專利名稱：耐蠕變的可馬氏體硬化的調(diào)質(zhì)鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有高氮含量的可馬氏體硬化的鋼，其特征在于具有非常好的性能組合，特別是高耐蠕變性和好的延性。
背景技術(shù)：
基于9-12％的鉻的可馬氏體硬化的鋼是發(fā)電廠工業(yè)中廣泛應(yīng)用的材料。已知的是，以上述范圍添加鉻不僅可以達(dá)到好的抗大氣腐蝕性，而且可以實(shí)現(xiàn)厚壁鍛造件的完全硬化(這些鍛造件例如存在于燃?xì)鉁u輪機(jī)和蒸汽渦輪機(jī)中作為整體轉(zhuǎn)子或者作為轉(zhuǎn)子盤(Rotorscheibe))。已經(jīng)證實(shí)這類合金含有通常大約0.08-0.2％的碳是合適的，這使得能夠在溶體(Lsung)中形成硬質(zhì)馬氏體結(jié)構(gòu)。通過回火處理使得能夠達(dá)到馬氏體鋼的耐熱性和延性的優(yōu)良組合，在回火處理中通過在使得位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)復(fù)位的情況下同時(shí)沉積碳化物形式的碳，形成使顆粒穩(wěn)定的亞晶粒結(jié)構(gòu)。可以通過選擇和定量調(diào)節(jié)特定碳化物形成劑而有效影響回火性和由此導(dǎo)致的性能，所述碳形成劑比如是Mo、W、V、Nb和Ta。
9-12％鉻鋼的超過850MPa的強(qiáng)度可以通過保持在通常為600-650℃的低回火溫度下實(shí)現(xiàn)。但是使用該低回火溫度會(huì)導(dǎo)致從脆性狀態(tài)到延性狀態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度過高(超過0℃)，由此使得該材料在室溫下表現(xiàn)出脆性斷裂行為。當(dāng)將調(diào)質(zhì)處理強(qiáng)度降低到低于700MPa時(shí)，能夠達(dá)到顯著改善的延性。這通過將回火溫度提高到超過700℃達(dá)到。此外，使用升高的回火溫度具有下面優(yōu)點(diǎn)，即所調(diào)節(jié)的調(diào)質(zhì)狀態(tài)在高溫下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定。在蒸氣發(fā)電廠、特別時(shí)作為轉(zhuǎn)子鋼中廣泛應(yīng)用的典型的代表物是在DIN下已知的德國(guó)鋼X20CrMoV12.1。
此外還已知，可以通過添加合金元素鎳顯著改善在850MPa強(qiáng)度水平下的延性。同樣已知的是，通過添加大約2-3％的合金元素鎳，即使在600-650℃的溫度下回火處理后，從脆性到延性狀態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度仍然為低于0℃，由此能夠?qū)崿F(xiàn)在強(qiáng)度和延性的總體上的顯著改善的結(jié)合。因此，這些合金在既在強(qiáng)度方面又在延性方面提出顯著更高要求的領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，典型地用作燃?xì)鉁u輪機(jī)轉(zhuǎn)子的盤材料。這種合金的典型代表物(其已經(jīng)廣泛用作燃?xì)鉁u輪機(jī)技術(shù)，特別是用于轉(zhuǎn)子盤的材料)是在DIN下已知的德國(guó)鋼X12CrNiMo12。
在過去一段時(shí)間內(nèi)，為改善這種鋼的特定性能進(jìn)行了各方面努力。例如在Kern等人的公開文獻(xiàn)中High Temperature ForgedComponents for Advanced Steam Power Plants，Matertials forAdvanced Power Engineering 1998，Proceedings of the 6thLiègeConference，J.Lecomte-Becker等人編輯，其中記載了用于蒸汽渦輪機(jī)應(yīng)用的定子鋼的最新發(fā)展。在這類合金中，Cr、Mo、W的含量考慮到大約0.03-0.07％的N、0.03-0.07％的Nb和/或50-100ppm的B進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以改善在600℃應(yīng)用情況下的耐蠕變性和持久強(qiáng)度。
另一方面，特別是為了用于燃?xì)鉁u輪進(jìn)行回火處理，以在高延性水平條件下改善在450-500℃范圍的持久強(qiáng)度，或者降低在425-500℃溫度之間的脆化趨勢(shì)。在歐洲專利申請(qǐng)EP 0931 845 A1中記載了結(jié)構(gòu)與德國(guó)鋼X12CrNiMo12類似的含鎳的12％鉻鋼，其中與已知的X12CrNiMo12鋼相比降低了元素鉬的含量，而增加了合金元素鎢的含量。在DE 19832430 A1中公開了被稱為M152的與X12CrNiMo12相同類型的鋼的另一優(yōu)化方式，其中通過添加稀土元素抑制在425-500℃溫度范圍內(nèi)的脆化趨勢(shì)。
隨著鋼的發(fā)展，為了在具有高延性的同時(shí)改善耐熱性，人們推薦具有更高氮含量的可行措施。在EP 0866145A2中記載了一種具有0.12-0.25％的氮含量的新型馬氏體鉻鋼。在這種鋼種情況下，總的調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)可以通過形成特殊氮化物，特別是氮化釩來調(diào)節(jié)，其可以通過鍛造處理、通過奧氏體化、通過受控冷卻處理或者通過回火處理以多種方式分布。盡管通過氮化物的硬化作用達(dá)到了強(qiáng)度，但是在該專利申請(qǐng)中通過氮化物的分布和形貌，尤其是通過在鍛造期間和固溶退火處理期間限制晶粒變粗而爭(zhēng)取達(dá)到高的延性。這在該公開文獻(xiàn)中通過提高難溶氮化物的體積含量和通過難熔氮化物的高抗顆粒變粗性達(dá)到，以致氮化物的致密分散體即使在1150-1200℃的奧氏體化溫度下仍能有效抑制晶粒生長(zhǎng)。在EP 0866145 A2中提出的合金的主要益處在于，提供了僅僅通過由適當(dāng)限定熱處理以調(diào)節(jié)氮化物在分布和形貌方面的結(jié)構(gòu)最優(yōu)化來影響強(qiáng)度和延性的結(jié)合。
但是，氮化物的優(yōu)化結(jié)構(gòu)狀態(tài)僅僅是達(dá)到最大延性的一個(gè)因素。期望通過可溶替代元素(例如鎳和錳)的作用來達(dá)到其它影響因子。從碳鋼中已知錳這種元素往往具有變脆性質(zhì)而不是促進(jìn)延性的性質(zhì)。特別是合金在在350-500℃溫度下長(zhǎng)時(shí)間退火時(shí)，其起到脆化作用。此外還已知鎳在碳鋼中改善延性，但是在高溫下往往降低耐熱性。其還與含鎳鋼中的碳化物穩(wěn)定性降低相關(guān)。
由EP 11587067A1中已知具有下面化學(xué)組成(以重量％給出)的可馬氏體硬化的調(diào)質(zhì)鋼9-12 Cr、0.001-0.25 Mn、2-7 Ni、0.001-8 Co、W和Mo的至少之一，其總量為0.5-4、0.5-0.8，Nb、Ta、Zr、Hf的至少之一，其總量為0.001-0.1，0.001-0.05 Ti、0.001-0.15 Si、0.01-0.1 C、0.12-0.18 N、最多0.025 P、最多0.015 S、最多0.01 Al、最多0.0012 Sb、最多0.007 Sn、最多0.012 As，余量的Fe和常見雜質(zhì)，和條件是釩和氮的重量比V/N為3.5-4.2。這種合金的特點(diǎn)是在室溫下的缺口沖擊功(Kerbschlagarbeit)和550℃下的耐熱性的非常好結(jié)合，特別是在較高Cr含量條件下。通過相對(duì)高的N含量增加了持久強(qiáng)度。V和N在上述范圍內(nèi)以接近化學(xué)計(jì)量比例存在。由此可以達(dá)到氮化釩的溶解性和對(duì)氮化釩變粗的抗性的最優(yōu)化。為了將盡可能多的沉積硬化的氮化釩引入到溶體中，需要高的溶解性，而為了能夠達(dá)到在EP 1158067 A1中記載的熱處理中盡可能細(xì)碎的結(jié)構(gòu)，需要高的防止氮化物變粗的抗性。
已經(jīng)知道，在具有大約12％的鉻的和高含量N的鋼中，在大約425-500℃溫度范圍內(nèi)不利地沉積出α’Cr相，這導(dǎo)致鋼的脆化。盡管這種沉積提高了強(qiáng)度性質(zhì)，但是降低了延性、缺口沖擊韌性和耐腐蝕性方面的值。因此，這種鋼僅能受限制地用于壓縮機(jī)或者發(fā)電廠領(lǐng)域的渦輪機(jī)。在這類鋼中形成VN增強(qiáng)了α’Cr相沉積的趨勢(shì)和由此導(dǎo)致在所述溫度范圍內(nèi)變脆。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于下面的任務(wù)，即提出一種在350-500℃溫度范圍內(nèi)具有高延性和在直至550℃溫度范圍內(nèi)具有好的耐蠕變性的可馬氏體硬化的調(diào)質(zhì)鋼。
本發(fā)明的核心在于具有下面組成(以重量％給出)的可馬氏體硬化的調(diào)質(zhì)鋼8.5-9.5 Cr，0.15-0.25 Mn，2-2.7 Ni，0.5-2.5 Mo，0.4-0.8 V，0.02-0.04 Nb、0.001-0.15 Si，0.06-0.1 C，0.11-0.15 N，最多0.007 P，最多0.005 S，最多0.01 Al，余量為鐵和常見雜質(zhì)，條件是釩對(duì)氮的重量比V/N為4.3-5.5。
本發(fā)明的組成的各合金元素的優(yōu)選范圍包含在從屬權(quán)利要求中。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，在所述合金條件下提供調(diào)質(zhì)組織，其特點(diǎn)在于韌性的基質(zhì)和存在帶來耐熱性的氮化物，其中同時(shí)抑制了在350-500℃范圍內(nèi)的脆化趨勢(shì)。基質(zhì)的韌性通過存在替代元素(優(yōu)選通過鎳)來提供。調(diào)節(jié)替代元素的含量，使得其既能實(shí)現(xiàn)馬氏體硬化又能通過特殊氮化物，優(yōu)選氮化釩，實(shí)現(xiàn)顆粒硬化，從而使得能夠?qū)崿F(xiàn)在好的延性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的抗蠕變性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的鋼在350-500℃溫度范圍內(nèi)由于沉積出α’Cr相引起的脆化趨勢(shì)通過低Cr含量和中等的N含量得到抑制。
在下文中各種元素的重量百分比的優(yōu)選量以及選擇根據(jù)本發(fā)明的合金范圍的原因結(jié)合由此可得的熱處理的可能性進(jìn)行闡述。
鉻8.5-9.5％ Cr的重量含量使得能夠達(dá)到可接受的完全硬化的厚壁結(jié)構(gòu)和確保在直至550℃溫度的足夠的抗氧化性。低于8.5％的重量含量損害了完全調(diào)質(zhì)性。超過9.5％的含量導(dǎo)致在回火過程期間加速α’Cr相的形成，而這導(dǎo)致材料脆化。
錳和硅這些元素促使回火脆化和因此必須將其限制在極低量?？紤]到鋼水桶冶煉的可能性，應(yīng)當(dāng)將其限定在0.015-0.25％錳和0.001-0.15％硅的特定范圍內(nèi)。
鎳鎳用作奧氏體穩(wěn)定化元素用于抑制δ-鐵氧體。此外，據(jù)稱其可以用作鐵氧體基質(zhì)中的溶解元素改善延性。2-2.7重量％的鎳含量是最佳的，因?yàn)橐环矫骀嚲鶆蛉芙庠诨|(zhì)中，另一方面在經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的馬氏體不再含有高含量的殘余奧氏體或者回火奧氏體。
鉬該元素通過作為部分溶解元素的混晶硬化和通過在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力期間的沉積硬化改善了耐蠕變性。通常，這種元素的高含量會(huì)導(dǎo)致在長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效硬化時(shí)脆化，這是由ε-相的沉積和變粗引起的。因此，必須將Mo最高含量限制在2.5％。優(yōu)選范圍為大約1.4-1.6％。
釩和氮這兩種元素一起決定性控制了晶粒尺寸構(gòu)造和沉積硬化。如果以稍微化學(xué)計(jì)量過量的V/N比添加合金元素釩和氮，組織結(jié)構(gòu)形式得以最優(yōu)化。稍微化學(xué)計(jì)量過量的比提高了氮化釩對(duì)相對(duì)于氮化鉻的穩(wěn)定性。特別優(yōu)選的是V/N比為4.3-5.5。氮和氮化釩的具體含量取決于氮化釩的最佳體積含量，其應(yīng)當(dāng)在溶體退火(Lsungsglühung)期間保持不溶的初級(jí)氮化物。釩和氮的總含量越高，不能進(jìn)入溶體中的氮化釩的份額就越大，晶粒變細(xì)效果就越大。但是晶粒變細(xì)對(duì)延性的積極影響是受限制的，因?yàn)殡S著初級(jí)氮化物的體積含量增加，初級(jí)氮化物本身限制延性。因?yàn)閂N也往往增加脆性α’Cr相的形成，氮的優(yōu)選含量應(yīng)當(dāng)為0.11-0.12重量％和釩的優(yōu)選含量應(yīng)當(dāng)為0.5-0.6重量％。0.11-0.15重量％的N和0.4-0.8重量％的V也是可以考慮的。
鈮除釩之外還有鈮是在特殊氮化物形成劑中優(yōu)選的元素。優(yōu)選范圍為0.02-0.04重量％。當(dāng)以少量添加時(shí)，通過部分替代V增加了在溶體退火時(shí)的抗顆粒變粗性質(zhì)和提高了在初始的和沉積出的V8N，C)-氮化物的穩(wěn)定性。
磷和硫這些元素和硅和錳一起在350-500℃范圍增強(qiáng)了長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效硬化時(shí)的回火脆化。因此應(yīng)當(dāng)將這些元素限制到最小可熔融含量。
鋁該元素是強(qiáng)烈的氮化物形成劑，其甚至與已經(jīng)在溶體中的氮鍵合，因此強(qiáng)烈損害添加的合金元素氮的有效性。在溶體中形成的氮化鋁非常粗并且降低延性。因此必須將鋁限制在最多0.01％的重量含量。
碳碳在退火時(shí)形成碳化鉻，其對(duì)改善耐蠕變性有利。在過高的碳含量情況下由此所得的碳化物體積含量增加引起延性降低，這尤其通過在長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效硬化時(shí)的碳化物變粗表現(xiàn)出來。因此，碳含量的上限應(yīng)限制在0.1％。不利之處還在于碳增強(qiáng)在焊接時(shí)的表面硬化。特別優(yōu)選的碳含量在0.06-0.08重量％。


在附圖中圖解了本發(fā)明的實(shí)施例。該圖示出了對(duì)于本發(fā)明的合金和現(xiàn)有技術(shù)已知的合金而言，在550℃下達(dá)到1％的蠕變時(shí)應(yīng)變與時(shí)間長(zhǎng)度的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
下面本發(fā)明參照實(shí)施例和圖1進(jìn)行詳細(xì)描述。
表1給出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選合金(DM13)和對(duì)比合金的化學(xué)組成(重量％)

表1化學(xué)組成在感應(yīng)爐中熔融10kg熔體，然后制成尺寸為20mm×80mm的鍛造條鋼。進(jìn)行如下熱處理DM13A-21100℃/3h/快速空氣冷卻(鼓風(fēng)機(jī))+640℃/5h/空氣冷卻St13TNiEL1050-1080℃/＞0.5h/油+630-650℃/＞2h/空氣冷卻合金“D”1180℃/2h/空氣冷卻+640℃/2h/空氣冷卻+600℃/1h/爐冷卻在表2中含有室溫下測(cè)定缺口沖擊能量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)


表2各種經(jīng)不同處理合金的缺口沖擊能量明顯可知的是，在合金“D”情況下在300-500℃范圍內(nèi)對(duì)樣品時(shí)效硬化降低了缺口沖擊能量。這歸因于α’Cr相的沉積。與此相反，在本發(fā)明合金DM13A-2情況下降低了這種相沉積的趨勢(shì)，因此也表現(xiàn)出在該溫度范圍內(nèi)脆化降低。
在室溫下和在550℃下對(duì)經(jīng)上述熱處理的樣品(起始狀態(tài))進(jìn)行拉伸試驗(yàn)得到了表3所含結(jié)果

本發(fā)明的合金的特點(diǎn)在于在550℃下的高耐熱性和高的延性和好的E模量。
在唯一附圖中示出了對(duì)于合金DM13A-2和St13TNiEL而言，在550℃下達(dá)到1％的蠕變時(shí)應(yīng)變與時(shí)間長(zhǎng)度的關(guān)系。本發(fā)明的合金的優(yōu)點(diǎn)在長(zhǎng)時(shí)效硬化時(shí)顯示出來。
理所當(dāng)然地，本發(fā)明不受限與上述實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種可馬氏體硬化的調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于具有下述化學(xué)組成(以重量％給出)8.5-9.5的Cr、0.15-0.25的Mn、2-2.7的Ni、0.5-2.5的Mo、0.4-0.8的V、0.001-0.15的Si、0.06-0.1的C、0.11-0.15的N、0.2-0.4的Nb、最多0.007的P、最多0.005的S、最多0.01的Al，余量為鐵和常見雜質(zhì)，前提是釩對(duì)氮的重量比V/N為4.3-5.5。
2.權(quán)利要求1的可馬氏體硬化的調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于8.5-9重量％的Cr。
3.權(quán)利要求1的可馬氏體硬化的調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于0.2重量％的Mn。
4.權(quán)利要求1的可馬氏體硬化的調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于2.3-2.6重量％的Ni。
5.權(quán)利要求1的可馬氏體硬化的調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于1.4-1.6重量％的Mo。
6.權(quán)利要求1的可馬氏體硬化的調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于0.5-0.6重量％的V。
7.權(quán)利要求1的可馬氏體硬化的調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于0.11-0.12重量％的N。
8.權(quán)利要求1的可馬氏體硬化的調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于0.06-0.08重量％的C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有下列組成(以重量％給出)的可馬氏體硬化的調(diào)質(zhì)鋼8.5－9.5 Cr，0.15－0.25 Mn，2－2.7 Ni，0.5－2.5 Mo，0.4－0.8 V，0.001－0.15 Si，0.06－0.1 C，0.11－0.15 N，0.2－0.4 Nb，最多0.007 P，最多0.005 S，最多0.01 Al，余量為鐵和常見雜質(zhì)，條件是釩對(duì)氮的重量比V/N為4.3－5.5。其特點(diǎn)在于在具有高延性的同時(shí)具有好的耐蠕變性。
文檔編號(hào)C22C38/26GK101048525SQ200580037271
公開日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者M·Y·納茲米, M·斯托布利, A·孔茲勒 申請(qǐng)人:阿爾斯托姆科技有限公司