~0.15,Cu0.5~1.5,Si≤1.0,Mn≤1.0,N0.04~0.06,B0.002~0.004,余量为Fe和不可避免的杂质。工艺参数为：钢锭开坯温度1150℃，终锻温度≥950℃，开轧温度1150℃，终轧温度≥950℃，正火温度750℃~790℃。本发明优点在于在高温燃气和蒸汽腐蚀环境中具有优异的高温强度和抗氧化性能。

Description

Fe-Cr-Co-W-Mo马氏体耐热钢及其制造方法

技术领域

本发明属于耐热合金技术领域，提供了一种在高温燃气和蒸汽腐蚀环境中具有优异高温强度和抗氧化性能的Fe-Cr-Co-W-Mo马氏体耐热钢。

背景技术

多年来，冶金和电力行业一直致力于新型耐热钢的研究开发，其中Cr含量为9wt%~12wt%的马氏体耐热钢因具有良好的高温抗蠕变断裂能力、抗高温氧化性、抗腐蚀能力以及低的热膨胀系数、高的热导率和相对较低的成本等，填补了低合金钢和奥氏体钢的空白，而成为耐热钢领域的一个重要研发对象。9wt%~12wt%马氏体耐热钢的发展主要沿着以下两个方向，一是将耐热合金元素Cr的含量逐渐从9wt%提高到13wt%以保证材料高温强度的进一步提高，同时提高材料的抗氧化性；二是添加V、Nb、W、Mo、Co等合金元素，以提高钢的高温性能，同时提高基体组织以及第二相的稳定性。

常见的9wt%~12wt%Cr马氏体耐热钢有ASME T/P92(化学成分以重量百分比wt%计为C0.07~0.13,Si≤0.50,Mn 0.30~0.60,P≤0.02,S≤0.01,Cr 8.50~9.50,Mo 0.30~0.60,V 0.15~0.25,Nb 0.04~0.09,N 0.030~0.070,Ni≤0.40,Al≤0.040,B 0.001~0.006,W 1.50~2.00,Fe余量)和ASME T/P122(化学成分以重量百分比wt%计为C 0.07~0.14,Si ≤0.50,Mn ≤0.70,P≤0.02,S≤0.01,Cr 10.00~12.50,Mo 0.25~0.60,V 0.15~0.30,Nb 0.04~0.10,N 0.04~0.10,Ni ≤0.50,Al≤0.04,B 0.0005~0.005,W 1.50~2.50,Cu 0.30~1.70,Fe余量)等，其中T/P92主要应用于625℃以下的高温环境，而T/P122虽然能满足650℃下抗氧化性要求，但由于T/P122钢中铁素体形成元素含量高，钢的基体组织中易含有部分δ铁素体，影响了T/P122钢的性能和高温组织稳定性。因此，研发具有优异高温强度、优越的抗氧化性能和抗腐蚀性能的新型9wt%~12wt%Cr钢是极其必要的。℃

耐热钢中常见的合金元素有C、Cr、Mo、W、Si、Mn、Ni、Co、Cu、Fe、Nb、V、Al、Ti、B、N等。其中Cr是典型的铁素体形成元素，是耐热钢中抗高温氧化和抗高温腐蚀的主要元素；W、Mo也是铁素体形成元素，一般认为，高铬马氏体耐热钢中添加W能提高其蠕变强度，而Mo能够增加钢的淬透性、降低钢的热脆倾向。Co是一种奥氏体形成元素，该元素加入到耐热钢中，抑制了δ铁素体的形成，提高合金的高温强度和耐高温腐蚀性能，但是前期对该方面研究重视不够，还没有关于Fe-Cr-Co-W-Mo耐热钢方面研究的报道。此外，Co加入到耐热钢中，打破了传统耐热钢T/P92和T/P122的相平衡规律，必须重新调整耐热钢中Cr、W和Mo等元素的比例。基于上述情况，我们对Cr含量超过11wt%的耐热钢进行了***研究，发明了一种Fe-Cr-Co-W-Mo马氏体耐热钢及其制造方法。

发明内容

本发明的目的在于通过提高Cr元素的含量，加入一定的Co并调整W和Mo等元素的含量，获得了一种高温强度和抗高温氧化性能等均十分优异的Fe-Cr-Co-W-Mo马氏体耐热钢。

为达到上述目的，本发明中的Fe-Cr-Co-W-Mo马氏体耐热钢主要由C、Cr、Co、W、Mo、V、Nb、Cu、Si、Mn、N、Fe元素组成，其化学成分以重量百分比(wt%)计为：C 0.08~0.12,Cr 11.0~16.0,Co 3.5~10.0,W 2.0~5.5,Mo 0.3~1.5,V 0.1~0.5,Nb 0.03~0.15,Cu 0.5~1.5,Si≤1.0,Mn≤1.0,N 0.04~0.06,B 0.002~0.004,余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明中的Fe-Cr-Co-W-Mo马氏体耐热钢的制造方法如下：将原料按照配比加入真空感应熔炼炉中，将其冶炼成钢水并浇铸成锭；将所得钢锭锻造成方坯，之后在1150℃开坯，去氧化层，去冒口，热锻成截面尺寸为60×100mm的方坯，终锻温度≥950℃；将所得方坯加热到1150℃开轧，进行多道次热轧，厚度尺寸按照从60mm到45mm,到30mm，到22mm，最后轧制成15mm的板材，终轧温度须大于950℃以防止材料开裂。

将钢板进行热处理，热处理制度为：将终轧板材加热到1030℃~1070℃，保温30~60分钟后空冷或者油冷，然后加热到750℃~790℃，保温1.5~3小时后，空冷至室温。

本发明的效果是：

由于Cr含量的增加，其抗氧化性和耐腐蚀性显著提高；同时由于W含量的增加，马氏体耐热钢的高温蠕变强度也有所提高；此外由于增加了一定含量的Co，而Co为奥氏体元素，能中和因铁素体元素增加而易形成δ-铁素体的倾向，从而进一步提高其高温强度和抗蠕变性能。另外W、Co具有固溶强化等作用，能提高钢的热强性。

附图说明

图1本发明实施例2-1中耐热钢室温拉伸状态下的真应力应变曲线。

图2本发明实施例2-1中耐热钢650℃空气气氛中的氧化动力学曲线。

图3本发明实施例2-1中耐热钢1050℃正火、780℃回火后的组织形貌。

图4本发明实施例2-1中耐热钢室温拉伸断口形貌。

图5本发明实施例2-1中耐热钢在650℃空气气氛中氧化1000h后的氧化膜表面形貌

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明进行较为详细的说明，但这些实施例仅为示例性的，对本发明不构成任何限制。

取所需原料，在真空熔炼炉中熔炼，调节各元素的含量使其重量百分比如表1，并控制杂质元素的含量尽量低。

表1本发明实施例的化学成分/wt%

实施例1~3的制造工艺及相应实施例的力学性能见表2。

表2本发明实施例的制造工艺

为了更具体地说明本发明耐热钢的组织及性能，现以实施例2-1为例详细阐述。

表3为实施例1-1中耐热钢的室温力学性能实验结果。可知，该耐热钢的抗拉强度和屈服强度均远远高于ASME-SA-213T92和ASME-SA-213T122的强度要求。图1为热处理后该耐热钢室温拉伸的真应力应变曲线。

表3本发明实施例2-1中耐热钢的室温力学性能

表4为实施例2-1中耐热钢的高温拉伸状态下的力学性能。随着拉伸温度从550℃提高到650℃，抗拉强度、屈服强度均不断降低，其中抗拉强度下降速率较屈服强度略快，而断后伸长率则缓慢增加，说明该耐热钢的高温强度随着温度的升高有所下降。

表4本发明实施例2-1中耐热钢的高温力学性能

图2为实施例2-1中耐热钢在空气气氛中650℃氧化动力学曲线，该温度下氧化动力学基本符合抛物线规律，即初始阶段氧化速度较低，从50小时到200小时，随着氧化时间的延长氧化速率快速增大。此后，氧化速率不断降低，1200h后，氧化增重已经很小，说明该耐热钢在650℃具有较好的抗氧化性。

图3为实施例2-1中耐热钢1050℃正火及780℃回火3h空冷后的金相组织，可知正火和回火后得到的是回火马氏体，且回火马氏体的形态为板条状马氏体。

图4为实施例2-1中耐热钢常温拉伸断口微观形貌图，从图中可以看到，断口形貌为微孔聚合断裂，断口出现韧窝状，是典型的韧性断裂，说明该钢的塑性较好。

图5为实施例2-1中耐热钢650℃空气气氛中氧化1000h后氧化膜表面形貌，可见氧化膜发生分层，其中外层为相对较大的片状物而内层为颗粒状物，且颗粒状均匀细小，排列紧密。由X射线衍射分析及微区EDS分析可知，氧化膜主要相为Cr₂O₃、Fe₂O₃及(Fe,Cr)_nO_m复合氧化物。由于试验钢中没有添加Al、Si元素，其抗氧化性主要靠Cr元素，但未见氧化膜发生剥落，且氧化膜较均匀致密，说明该钢的抗高温氧化性能较好。

Claims

1. 一种Fe-Cr-Co-W-Mo马氏体耐热钢，其特征是化学成分以重量百分比计为：C 0.08~0.12, Cr 11.0~16.0, Co 3.5~10.0, W 2.0~5.5, Mo 0.3~1.5, V 0.1~0.5, Nb 0.03~0.15, Cu 0.5~1.5, Si ≤1.0, Mn ≤1.0, N 0.04~0.06, B 0.002~0.004, 余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的Fe-Cr-Co-W-Mo马氏体耐热钢的制造方法，其特征是制造工艺包括如下步骤：将原料按设计好的成分配比加入真空感应熔炼炉中，将其冶炼成钢水并浇铸成锭，所得钢锭在1150℃开坯，去氧化层，去冒口，热锻成截面尺寸为60×100(mm)的方坯，终锻温度≥950℃；所得方坯加热至1150℃开轧，热轧厚度尺寸按照从60 mm到 45 mm, 到30 mm，到22mm，终轧温度≥950℃；轧制后进行热处理，其热处理工艺如下步骤：750℃退火保温1h，炉冷；1030℃~1070℃正火保温30min~60min，空冷或者油冷；750℃~790℃回火保温1.5h~3h，空冷。

3.根据权利要求2所述的一种Fe-Cr-Co-W-Mo马氏体耐热钢的制造方法，其特征在于耐热钢的化学成分以重量百分比计为：C 0.110, Cr 13.0, Co 3.5, W 2.22, Mo 0.55, V 0.25, Nb 0.03, Cu 0.78, Si 0.35, Mn 0.45, N 0.048, B 0.0025, 余量为Fe和不可避免的杂质；其热处理工艺参数为：正火温度为1060℃，正火时间为50min，回火温度为780℃，回火时间为3h；或者正火温度为1070℃，正火时间为30min，回火温度为770℃，回火时间为3h。

4.根据权利要求2所述的一种Fe-Cr-Co-W-Mo马氏体耐热钢的制造方法，其特征在于耐热钢的化学成分以重量百分比计为：C 0.097, Cr 12.5, Co 5.3, W 2.28, Mo 0.56, V 0.22, Nb 0.04, Cu 0.67, Si 0.40, Mn 0.30, N 0.043, B 0.0028, 余量为Fe和不可避免的杂质；其热处理工艺参数为：正火温度为1050℃，正火时间为50min，回火温度为780℃，回火时间为3h；或者正火温度为1060℃，正火时间为30min，回火温度为790℃，回火时间为2.5h。

5.根据权利要求2所述的一种Fe-Cr-Co-W-Mo马氏体耐热钢的制造方法，其特征在于耐热钢的化学成分以重量百分比计为：C 0.090, Cr 13.5, Co 6.5, W 3.18, Mo 0.56, V 0.23, Nb 0.05, Cu 0.83, Si 0.45, Mn 0.40, N 0.051, B 0.0022, 余量为Fe和不可避免的杂质；其热处理工艺参数为：正火温度为1050℃，正火时间为30min，回火温度为790℃，回火时间为3h；或者正火温度为1040℃，正火时间为50min，回火温度为780℃，回火时间为3.5h。