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CN111139409A - 一种耐热铸钢及其制备方法和用途 - Google Patents

一种耐热铸钢及其制备方法和用途 Download PDF

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CN111139409A CN202010070597.2A CN202010070597A CN111139409A CN 111139409 A CN111139409 A CN 111139409A CN 202010070597 A CN202010070597 A CN 202010070597A CN 111139409 A CN111139409 A CN 111139409A
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Abstract

本发明提供一种耐热铸钢及其制备方法和用途，以耐热铸钢的总质量为基准计，包括如下元素及质量百分含量：C 0.08wt％～0.18wt％，Si 0.10wt％～0.40wt％，Mn 0.30wt％～0.70wt％，Cr 9.80wt％～10.70wt％，Co 3.00wt％～3.50wt％，W 1.60wt％～2.00wt％，Mo 0.45wt％～0.85wt％，V 0.10wt％～0.30wt％，Nb 0.02wt％～0.08wt％，N 0.010wt％～0.035wt％，B 0.001wt％～0.010wt％，Ni≤0.20wt％，Fe 79wt％～85.5wt％。其能满足635℃及635℃以下透平零部件的使用要求。

Description

一种耐热铸钢及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种金属材料领域，特别是涉及一种耐热铸钢及其制备方法和用途。
背景技术
透平机械中的汽轮机也称蒸汽透平发动机，是一种旋转式蒸汽动力装置，高温高压蒸汽穿过固定喷嘴成为加速的气流后喷射到叶片上，使得装有叶片排的转子旋转，同时对外做功。汽轮机是现代火力发电厂的主要设备。
提高火电燃煤机组的蒸汽温度参数可以提高机组效率，减少化石燃料的消耗，实现节能减排。而汽轮机运行温度受限于关键部件(汽缸、阀门、转子和叶片等)材料的最高使用温度。
汽轮机的汽缸和阀壳等部件用高温铸件材料从Cr-Mo钢发展成各类9％～12％Cr铁素体钢；在现有的高温铸件材料中，目前可供选用的有ZG12Cr10Mo1W1VNbN和ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB等。其中ZG12Cr10Mo1W1VNbN钢种的最高工作温度不能超过610℃，ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB钢种的最高工作温度不能超过625℃，目前没有能够满足工作温度为635℃的汽轮机铸件用耐热铸钢材料。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种耐热铸钢及其制备方法和用途，用于解决现有技术中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过包括以下技术方案获得的。
本发明提供一种耐热铸钢，以耐热铸钢的总质量为基准计，包括如下元素及质量百分含量：
C 0.08wt％～0.18wt％，Si 0.10wt％～0.40wt％，Mn 0.30wt％～0.70wt％，Cr9.80wt％～10.70wt％，Co 3.00wt％～3.50wt％，W 1.60wt％～2.00wt％，Mo 0.45wt％～0.85wt％，V 0.10wt％～0.30wt％，Nb 0.02wt％～0.08wt％，N 0.010wt％～0.035wt％，B0.001wt％～0.010wt％，Ni≤0.20wt％，Fe 79wt％～85.5wt％。
根据本申请上述所述的技术方案，所述Fe为80.5wt％～84.7wt％。
根据本申请上述所述的技术方案，所述Fe为81wt％～83.8wt％。
根据本申请上述所述的耐热铸钢的技术方案，所述耐热铸钢还含有杂质，杂质包括Al、P、S、Cu、Ti和Sn中的一种或多种。
根据本申请上述所述的耐热铸钢的技术方案，以耐热铸钢的总质量为基准计，Al≤0.030wt％，P≤0.030wt％，S≤0.020wt％，Cu≤0.25wt％，Ti≤0.030wt％，Sn≤0.030wt％。更优选地，Al≤0.020wt％，P≤0.020wt％，S≤0.015wt％，Cu≤0.15wt％，Ti≤0.020wt％，Sn≤0.020wt％。
根据本申请上述所述的耐热铸钢的技术方案，以耐热铸钢的总质量为基准计，所述耐热铸钢包括如下元素及质量百分含量：C 0.10wt％～0.16wt％，Si 0.20wt％～0.30wt％，Mn 0.40wt％～0.60wt％，Cr 10.00wt％～10.50wt％，Co 3.10wt％～3.40wt％，W 1.65wt％～1.90wt％，Mo 0.55wt％～0.75wt％，V 0.15wt％～0.25wt％，Nb 0.03wt％～0.07wt％，N 0.015wt％～0.030wt％，B 0.002wt％～0.008wt％，Ni≤0.10wt％，Fe和杂质元素为余量。
本发明还公开了如上述所述的耐热铸钢在透平机械，尤其在汽轮机领域用作铸件材料的用途。
本发明所提供的耐热铸钢各元素质量百分含量的限定原因如下：
碳(C)：C元素确保淬透性。在回火过程中，与Mo、W等元素组合后，在晶界和马氏体边界形成M23C6碳化物，C与Nb、V等元素组合后，在马氏体内形成MX型碳氮化物。在上述M23C6碳化物和MX型碳氮化物析出强化后，可提高高温强度。除了确保强度和韧性外，C也是抑制有害相δ-铁素体和BN生成的不可或缺的元素。为使本发明的耐热铸钢具有所需的强度和韧性，C含量应在0.08％以上。但是，如果添加过量，反而会降低韧性，M23C6碳化物被过度析出时，降低合金强度，损害长期使用的高温强度。所以，C含量限定在0.08％～0.18％。进一步来说，C元素的最佳含量应限定在0.10％～0.16％；
硅(Si)：Si元素是钢水脱氧的有效元素，与Cr共同作用可提高钢的抗氧化性。但Si促进Laves相析出，不利于钢的韧性，且对蠕变强度产生不利影响。所以，Si含量限定在0.10％～0.40％。进一步来说，Si元素的最佳含量应限定在0.20％～0.30％；
锰(Mn)：Mn可以脱除钢水中的氧和硫元素，提高钢的淬透性。但随Mn含量增加，蠕变断裂强度降低。所以Mn含量限定在0.30％～0.70％。进一步来说，Mn元素的最佳含量应限定在0.40％～0.60％；
铬(Cr)：Cr在钢中的主要作用是提高抗氧化性和耐腐蚀性，作为通过析出强化提高高温强度的M23C6碳化物的组成元素，是不可缺少的一种元素。为取得上述效果，本发明耐热铸钢的Cr含量最低为9.80％。但是，如果超过10.70％，则易生成δ-铁素体，降低高强温度和韧性。因而，Cr含量限定在9.80％～10.70％。进一步来说，Cr元素的最佳含量应限定在10.00％～10.50％；
钼(Mo)：Mo的加入主要是增加钢的回火稳定性、强化二次硬化效应。且Mo在晶界偏聚提高晶界结合力，使得增加钢的强度的同时减少韧性的损失。但Mo过量，则导致生成δ-铁素体和金间化合物Laves相的析出，明显降低韧性。所以Mo含量限定在0.45％～0.85％。进一步来说，Mo元素的最佳含量应限定在0.55％～0.75％；
钨(W)：W对于抑制M23C6碳化物的粗化很有效，其作用超过Mo元素。添加W取代部分Mo，保证Mo当量(Mo+1/2W)为1.5％左右，蠕变强度最好，且不至于形成过多δ-铁素体。若W添加量超过2％时，铸件容易出现偏析。因此，W的含量限定在1.60％～2.00％。进一步来说，W元素的最佳含量应限定在1.65％～1.90％；
钴(Co)：Co、Mo和W是本发明区分其他的重要元素。Co能抑制高铬铁素体钢高温正火或淬火后δ-铁素体的生成，可完全发挥Mo和W元素的固溶强化作用，提高钢的韧性，这对W含量较高的本发明耐热铸钢十分关键。Co含量限定在3.00％～3.50％。进一步来说，Co元素的最佳含量应限定在3.10％～3.40％。
钒(V)、铌(Nb)：V和Nb在马氏体内易与C、N结合成MX碳氮化物，细小弥散的析出对强度提升很大，且在长时蠕变中稳定，是主要的强化相。但V、Nb过多会过度固定碳含量，减少M23C6碳化物的析出量，引起高温强度下降。且Nb在铸件中易偏析。所以V含量限定在0.10～0.30％，Nb含量限定在0.02％～0.08％。进一步来说，V元素的最佳含量应限定在0.15％～0.25％，Nb元素的最佳含量应限定在0.03％～0.07％；
镍(Ni)：适量的Ni可以增加钢的淬透性，抑制δ-铁素体和BN生成，提高室温下的强度和韧性。但添加过量又不利于钢的高温蠕变性能。故添加Ni含量应尽可能低，期望不超过0.20％，不超过0.10％为最佳；
硼(B)：B具有晶界强化作用，可在M23C6碳化物中固溶，具有抑制M23C6碳化物粗化的作用，可提高高温强度。添加含量最低应为0.001％。但是，若在0.010％以上时，则有损于铸造性和焊接性。因而，B含量限定在0.001％～0.010％。进一步来说，B元素的最佳含量应限定在0.002％～0.008％；
氮(N)：N可与V析出VN氮化物，固溶状态与Mo和W组合，提高高温强度，含量最低应为0.01％。但添加超过0.04％，易与B元素结合析出BN，损害钢的蠕变性能。所以N含量限定在0.010％～0.035％。进一步来说，N元素的最佳含量应限定在0.015％～0.030％。
本发明所提供的铸件用耐热铸钢中，所述的杂质包括P和/或S和/或Al和/或Cu和/或Ti和/或Sn。S在钢中是有害杂质元素，会降低钢的热塑性，影响热加工性，降低耐腐蚀性。S元素偏聚晶界，降低晶界结合力，致使高温强度降低；P也是钢中有害杂质元素，含量高时会使钢产生一定的脆性；Al元素极易与N元素形成析出相AlN，对钢的塑韧性及长时蠕变性能产生不利影响；Sn元素易在晶界偏聚，显著降低了合金的高温强度。P、S、Al、Cu、Ti和Sn作为杂质元素对本耐热铸钢及合金的力学性能有不利影响，应尽量降低其含量。
表1为本发明铸件用耐热铸钢与行业标准JB/T 11018-2010中规定的ZG12Cr10Mo1W1VNbN，以及ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB的成分范围中值对比。
表1化学成分对比(wt.％)
元素 本发明耐热铸钢CW2 ZG12Cr10Mo1W1VNbN ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB
C 0.08～0.18 0.12 0.13
Si 0.10～0.40 0.30 0.25
Mn 0.30～0.70 1.00 0.90
P ≤0.030 ≤0.020 ≤0.020
S ≤0.020 ≤0.010 ≤0.010
Cr 9.80～10.70 9.70 9.25
Co 3.00～3.50 - 1.10
W 1.60～2.00 1.00 -
Mo 0.45～0.85 1.00 1.60
V 0.10～0.30 0.20 0.20
Nb 0.02～0.08 0.06 0.06
N 0.010～0.035 0.050 0.0225
B 0.001～0.010 - 0.0115
Ni ≤0.20 0.70 0.35
Al ≤0.030 ≤0.020 ≤0.020
本发明还公开了一种如上述所述耐热钢铸件的制备方法，包括如下步骤：
按照配方中各组分的配比确定原料配比并将原料熔炼；再精炼，浇铸成型；然后淬火或正火处理，最后回火热处理。
根据上述所述的制备方法的技术方案，淬火处理的温度为1080～1180℃；回火处理的温度为700～780℃，回火一次或多次。
本发明还公开了如上述所述的耐热铸钢用于制备透平机械的用途。
本发明还公开了如上述所述的耐热铸钢在汽轮机领域作为铸件材料的用途。
本发明与现有的铸件材料ZG12Cr10Mo1W1VNbN相比，成分上添加了Co和B，调整固溶强化元素Mo和W的比例，降低了Mn、N和Ni元素的含量，提高了高温蠕变强度。与现有铸件材料ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB相比，添加了W元素，调整了B和N的比例，提高了Cr和Co元素的含量，降低了Mn、Mo和Ni元素的含量，提高了高温蠕变强度和抗氧化性能，这将使得铸件材料的使用温度提高，从而提高发电机组的热效率，降低煤炭消耗和二氧化碳排放。该新型耐热铸钢的材料牌号确定为ZG12Cr10Co3W2MoVNbNB，简称CW2。
本发明所提供的耐热铸钢可以被用于制备透平机械，尤其是汽轮机铸件，制备获得的汽轮机铸件在635℃及635℃以下的高温环境中具有良好的高温强度和抗氧化性能，可以满足工作温度为635℃及635℃以下的汽轮机的使用要求。
附图说明
图1显示为本发明实施例中材料在635℃下的氧化增重试验结果图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
本申请实施例中，按照配方中各组分的配比确定原料配比并将原料熔炼；再精炼，浇铸成型；然后淬火或正火处理，最后回火热处理。
其中，以工业纯铁为原料作为Fe的来源，单质碳为原料作为C的来源，工业硅为原料作为Si的来源，电解锰为原料作为Mn的来源，金属铬和氮化铬为原料作为Cr的来源，电解钴为原料作为Co的来源，钨条为原料作为W的来源，金属钒为原料作为V的来源，铌条为原料作为Nb的来源，氮化铬为原料作为N的来源，单质硼为原料作为B的来源，电解镍为原料作为Ni的来源。
实施例1
根据上述理论计算将一定量的原料熔炼；再精炼；浇铸成型形成汽轮机汽缸，采用1150℃淬火，并采用730℃回火热处理。
实施例2
根据上述理论计算将一定量的原料熔炼；再精炼；浇铸成型形成汽轮机阀壳，采用1120℃淬火，并采用755℃回火热处理。
对实施例1和实施例2中的耐热铸钢进行化学成分分析，分析结果如表2所示，单位为wt％，均满足化学成分指标要求。
表2实施例1、2汽轮机铸件用耐热铸钢的化成分分析结果(wt.％)
Figure BDA0002377219270000061
根据行业标准JB/T 11018-2010，将现有铸件材料ZG12Cr10Mo1W1VNbN及ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB的力学性能指标列出，具体数据见表3。同时，对实施例1和2获得的耐热铸钢材料按照GB/T 228.1标准进行了室温拉伸试验，按照GB/T 2039标准进行了蠕变断裂强度试验，然后按照GB/T 2039标准中规定的外推方法推导出635℃/10万小时条件下的蠕变断裂强度极限Ru 100000h/635℃，并与ZG12Cr10Mo1W1VNbN及ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB在635℃/10万小时条件下的蠕变断裂强度进行比较，结果如表3所示，其中，表3中Rp0.2为屈服强度，Rm为抗拉强度。可以发现：本发明实施例1和实施例2获得的强度(包括Rp0.2屈服强度和Rm抗拉强度)满足ZG12Cr10Mo1W1VNbN和ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB的指标要求。同时，本发明材料蠕变断裂强度外推值高于80MPa，对比铸件材料ZG12Cr10Mo1W1VNbN的蠕变断裂强度外推值提高了30％以上，对比ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB的蠕变断裂强度外推值提高了20％以上，强化效果明显，可满足635℃下汽轮机汽缸和阀壳的使用要求。
表3实施例1、2汽轮机铸件用耐热铸钢的力学性能
Figure BDA0002377219270000071
对实施例1和2以及ZG12Cr10Mo1W1VNbN和ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB进行635℃下的氧化增重试验，将四个材料的试样置于635℃和27MPa流动的水蒸汽环境中，时间最长至2000h，测试这个时间段内各试样增重变化，氧化增重越小说明材料抗氧化性越好。试验结果如图1所示。由图1可知，实施例1和2的抗氧化性明显好于ZG12Cr10Mo1W1VNbN和ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种耐热铸钢，其特征在于，以耐热铸钢的总质量为基准计，所述耐热铸钢包括如下元素及质量百分含量：
C 0.08wt％～0.18wt％，Si 0.10wt％～0.40wt％，Mn 0.30wt％～0.70wt％，Cr9.80wt％～10.70wt％，Co 3.00wt％～3.50wt％，W 1.60wt％～2.00wt％，Mo 0.45wt％～0.85wt％，V 0.10wt％～0.30wt％，Nb 0.02wt％～0.08wt％，N 0.010wt％～0.035wt％，B0.001wt％～0.010wt％，Ni≤0.20wt％，Fe 79wt％～85.5wt％。
2.根据权利要求1所述的耐热铸钢，其特征在于，所述耐热铸钢还含有杂质，杂质包括Al、P、S、Cu、Ti和Sn中的一种或多种。
3.根据权利要求1～2所述的耐热铸钢，其特征在于，以耐热铸钢的总质量为基准计，所述Al、P、S、Cu、Ti和Sn对应的质量百分数分别是：Al≤0.030wt％，P≤0.030wt％，S≤0.020wt％，Cu≤0.25wt％，Ti≤0.030wt％，Sn≤0.030wt％。
4.根据权利要求1～3所述的耐热铸钢，其特征在于，以耐热铸钢的总质量为基准计，所述耐热铸钢包括如下元素及质量百分含量：C 0.10wt％～0.16wt％，Si 0.20wt％～0.30wt％，Mn 0.40wt％～0.60wt％，Cr 10.00wt％～10.50wt％，Co 3.10wt％～3.40wt％，W 1.65wt％～1.90wt％，Mo 0.55wt％～0.75wt％，V 0.15wt％～0.25wt％，Nb 0.03wt％～0.07wt％，N 0.015wt％～0.030wt％，B 0.002wt％～0.008wt％，Ni≤0.10wt％，Fe81wt％～83.8wt％。
5.根据权利要求1～4所述的耐热铸钢，其特征在于，所述耐热铸钢还含有杂质，杂质包括Al、P、S、Cu、Ti和Sn中的一种或多种。
6.根据权利要求1～5所述的耐热铸钢，其特征在于，以耐热铸钢的总质量为基准计，所述Al、P、S、Cu、Ti和Sn对应的质量百分数分别是：Al≤0.020wt％，P≤0.020wt％，S≤0.015wt％，Cu≤0.15wt％，Ti≤0.020wt％，Sn≤0.020wt％。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的耐热铸钢的制备方法，特征在于，按照配方中各组分的配比确定原料配比并将原料熔炼，再精炼，浇铸成型；然后淬火或正火处理，最后回火处理。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，淬火或正火处理的温度为1080～1180℃，然后回火处理的温度为700～780℃，回火一次或多次。
9.一种如权利要求1～6任一项所述的耐热铸钢用于制备透平机械的用途。
10.一种如权利要求1～6任一项所述的耐热铸钢在汽轮机领域作为铸件材料的用途。
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