一種新型稀土改性的9%Cr馬氏體耐熱鑄鋼及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種馬氏體耐熱鑄鋼，具體來(lái)說(shuō)涉及一種新型稀土改性的9%Cr馬氏 體耐熱鑄鋼及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為提高火力發(fā)電站的熱效率，降低燃料消耗和減少二氧化碳的排放，當(dāng)今世界各 國(guó)均爭(zhēng)先發(fā)展超臨界和超超臨界火電機(jī)組。然而，隨著機(jī)組熱效率的提高，超臨界和超超臨 界火電機(jī)組的工作參數(shù)也明顯提高，這對(duì)高溫下使用的耐熱鋼強(qiáng)度、抗腐蝕性和蠕變性能 提出了更高要求。必須采用更耐熱、高強(qiáng)度、高韌性的新型馬氏體耐熱鋼材料來(lái)替代過(guò)去臨 界超臨界用的lCrl2Mo、lCrl2MoV、lCr9MoVNbN等材料，以滿足超超臨界發(fā)電機(jī)用特殊馬氏 體耐熱鋼材料。
[0003] 目前為止，鐵素體、馬氏體耐熱鋼一般是通過(guò)合金成分和熱處理工藝的調(diào)整來(lái)改 變其顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)而達(dá)到提高高溫持久性能的目的。關(guān)于各種合金元素在鐵素體系耐熱 鋼中的作用已有諸多文獻(xiàn)進(jìn)行了報(bào)道，多集中在Nb、Mo、V、W、Ta、B等。稀土元素在鋼中的 作用也有相關(guān)研究，包含各種稀土元素的鋼種也被開(kāi)發(fā)出來(lái)，但目前的研究多集中在某一 單個(gè)稀土元素，作為工業(yè)產(chǎn)品，單一元素的稀土原料往往價(jià)格昂貴，并且難以發(fā)揮協(xié)同優(yōu)勢(shì) 作用。析出強(qiáng)化是9%Cr馬氏體耐熱鋼的主要強(qiáng)化方式之一，馬氏體晶界上析出的仏 3(：6型 碳化物、在晶內(nèi)析出的MX型碳氮化物作為主要的強(qiáng)化第二相，其數(shù)量、密度和尺寸是影響 耐熱鋼性能的重要因素。目前開(kāi)發(fā)的鐵素體系耐熱鋼隨著服役時(shí)間的增加，其中的主要強(qiáng) 化相M 23C6型碳化物尺寸長(zhǎng)大、數(shù)量不夠，強(qiáng)化效果會(huì)明顯降低。因而提高馬氏體鋼中M23C 6 型碳化物的數(shù)量，減小其尺寸成為提高材料熱穩(wěn)定性的途徑之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明正是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，提供一種兼顧耐高溫、耐磨損、抗氧 化和抗沖擊的綜合使用性能，同時(shí)具有較低生產(chǎn)成本的一種新型稀土改性的9%Cr馬氏體 耐熱鑄鋼。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是： 一種新型稀土改性的9%Cr馬氏體耐熱鑄鋼，以重量百分比計(jì)由下列組分組成：C : 0· 08 ?0· 18 ;Si :0· 10 ?0· 30 ;Mn :0· 60 ?1. 20 ;Cr :9. 00 ?9. 70 ;Mo :1. 0 ?2. 0 ;Ni : 0· 10 ?0· 20 ;Co :0· 8 ?1. 30 ;V :0· 15 ?0· 25 ;N :0· 015 ?0· 035 ;Nb :0· 040 ?0· 10 ; B :0· 006 ?0· 016 ;稀土 ：0· 01 ?0· 05 ;P 彡 0· 015 ;S 彡 0· 010 ;Cu 彡 0· 10 ;As 彡 0· 025 ; Sb彡0· 001 ;Sn彡0· 015 ;A1彡0· 020 ;H彡7ppm ;0彡90ppm ;其余為Fe和不可避免的雜 質(zhì),稀土為由Ce、La、Y、Pr、Nd中的兩種或多種組成的混合稀土。
[0006] 上述新型稀土改性的9%Cr馬氏體耐熱鑄鋼作為構(gòu)成元素還可以含有以重量計(jì) 0· 7~1· 5% 的鎢。
[0007] 上述新型稀土改性的9%Cr馬氏體耐熱鑄鋼作為構(gòu)成元素還可以含有以重量計(jì) 0. 04~0. 08% 的鉭。
[0008] 在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述新型稀土改性的9%Cr馬氏體耐熱鑄鋼以重量百 分比計(jì)由下列組分組成：C :0· 11?0· 14 ;Si :0· 20?0· 30 ;Mn :0· 80?L 0 ;Cr :9. 00? 9. 60 ;Mo :1· 40 ?1. 60 ;Ni :0· 10 ?0· 20 ;Co :0· 90 ?I. 10 ;V :0· 18 ?0· 22 ;N :0· 015 ? 0· 030 ;Nb :0· 05 ?0· 07 ; B :0· 008 ?0· 013 ;稀土 ：0· 01 ?0· 05 ;P 彡 0· 015 ;S 彡 0· 010 ; Cu 彡 0· 10 ;As 彡 0· 025 ;Sb 彡 0· 001 ;Sn 彡 0· 015 ;A1 彡 0· 010 ;H 彡 7ppm ;0 彡 90ppm ;其 余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，稀土為由Ce、La、Y、Pr、Nd中的兩種或多種組成的混合稀土。
[0009] 一種新型稀土改性的9%Cr馬氏體耐熱鑄鋼的制造方法，包括以下步驟： 第一步：采用以下化學(xué)成分及配料，以重量百分含量計(jì)（％)，包含：C :0. 08?0. 18 ; Si :0. 10 ?0. 30 ;Mn :0. 60 ?1. 20 ;Cr :9. 00 ?9. 70 ;Mo :1. 0 ?2. 0 ;Ni :0. 10 ?0. 20 ;Co : 0· 8 ?1. 30 ;V :0· 15 ?0· 25 ;N :0· 015 ?0· 035 ;Nb :0· 040 ?0· 10 ;B :0· 006 ?0· 016 ;稀 土 ：0· 01 ?0· 05 ;P 彡 0· 015 ;S 彡 0· 010 ;Cu 彡 0· 10 ;As 彡 0· 025 ;Sb 彡 0· 001 ;Sn 彡 0· 015 ; Al彡0· 020 ;H彡7ppm ;0彡90ppm ;其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，稀土為由Ce、La、Y、Pr、 Nd中的兩種或多種組成的混合稀土，作為構(gòu)成元素還可以含有以重量計(jì)0. 7~1. 5%的鎢，作 為構(gòu)成元素還可以含有以重量計(jì)0. 04~0. 08%的鉭,采用常規(guī)的各種冶煉方式冶煉,保證烙 煉均勻后，澆鑄成所需鑄鋼件。
[0010] 第二步：先對(duì)鑄件加熱到其Ac3溫度以上進(jìn)行較高溫度較長(zhǎng)時(shí)間的均質(zhì)化處理， 其次將其再次加熱到Ac3溫度以上進(jìn)行充分奧氏體化后出爐空冷進(jìn)行正火，再次將耐熱鋼 加熱到較低溫度進(jìn)行時(shí)效，最后再次將鑄件加熱到低于Acl進(jìn)行回火；其具體參數(shù)如下： (1) 將鑄件加熱到1050°C?1200°C之間，可隨爐加熱也可到溫放入，保溫5h?12h，保 溫時(shí)間不局限于此范圍，可根據(jù)鑄件壁厚調(diào)整，在此溫度范圍內(nèi)可在同一溫度下等溫也可 分為兩個(gè)及以上不同溫度分別等溫一定時(shí)間；保溫完成后出爐空冷或鼓風(fēng)冷； (2) 將鑄件再次加熱到1050°C?1150°C之間，保溫Ih?8h，保溫時(shí)間不局限于此范 圍，可根據(jù)鑄件壁厚調(diào)整，保溫完成后出爐空冷或鼓風(fēng)冷至80-KKTC以下，使整個(gè)截面完全 發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變； (3) 將鑄件在150°C?300°C保溫IOOh?500h進(jìn)行時(shí)效，空冷到室溫； (4) 將鑄件加熱到700°C?780°C之間保溫2h?IOh進(jìn)行回火，保溫時(shí)間不局限于此范 圍，可根據(jù)鑄件壁厚調(diào)整； (5) 步驟（4)保溫回火后的鑄件空冷，或爐冷至300°C后空冷； 為了達(dá)到更好的使用性能上述的耐熱鋼熱處理方法還可以增加上述步驟中的（4) (5) 工藝進(jìn)行第二次回火或多次回火。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是：所述耐熱鋼的合金成分較傳統(tǒng)耐熱鋼相比，其顯著特點(diǎn)在 于Ce、La、Y、Pr、Nd組成的混合稀土的添加，在耐熱鋼中加入單一的稀土 Ce、La或Y等元素 后（國(guó)內(nèi)外報(bào)道甚多)，均在一定程度上改善了耐熱鋼高溫力學(xué)性能及耐蝕性能。然而，不同 稀土元素具有不同的原子半徑、價(jià)電子結(jié)構(gòu)等物理化學(xué)特性，因而具有不同的優(yōu)勢(shì)作用。如 Y提高耐蝕性能明顯，而Ce則能更好的凈化鋼液、改善晶粒形態(tài)。本發(fā)明通過(guò)不同種類(lèi)稀土 或多元混合稀土的加入，能夠發(fā)揮多種稀土的協(xié)同優(yōu)勢(shì)作用，提高鋼的綜合力學(xué)性能。
[0012] 所述耐熱鑄鋼熱處理方法，其優(yōu)點(diǎn)是，與傳統(tǒng)耐熱鋼正火回火熱處理方法相比，其 顯著特點(diǎn)是在正火與回火間引入了低溫時(shí)效熱處理。傳統(tǒng)熱處理方法，耐熱鋼中的主要強(qiáng) 化相M23C6型碳化物及MX在回火處理時(shí)析出，對(duì)于M23C6，因溫度較高，形核后能夠迅速長(zhǎng)大， 回火后M23C6S體尺寸較大；對(duì)于MX，在板條界和位錯(cuò)處大量析出，但因位錯(cuò)回復(fù)的驅(qū)動(dòng)力 較大，有些位錯(cuò)能夠脫離MX的釘扎，使后期蠕變時(shí)MX對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用減弱。本發(fā)明提出 的熱處理方法，通過(guò)引入中間低溫時(shí)效熱處理，彌散析出大量細(xì)小M 3C，并使位錯(cuò)一定程度 回復(fù)，內(nèi)應(yīng)力釋放和過(guò)飽和碳脫溶，降低鋼中晶格畸變程度，從而適當(dāng)?shù)慕档土嘶鼗饡r(shí)位錯(cuò) 的回復(fù)驅(qū)動(dòng)力，使隨后回火時(shí)在位錯(cuò)處大量析出的MX在后期蠕變時(shí)強(qiáng)烈的釘扎位錯(cuò)。回火 時(shí)M 23CJU可由大量彌散析出的M 3C原位轉(zhuǎn)變和獨(dú)立形核生成，數(shù)量較多，尺寸較小，在材料 長(zhǎng)期服役時(shí)提供更好的析出強(qiáng)化效果。
[0013] 該耐熱鋼具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定