专利名称：马式体－奥式体钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种马式体-奥式体钢，特别是用作燃气轮机中的承受蠕变应力的部件材料的马氏体-奥氏体钢。
背景技术：
本技术领域目前的状态是采用可调质处理的铬钢作为用于热电站中的材料，特别是用于转子或转子叶轮的材料。与以镍基超级合金相比，可调质处理的铬钢的特点是可经较好的无损探伤检验。此外，它还具有较低的热膨胀系数和高的导热性，这样就增强了耐热疲劳的性能。然而，在温度超过450℃时，该调质钢在耐热、抗蠕变和韧性方面就不能满足预期的要求。
已知一种标号为X12CrNiMo12的可调质处理的马氏体钢。这种钢除铁外还包含0.10-0.14％的C、0.10-0.40％的Si、0.5-0.9％的Mn、11-12％的Cr、2-2.6％的Ni、1.3-1.8％的Mo、0.2-0.35％的V、0.02-0.05％的N、以及通常的杂质。这种钢在低于450℃的温度范围内，且有相当高的高温屈服极限和相当高的抗蠕变性能。然而，在温度超过450℃时，该高温屈服极限和抗蠕变性能就不足了此外，这种钢在更高的温度下有明显的脆化趋势。
发明概述本发明的目的是提供一种用于燃气轮机转子或燃气轮机转子叶轮的马氏体-奥氏体钢，其在由450℃到至少550℃的温度范围，具有足够的耐热性能和韧性。
根据本发明，按照第一权利要求中的特征部分可实现这一点。
本发明的核心是调整由经回火的马氏体和热力学稳定的奥式体组成的十分精细的两相微观结构。这种钢主要包含8-15％的铬、4-10％的钴、2.5-8％的锰，0.5-6％的镍，0.5-2.5％的钼、达2％的钨、0.1-0.5％的钒，0.05-0.2％的碳，0.05-0.25％的氮，其余为铁和通常在熔炼条件下形成的杂质。
根据上述内容可以看出本发明的优点实际完全在于，按照双相结构形成的钢即使在450℃以上的温度，也具有高的高温屈服极限和高的抗蠕变性能，以及由于它的高的结构稳定性，呈现低的脆化趋势。
根据各从属权利要求形成更有利的实施例。
发明的实施例为本发明应用所研制的钢按重量计主要包含8-15％的铬、4-10％的钴、2.5-8％的锰、0.5-6％的镍、0.5-2.5％的钼、达2％的钨、0.1-1.0％的钒、0.05-0.2％的碳、0.05-0.25％的氮、并且可以通过浇铸或通过粉末冶金方法制造。
公知的和工业上所采用的9-12％的铬钢是由于在该经回火的马氏体中形成的位错网格上极为精细的沉淀物的稳定作用来达到其耐热和抗蠕变性能的。在为本发明应用研制的钢中，除了该精细的沉淀物以外，还引入一种面心立方体相态(奥式体)，由于它的低自行扩散和形成相界面，就有助于提高耐热和抗蠕变性能。在本技术领域中含有奥氏体作为改进蠕变性能的第二相的马式体钢是公知的。然而，与本发明的钢相比较，其差别在于，它们的奥式体部分不是热力学稳定的，使得对于热疲劳是甚为敏感的。
下面，具体介绍对于每种元素的优选量，以及本发明合金的所选合金构成范围的理由。
利用溶解到该固溶体中的铬以提高抗氧化性能。通过形成六角形的氮化铬，Cr还可有助于提高抗蠕变性能。为了实现这一点，Cr的最小含量需为8％(重量)。然而，铬含量不应超过15％(重量)，否则会形成δ-铁素体，以导致韧性和高温强度降低。因此，对于铬的适合范围约为8-15％(重量)，优选为9-12％(重量)，特别是10％(重量)。
在本发明的钢中，锰对提高奥式体区中的氮的溶解度特别有效。为了在固溶退火过程中溶解六角形的稳定的氮化物(Cr,V)2N和立方形的稳定的氮化物(V,Cr)N,Mn的含量最少为2.5％(重量)。在回火处理的过程中，锰集聚在所形成的奥氏体中，并决定性地降低它的马氏体的起始温度，即锰稳定了该奥式体。还因这一原因，锰的含量至少应为2.5％(重量)。然而，为了防止该合金变成完全的奥氏体性的，Mn含量不应超过8％(重量)。因此，锰的合适范围约为2.5-8(重量)，优选为3.5-6.5％(重量)，特别是约为5％(重量)。
镍增加了在马氏体铬钢的韧性，因为其有效地降低δ-铁素体的含量。与锰相似，镍稳定了在双相结构中的奥式体相。由于这一原因，该合金至少应包含0.5％(重量)的Ni。镍含量超过6％(重量)，Ac3点将大大降低。因此，按镍的合适范围约为0.5-6％重量，优选为2-5％(重量)，特别是约为3.7％(重量)。
钴提高镍的等效量到这样程度，即，使合金由熔融状态以奥氏体固化。因此，避免了氮的隙透和由此导致的微孔形成。因此，Co的含量至少应为4％(重量)。然而，Co含量不应超过10％(重量)，以使该合金具有足够高的Ac3温度。因此，钴的合适范围约为4-10％(重量)，优选为5-8％(重量)，特别是约为6％(重量)。
钼能改进回火特性和耐热性能，因此，最低含量应维持0.2％(重量)。Mo含量应不超过2.0％(重量)，否则可能产生大量拉夫斯相(Lavesphase)。因此钼的合适范围为0.5-2.5％(重量)，优选为1.0-2.0％(重量)，特别是约1.5％(重量)。
鸽的作用类似于钼。由于存在形成拉夫斯相的危险，所以含量不应超过2％(重量)。因此钨的含量为0-2％(重量)，优选为低于1％(重量)。
钒与氮和少部分铬一起形成一种内聚的和部分内聚的立方形氮化物的致密弥散体，它基本上决定耐热和抗蠕变性能。在形成合金时其中V的含量至少为0.1％(重量)。然而由于钒能增加δ铁素体形成的趋势，所以V的含量不应超过1％(重量)。最好钒的含量为0.15-0.65％(重量)。
在原子溶解状态下，氮会促进在冷却过程中由奥氏体相向无扩散的奥氏体的转变。这就保证了可调质处理性。此外，可与V和Cr，也可能与Nb、Ti和Ta形成所述的氮化物。因此，氮应以化学计算量形成合金。由于在固化过程中N可能隙透，故其上限不应超过0.25％(重量)。因此N的含量约为0.05-0.25％(重量)，优选为0.07-0.15％(重量)。
碳与铬一起会促进分子式Cr23C6的碳化物的形成。根据其化学计算量看，这种碳化物从基体中去除的铬比在本发明的钢中形成的Cr2N去除的铬更多。由于这一原因，碳的含量应不超过0.2％(重量)，优选为0.1％(重量)。
铌、钛、锆和钽都是合金元素，与钒可以形成MX型的各种特定氮化物。它们的作用首先是在少量添加时，能增强V(N,C)析出的稳定性。然而，在高含量下，氮化物的稳定性高到在固溶处理过程中而不能被溶解。由于这一原因，这些元素的总含量限制到0.5％硼会增加各种析出物的耐粗化性能。由于这会导致熔析，所以含量必须限制在0.02％。
在各种常遇到由于生产条件形成的杂质中，例如无素磷、硫、锑、锡和砷的含量不应当超过在后面表2中所示的量。这是为避免回火脆化所必需的。
本发明的钢具有马氏体-奥氏体结构，这种结构是通过调质处理形成的。该调质方法包含固溶退火，淬火和随后的回火。
固溶退火应当在1050℃≤T≤1250℃T.进行，优选为1100℃≤T≤1230℃，特别是1200℃，以便溶解分子式为VN的所有氮化物。经过回火处理，调整奥氏体的含量和马氏体相的淬火度。为了将所需的奥式体组分调整到15-45％，退火温度要选择在550℃≤T≤650℃，优选为580℃≤T≤630℃。
实施例下面，以举例方式更详细地描述上述的各种合金的特别优选的实施方案，这里标记为合金817。合金817的组成可取自表1和表2。表2中表示某些可能有的杂质的最大含量。
在固溶退火和淬火处理之后，合金在600℃下回火4小。热处理后，形成的结构是两相的马氏体-奥氏体，奥氏体相的含量约37％，相区大小为200-300纳米。
在表3中将本发明的合金817的特性与先前介绍的合金X12CrNiMo12进行比较。
根据表3，与合金X12CrNiMo12相比较的合金817显示全面改进的特性。高耐热和抗蠕变性能使得其能用作在温度高达550℃下的燃气轮机的转子材料和转子叶轮材料。
表1
表2
表权利要求
1．一种马氏体-奥氏体钢，按重量计其组成主要为8-15％的铬、0.5-2.5％的钼、直到2％的钨、4-10％的钴、0.5-6％的镍、2.5-8％的锰、0.1-1.0％的钒、0.05-0.25％的氮、直到0.2％的碳、其余成分是铁和各种杂质。
2．如权利要求1中所述的马氏体-奥氏体钢，其特征在于，铬的含量范围为9-12％、和/或钼的含量范围为1.0-2.0％、和/或钴的含量范围为5-8％、和/或镍的含量范围为2-5％、和/或锰的含量范围为3.5-6.5％、和/或钨的含量为1.0％、和/或钒的含量范围为0.15-0.65％、和/或氮的含量范围为0.07-0.15％、和/或碳的含量直到0.1％。
3．如权利要求1或2的马氏体-奥氏体钢，其特征在于，含有最大总量为0.5％的铌、钛、锆和钽。
4．如权利要求1、2或3的马氏体-奥氏体钢，其特征在于，硼的含量最大为0.02％。
5．如权利要求1-4中之一所述的马氏体-奥氏体钢作为耐热和抗蠕变材料在热电站中的应用。
6．如权利要求1-4中之一所述的马氏体-奥氏体钢的热处理方法，其特征在于，该方法包含在550℃-650℃的温度范围内对处于固溶退火和淬火状态下的合金钢进行回火，由此形成一种含体积份额为20％-50％的奥氏体的结构。
全文摘要
本发明涉及一种马氏体－奥氏体钢,按重量计,其主要组成为:8－15%的铬、0.5－2.5%的钼、直到2%的钨、4－10%的钴、0.5－6%的镍、2.5－8%的锰、0.1－1.0%的钒、0.05－0.25%的氮、直到0.2%的碳、其余为铁和杂质。这种马氏体－奥式体钢特别适用于工作温度在450℃以上的燃气轮机转子材料或转子叶轮材料。在550℃到650℃之间的温度范围内通过对固溶退火和淬火的钢的结构进行热处理,以达到两相的马氏体－奥式体结构的调整。
文档编号C21D6/00GK1216073SQ97193736
公开日1999年5月5日 申请日期1997年3月25日 优先权日1996年4月12日
发明者P·埃恩斯特, P·J·乌戈维策尔, M·斯佩德尔, R·思泰恩斯 申请人:Abb研究有限公司