CN105886949A

CN105886949A - 一种高性能耐热钢、其制备方法及其应用

Info

Publication number: CN105886949A
Application number: CN201610232172.0A
Authority: CN
Inventors: 廖云虎; 雷德江; 黄志永; 丁勇; 刘永新; 高刚毅
Original assignee: SICHUAN LIUHE FORGING Co Ltd
Current assignee: SICHUAN LIUHE FORGING Co Ltd
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2016-08-24

Abstract

本发明公开了一种高性能耐热钢，属于高温合金材料技术领域，其化学组成，按重量百分比计为：C 0.03～0.05％；Cr 14.0～16.0％；Mo 0.60～1.00％；Ni 6.20～6.80％；Cu 1.35～1.75％；Mn 0.30～0.80％；Nb 0.24～0.75％；Si 0.20～0.50％，余量为Fe，还公开了上述材料的制备方法和应用；本发明的高性能耐热钢具有优异的耐高温性能和力学性能，室温(25℃)其力学性能为：室温拉伸试验抗拉强度R_m≥1245Mpa；屈服强度R_P0.2≥1030N/mm²；伸长率A≥13.5％；断面收缩率Z≥58％；冲击功AKv≥94J；硬度HB≥393。

Description

一种高性能耐热钢、其制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及合金材料，尤其涉及一种高性能耐热钢、其制备方法及其应用。

背景技术

材料学核心是合金化基本原理，这是材料强韧化矛盾的主要因素。也就是说，在钢材领域，强度和韧性往往是不可调和的矛盾，如果强度足够高，那么相应的韧性就得不到保障，相反亦是如此。

但是，在某些特殊的领域，比如航空发动机压气机叶片，既要求高强度又要求高韧性。现有技术报道了很多可用于压气机的材料，这些材料进气端到高压端，材料的总类依次可以为：铝合金、沉淀硬化不锈钢、钛合金，到高温合金，后面几级的压气机叶片，由于工作温度太高，钛合金的抗氧化能力和阻燃性能已经不能胜任，高温合金叶片就变成了唯一选择，现有的沉淀硬化不锈钢更是不能胜任。

提供一种兼具强度和韧性的高性能耐热钢，是本领域急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一，就在于提供一种高性能耐热钢，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种高性能耐热钢，其特征在于：其化学组成，按重量百分比计为：

C 0.03～0.05％

Cr 14.00～16.00％

Mo 0.60～1.00％

Ni 6.20～6.80％

Cu 1.35～1.75％

Mn 0.30～0.80％

Nb 0.24～0.75％

Si 0.20～0.50％，

余量为Fe。

作为优选的技术方案：所述材料中，所含的杂质，按质量百分比计：

P≤0.020％ S≤0.005％

N≤0.030％ V≤0.100％。

其中，S(硫)是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性；

P(磷)能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温下更为严重，这种现象叫作冷脆性.在优质钢中，硫和磷要严格控制.但从另方面看，在低碳钢中含有较高的硫和磷，能使其切削易断，对改善钢的可切削性是有利的；

V(钒)；能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度，韧性和耐磨性.当它在高温熔入奥氏体时，可增加钢的淬透性；反之，当它在碳化物形态存在时，就会降低它的淬透性；

N(氮)：在液态的金属中，在高温时可以溶解大量的氮气，而在钢凝固的过程中由于氮的溶解度下降，过饱和的氮气需要以气泡的形式从液态金属中逸出，但是当液态金属的结晶速度大于气泡的逸出速度时。就会形成气孔，在铁液中含氮量超过0.01％时。就易形成气孔，而气孔是裂纹的起裂源，由于气孔会导致应力的集中及承载能力的下降；

在高温下，钢种溶解大量的氮气，在冷却的过程中，有的氮和钢种合金元素形成的粗大氮化物，在钢中的晶界或晶内上析出，而导致这种钢的热稳定性变差而变脆。如以Fe4N的形式析出,分布在晶界和晶内。引起金属的脆化，其脆化作用随氮含量的增加而增加，特别对低温韧性的影响。而且会引起时效脆化。

本发明的目的之二，在于提供一种上述高性能耐热钢的制备方法：包括以下步骤：

(1)按组分比例称量原料，然后进行初炼，熔炼温度1580～1620℃，得到钢水；这个过程中，优选调节主要元素(C、Mn、Si、Nb暂时不调整)的含量；

(2)将步骤(1)所得的钢水进行精炼，浇注成自耗电极；优选精炼完成后调整各元素的含量，使其重量比符合设计要求，控制杂质元素的含量尽量低

(3)将步骤(2)所得的自耗电极进行重熔精炼，制成电渣钢锭；该过程中电渣渣系优选：CaF₂:Al₂O₃:CaO:MgO＝60:25:10:5(质量比)；

(4)将步骤(3)所得的电渣钢锭加热后锻造成钢棒；优选采用2000T压机。

(5)将步骤(4)所得钢棒锻后进行退火热处理，步骤及工艺参数如下：

将钢棒加热至607～635℃，保温6～30小时后炉冷至500℃出炉空冷，然后进行表面处理，即得。

作为优选的技术方案：步骤(1)中，初炼时在非真空感应炉中进行。

作为优选的技术方案：步骤(2)在AOD精炼炉中进行。

本发明的目的之三，在于提供一种上述高性能耐热钢的应用，将所述高性能耐热钢用于压气机叶片

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的高性能耐热钢具有优异的耐高温性能和力学性能，室温(25℃)其力学性能为：室温拉伸试验抗拉强度R_m≥1245Mpa；屈服强度R_P0.2≥1030N/mm²；伸长率A≥13.5％；断面收缩率Z≥58％；冲击功AKv≥94J；硬度HB≥393。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1-5：

采用不同含量的元素，制得合金材料，一共采用了5种不同的配方，各元素的组成见表1，表1中，均为质量百分含量值。

表1实施例1-5中各种元素的组成

制备方法：

(1)按照表1取所需化学元素，在非真空感应炉冶炼，熔炼过程中调节化学元素的含量，使其重量百分比如表1：

并控制杂质元素的含量尽量低，经过AOD精炼后浇注成自耗电极；

(2)将自耗电极于电渣炉中重熔精炼，进一步降低杂质元素的含量，使其符合下述要求：

S≤0.005(重量百分比) P≤0.020(重量百分比)

N≤0.030(重量百分比) V≤0.10(重量百分比)

取样分析各组分含量合格后，制成电渣钢锭；

(3)将电渣钢锭加热后运用2000T压机锻造成钢棒；

(4)钢棒锻后进行退火热处理，步骤及工艺参数如下：

将钢棒加热至621±14℃，保温6～30小时后炉冷至500℃出炉空冷。

(5)钢棒表面处理，对成品钢棒进行表面车光处理，消除表面缺陷并使钢棒尺寸、形状、表面质量满足设计要求，制得成品钢棒；

(6)在成品钢棒上取样检验力学性能，进行室温拉伸试验；

实施例6

材料性能测试

在成品钢棒上取样检验力学性能，进行对应的力学性能试验；

试样热处理步骤及工艺参数如下：

1)、Nb/C＝13～15

固溶处理：1038±5℃ 时间40～180分钟冷却方式：油冷或者冷速与油冷相当的介质冷却；

时效处理：515±5℃ 时间8～10小时冷却方式：空冷。

2)、Nb/C＝9～12

时效处理：500±5℃ 时间8～10小时冷却方式：空冷。

将实施例1-5所制得的成品钢棒进行性能测试

经室温拉伸试验，结果表明其力学性能完全达到设计要求，试验结果如下：

室温拉伸：

700℃/600Mpa条件下的性能数据：

从上述结果可以看出，本材料制造的压气机叶片，能够满足压气机高温使用条件的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高性能耐热钢，其特征在于：其化学组成，按重量百分比计为：

C 0.03～0.05％

Cr 14.00～16.00％

Mo 0.60～1.00％

Ni 6.20～6.80％

Cu 1.35～1.75％

Mn 0.30～0.80％

Nb 0.24～0.75％

Si 0.20～0.50％，

余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的高性能耐热钢，其特征在于：所述材料中，所含的杂质，按质量百分比计：

P≤0.020％ S≤0.005％

N≤0.030％ V≤0.100％。

3.权利要求1或2所述的高性能耐热钢，其特征在于：包括以下步骤：

(1)按组分比例称量原料，然后进行初炼，熔炼温度1580～1620℃，得到钢水；

(2)将步骤(1)所得的钢水进行精炼，浇注成自耗电极；

(3)将步骤(2)所得的自耗电极进行重熔精炼，制成电渣钢锭；

(4)将步骤(3)所得的电渣钢锭加热后锻造成钢棒；

4.根据权利要求3所述的高性能耐热钢的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，初炼时在非真空感应炉中进行。

5.根据权利要求3所述的高性能耐热钢的制备方法，其特征在于：步骤(2)在AOD精炼炉中进行。

6.权利要求1或2所述的高性能耐热钢的应用，其特征在于，将所述高性能耐热钢用于压气机叶片。