專利名稱：：一種馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及耐熱不銹鋼材料類，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
：耐熱鋼是指在高溫下具有足夠強(qiáng)度、一定抗氧化性和耐腐蝕性以及長(zhǎng)期的組織穩(wěn)定性的鋼。耐熱鋼的發(fā)展是高溫下工作的動(dòng)力機(jī)械的需要，如火電廠的蒸汽鍋爐、蒸汽渦輪、航空工業(yè)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)以及航天、艦船、石油和化工等工業(yè)部門的高溫工作部件。它們?cè)诟邷叵鲁惺芨鞣N載荷，如拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、疲勞和沖擊等，此外，它們還與高溫、蒸汽、空氣或燃?xì)饨佑|，表面發(fā)生高溫氧化或氣體腐蝕。在高溫下工作，鋼將發(fā)生原子擴(kuò)散過(guò)程，并引起組織轉(zhuǎn)變，這就是與低溫工作部件的不同點(diǎn)。對(duì)耐熱鋼的基本要求是一是要具有良好的高溫強(qiáng)度及與之相適應(yīng)的塑性；二是要具有足夠高的化學(xué)穩(wěn)定性，如抗氧化、抗腐蝕等。耐熱鋼包括熱強(qiáng)鋼和抗氧化鋼。熱強(qiáng)鋼指在高溫下具有足夠強(qiáng)度并有一定抗氧化性的鋼，常用于制造汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子和葉片、鍋爐過(guò)熱器、高溫下工作的螺栓和彈簧等。常用熱強(qiáng)鋼有珠光體熱強(qiáng)鋼、馬氏體熱強(qiáng)鋼和奧氏體熱強(qiáng)鋼等。對(duì)于馬氏體熱強(qiáng)鋼來(lái)說(shuō)，這類熱強(qiáng)鋼含合金元素較多，應(yīng)用最廣的是含鉻13%的Crl3鋼，為了提高熱強(qiáng)性，一般還加入強(qiáng)化元素鴇、鉬、釩等，如1Crl2MoV、1Crl2WMoV等，它們的抗氧化性和消振性能均優(yōu)于珠光體熱強(qiáng)鋼，可廣泛用于制造60(TC以下的汽輪機(jī)葉片、增壓器葉片、閥門、主軸等，另一類是含鉻、硅的馬氏體熱強(qiáng)鋼，如4Cr9Si2、4CrlOSi2Mo等，加入鉻和硅能提高抗氧化性和抗燃煙氣體(包括鉛化物)腐蝕的性能，主要用來(lái)制造發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥門，也可制造80(TC以下受力較小的加熱爐構(gòu)件等。目前，國(guó)內(nèi)在汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及各種發(fā)動(dòng)機(jī)的耐熱(如耐壓耐高溫殼體、輪盤、葉片、軸類、緊固件等)用材的成分設(shè)計(jì)、質(zhì)量水平及生產(chǎn)技術(shù)上存在一定問(wèn)題1)鋼種成分設(shè)計(jì)存在缺陷，比如此類鋼種中未加入或加入很少量強(qiáng)化元素氮，致使鋼材的耐熱能力不足。2)生產(chǎn)制作工藝不規(guī)范，如釆用雙真空冶煉工藝，需要控制總體化學(xué)成分，提高了成本卻未提高鋼的性能質(zhì)量，導(dǎo)致鋼材市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)能力低下。相關(guān)類似熱強(qiáng)鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。表l現(xiàn)有熱強(qiáng)鋼的化學(xué)成分(Wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>鋼種1Crl2Ni2WMoVN的化學(xué)成分中未加入強(qiáng)化元素氮，致使鋼材的耐熱能力不足，在550°C、325MPa、100h條件下的蠕變率在0.2%左右。鋼種1CrlOCo6NiMoNbN和鋼種1CrlOCo3W2MoVNbN中分別加入了較多量的貴重金屬Co及W元素，盡管Co可提高鋼的抗蠕變強(qiáng)度，但卻增加了生產(chǎn)成本。本發(fā)明者以低成本的原材料配比，通過(guò)強(qiáng)化真空冶煉及鍛造工藝，制得了一種具有強(qiáng)韌性匹配、耐熱能力強(qiáng)且抗腐蝕的馬氏體不銹鋼，從而完成了本發(fā)明。本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供所述馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼的制造方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的第一個(gè)方面提供一種馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼，該不銹鋼的化學(xué)成分包含C:0.100.20wt%、Mn《0.50wt%、Si《0,50wto/o、P《0.030wt%、S《0.015wt%、Cr:10.00~13.00wt%、Ni:1.50~2.50wt%、W:0.60~1.00wt%、Mo:1.301.70wto/o、V:0.15~0.30wt%、Nb:0.200.40wt%、N:0.020.12wt%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中所述馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼的化學(xué)成分包含C:0.120.18wt%、Mn:0.35~0.45wt%、Si:0.35~0.45wt%、P《0.020wt%、S《0.015wt%、Cr:11.5012.50wt%、Ni:1.80~2.20wt%、W:0.70~0.90wt%、Mo:1.401.70wt%、V:0,20~0.30wt%、Nb:0.250.30wt%、N:0.030.08wt%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。適當(dāng)?shù)奶己颗c氮含量,在其它各元素的配合下，保證鋼的基體組織為單一馬氏體，防止自由鐵素體產(chǎn)生，使得鋼具有一定的強(qiáng)度韌性和耐熱性，另外，控制碳含量不要過(guò)高以盡量減輕對(duì)鋼的耐蝕能力和韌性產(chǎn)生不良影響。硫、磷、氫、氧等殘余元素對(duì)鋼的塑性、韌性、尤其是熱疲勞性能有不良影響，故控制其含量應(yīng)盡量低。鉻是確保該鋼具有不生銹和耐腐蝕性能，鎳元素與鉬元素、鎢元素及釩、鈮元素與碳、氮元素配合，主要作用在于鋼材在回火過(guò)程中析出碳化物、碳氮化物第二相以提高鋼材的熱強(qiáng)性。硅、錳元素主要是保持鋼中易燒損元素鈮在重熔過(guò)程中的穩(wěn)定性。本發(fā)明的第二個(gè)方面提供一種馬氏體強(qiáng)熱不銹鋼的制造方法，該制造方法包括冶煉、澆注、電渣重熔、加熱、鍛造、退火、調(diào)制熱處理工序，其中所述不銹鋼的化學(xué)成分包含C:0.100.20wt%、Mn《0.50wt%、Si《0.50wt%、P《0.030wt%、S《0.015wt%、Cr:10.0013.00wt%、Ni:1.50~2.50wt%、W:0.601.00wt%、Mo:1.301.70wt%、V:0.150.30wt%、Nb:0.200.40wt%、N:0.020.12wt%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中冶煉采用真空感應(yīng)爐冶煉。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中在所述電渣重熔工序中，熔速為390420Kg/h，采用CaF2、A1203、MgO三元渣系控制渣的粘度和酸堿度，三者配比為68~72:23~27:4~6。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中在所述加熱工序中，鋼錠低于45(TC加熱，以《50°C/h的速度加熱14~19h,于12001250。C均勻化后降溫至1180士2(TC保溫3小時(shí)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中在所述鍛造工序中，鋼坯加熱時(shí)間1.3~2h，加熱溫度1118~1136°C，鍛造比大于6，最后成材火次控制在1120±10°C，軋制成型。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中在所述軋制過(guò)程中，加熱溫度1115~1120°C，加熱時(shí)間0.91.3h，終軋溫度大于800。C。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中所述退火溫度為700~725°C，退火時(shí)間為2530h。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中..在所述調(diào)質(zhì)熱處理工序中，鍛件于1120士1(TC淬火，保溫13.5h油冷至室溫，再于680土15。C回火，保溫24.5h空冷至室溫。在本發(fā)明的馬氏體強(qiáng)熱不銹鋼的制造方法中，對(duì)主要工序的控制分析如下1、冶煉采用真空感應(yīng)爐冶煉，全程高真空加強(qiáng)脫氣去夾雜操作，確保成分均勻及雜質(zhì)含量低、各個(gè)元素含量符合要求。首先要選擇高純度的母合金、純鐵、鐵合金及其純金屬原材料，再按圖1所示的真空感應(yīng)爐冶煉工藝曲線進(jìn)行熔煉。該工藝著重強(qiáng)調(diào)高真空度下冶煉足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以保證去除氣體及其有害雜質(zhì)元素。2、電渣重熔應(yīng)控制熔速390420Kg/h，采用惰性氣體Ar保護(hù)，減輕鋼水被氧化，CaF2:A1203:MgO三元渣系控制渣的粘度和酸堿度。全程自動(dòng)控制，保證鋼錠具有優(yōu)良的結(jié)晶狀態(tài)和表面質(zhì)量，.同時(shí)渣洗去除大尺寸夾雜物、硫等有害雜質(zhì)元素。3、加熱、鍛造鍛造前采用加熱與均勻化處理相結(jié)合、鍛軋熱聯(lián)合(或半熱聯(lián)合)加工成型工藝，鍛造比大于6，以鋼材內(nèi)在組織結(jié)構(gòu)的精細(xì)和均勻保證鋼材的冶金質(zhì)量?jī)?yōu)良，末道軋制成型以保證鍛件尺寸的高精度。鋼錠于12001250。C加熱均勻化后降至1180土20。C保溫3小時(shí)，以確保透燒、溫度均勻、成分均勻，可塑性處于最佳狀態(tài)。為使鍛造比大于6，成材前進(jìn)行墩鍛增加鍛造比，最后成材火次控制1120±10°C，軋制成型，終軋溫度大于80(TC，整支一火完成以保持其均勻性。4、調(diào)質(zhì)熱處理鍛件須經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后使用，由于馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼沾火裂紋敏感性極強(qiáng)，處理各環(huán)節(jié)操作稍有不慎即可發(fā)生裂紋而報(bào)廢，因此為了保證鋼材理化性能合格，同時(shí)避免裂紋廢品的發(fā)生，緩慢淬火是避免裂紋發(fā)生的關(guān)鍵技術(shù)。鍛件不限速升溫至1120±10°C，保溫13.5小時(shí)出爐油冷至室溫，然后以每小時(shí)50。C的速度升溫至680土15。C，保溫24.5小時(shí)，出爐空冷至室溫。本發(fā)明的有益效果為1、本發(fā)明鋼種以低成本的原材料配比，替代了含高鈷、高鉤等貴重金屬高成本原材料配比，相比較1CrlOCo6NiMoNbN、1Crl6Co5Ni2Mo2WVNbN、1CrllCo3W3NiMoVNbNB等同類鋼種成本低40%左右，而《OTMjS68(TC與這類鋼種相當(dāng)，達(dá)到了馬氏體熱強(qiáng)不f辯岡使用耐熱溫度的柳艮，大大提高了本鋼種的性價(jià)比。2、本發(fā)明不銹鋼的純潔度、均質(zhì)化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)使用要求，為延長(zhǎng)鋼材使用壽命提供了保障，其抗腐蝕性能、耐熱能力較強(qiáng)，能夠忍耐65CTC高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，滿足汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)用耐熱關(guān)鍵部件的使用要求。圖1為本發(fā)明馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼的真空感應(yīng)爐冶煉工藝曲線。圖中，a段為調(diào)整成分，b段為帶電澆注。具體實(shí)施例方式以下用實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述。這些實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明最佳實(shí)施方式的描述，并不對(duì)本發(fā)明的范圍有任何限制。實(shí)施例1按表2所示的化學(xué)成分于真空感應(yīng)電爐冶煉，其工藝流程如圖l所示，澆注后電渣重熔，控制CaF2:A1203:MgO三元渣系比例，冶煉及電渣重熔的工藝參數(shù)見(jiàn)表3。鋼錠低于45(TC進(jìn)加熱爐，以《5(TC/h的速度加熱15h，于1200125(TC均勻化后降溫至H6(TC，保溫3小時(shí)后開始鍛造。鋼坯鍛造加熱時(shí)間2h，加熱溫度112(TC，鍛造比大于6，最后成材火次控制在1120±10°C，軋制加熱溫度112(TC，加熱時(shí)間lh，終軋溫度大于800。C。鍛件于720。C退火，退火時(shí)間為30h，再不限速升溫至1120'C淬火，保溫2h出爐油冷至室溫，然后以50°C/h升溫至68(TC回火，保溫4h出爐空冷至室溫。實(shí)施例2按表2所示的化學(xué)成分于真空感應(yīng)電爐冶煉，冶煉及電渣重熔的工藝參數(shù)見(jiàn)表3。鋼錠低于450。C進(jìn)加熱爐，以《50。C/h的速度加熱16h，于1200~1250'C均勻化后降溫至U8(TC，保溫3小時(shí)后開始鍛造。鋼坯鍛造加熱時(shí)間1.5h，加熱溫度1130'C，鍛造比大于6，最后成材火次控制在1120±10°C，軋制加熱溫度1118'C，加熱時(shí)間l.lh，終軋溫度大于800"C。鍛件退火、調(diào)質(zhì)熱處理工藝參數(shù)見(jiàn)表4。其余實(shí)施方式同實(shí)施例l。實(shí)施例3按表2所示的化學(xué)成分于真空感應(yīng)電爐冶煉，冶煉及電渣重熔的工藝參數(shù)見(jiàn)表3。鋼錠低于45(TC進(jìn)加熱爐，以《50。C/h的速度加熱14h，于1200-1250。C均勻化后降溫至1190°C，保溫3小時(shí)后開始鍛造。鋼坯鍛造加熱時(shí)間l:8h，加熱溫度1136。C，鍛造比大于6，最后成材火次控制在1120±10°C，軋制加熱溫度1116。C，加熱時(shí)間1.3h，終軋溫度大于800'C。鍛件退火、調(diào)質(zhì)熱處理工藝參數(shù)見(jiàn)表4。其余實(shí)施方式同實(shí)施例l。實(shí)施例4按表2所示的化學(xué)成分于真空感應(yīng)電爐冶煉，冶煉及電渣重熔的工藝參數(shù)見(jiàn)表3。鋼錠低于450。C進(jìn)加熱爐，以《50。C/h的速度加熱17h，于12001250'C均勻化后降溫至1175°C，保溫3小時(shí)后開始鍛造。鋼坯鍛造加熱時(shí)間1.6h，加熱溫度1123i:，鍛造比大于6，最后成材火次控制在1120±10°C，軋制加熱溫度1117"C，加熱時(shí)間0.95h，終軋溫度大于80(TC。鍛件退火、調(diào)質(zhì)熱處理工藝參數(shù)見(jiàn)表4。其余實(shí)施方式同實(shí)施例l。實(shí)施例5按表2所示的化學(xué)成分于真空感應(yīng)電爐冶煉，冶煉及電渣重熔的工藝參數(shù)見(jiàn)表3。鋼錠低于45(TC進(jìn)加熱爐，以《5(TC/h的速度加熱19h，于1200~1250"C均勻化后降溫至1165°C，保溫3小時(shí)后開始鍛造。鋼坯鍛造加熱時(shí)間1.3h，加熱溫度1118。C，鍛造比大于6，最后成材火次控制在1120土1(TC，軋制加熱溫度1115。C，加熱時(shí)間1.2h，終軋溫度大于80(TC。鍛件退火、調(diào)質(zhì)熱處理工藝參數(shù)見(jiàn)表4。其余實(shí)施方式同實(shí)施例l。表2本發(fā)明實(shí)施例l-5馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼的化學(xué)成分(wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表3本發(fā)明實(shí)施例1-5馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼的冶煉及電渣重熔的工藝參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>實(shí)施例3恥％全程2.6Pa55raip1583°C410Kg/h71:25:4實(shí)施例465%全程2.7Pa48rain1578°C400Kg/h70:24:6實(shí)施例560%全程2.4Pa50min1582'C390Kg/h68:27:5表4本發(fā)明實(shí)施例l-5馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼的退火、調(diào)質(zhì)熱處理工藝參數(shù)工藝參數(shù)退火溫度rc)退火時(shí)間(h)淬火溫度('C)淬火時(shí)間(h)回火溫度rc)回火時(shí)間(H)實(shí)施例17203011202.86804.0實(shí)施例27252511241.56903.2實(shí)施例37152811251.86853.5實(shí)施例47003011102.76704.2實(shí)施例57232711192.26724.9試驗(yàn)例1對(duì)本發(fā)明實(shí)施例1-5的馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。表5本發(fā)明實(shí)施例1-5的馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼的力學(xué)性能項(xiàng)目屈服強(qiáng)度Rm(MPa)抗拉強(qiáng)度RpO.2(MPa)延伸率A(%)斷面收縮率z(%)沖擊韌性AKu(J)布氏硬度HB550°C，325MPa,100h蠕變率(%)實(shí)施例1109011209259301717596064673053120.12實(shí)施例2108011009359401618586066703053210.11實(shí)施例3108511309409551718576267693213250.10實(shí)施例4109011009259301717576064713253320.12實(shí)施例5109011109059251819565852553053120.10試驗(yàn)例2對(duì)本發(fā)明實(shí)施例1-5的馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼進(jìn)行宏觀、微觀質(zhì)量檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6。表6本發(fā)明實(shí)施例1-5的馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼宏觀、微觀質(zhì)量檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權(quán)利要求1、一種馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼，其特征在于，所述馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼的化學(xué)成分包含C0.10～0.20wt％、Mn≤0.50wt％、Si≤0.50wt％、P≤0.030wt％、S≤0.015wt％、Cr10.00～13.00wt％、Ni1.50～2.50wt％、W0.60～1.00wt％、Mo1.30～1.70wt％、V0.15～0.30wt％、Nb0.20～0.40wt％、N0.02～0.12wt％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的馬氏體強(qiáng)熱不銹鋼，其特征在于，所述馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼的化學(xué)成分包含C:0.120.18wt%、Mn:0.35~0.45wt%、Sh0.35~0.45wt%、P《0.020wt%、S《0.015wt%、Cr:11.50~12.50wt%、Ni:1.80~2.20wt%、W:0.70~0.90wt%、Mo:1.401.70wt%、V:0.20~0.30wt%、Nb:0.250.30wt%、N:0.030.08wt%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。3、權(quán)利要求1所述的馬氏體強(qiáng)熱不銹鋼的制造方法，該制造方法包括冶煉、澆注、電渣重熔、加熱、鍛造、退火、調(diào)制熱處理工序，其特征在于，所述不銹鋼的化學(xué)成分包含C:0.100.20wt%、Mn《0.50wt%、Si《0.50wt%、P《0.030wt%、S《0.015wt%、Cr:10.00~13.00wt%、Ni:1.50~2.50wt%、W:0.60~1.00wt%、Mo:1.301.70wt%、V:0.15~0.30wt%、Nb:0.200.40wt%、N:0.020.12wt%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，所述冶煉采用真空感應(yīng)爐冶煉。5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，在所述電渣重熔工序中，熔速為3卯420Kg/h，釆用CaF2、A1203、MgO三元渣系控制渣的粘度和酸堿度，三者配比為6872:2327:46。6、根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，在所述加熱工序中，鋼錠低于450'C加熱，以《5(TC/h的速度加熱14~19h，于12001250。C均勻化后降溫至1180士2(TC保溫3小時(shí)。7、根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，在所述鍛造工序中，鋼坯加熱時(shí)間1.3~2h，加熱溫度1118~1136°C，鍛造比大于6，最后成材火次控制在1120±10°C，軋制成型。8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，在所述軋制過(guò)程中，加熱溫度11151120°C，加熱時(shí)間0.9~1.3h，終軋溫度大于800°C。9、根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，所述退火溫度為700~725°C，退火時(shí)間為2530h。10、根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，在所述調(diào)質(zhì)熱處理工序中，鍛件于1120士l(TC淬火，保溫l-3.5h油冷至室溫，再于680土15。C回火，保溫2~4.5h空冷至室溫。全文摘要本發(fā)明提供了一種馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼及其制造方法。所述馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼的化學(xué)成分包含C0.10～0.20wt％、Mn≤0.50wt％、Si≤0.50wt％、P≤0.030wt％、S≤0.015wt％、Cr10.00～13.00wt％、Ni1.50～2.50wt％、W0.60～1.00wt％、Mo1.30～1.70wt％、V0.15～0.30wt％、Nb0.20～0.40wt％、N0.02～0.12wt％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。通過(guò)強(qiáng)化真空冶煉及鍛造工藝，制得了一種具有強(qiáng)韌性匹配、耐熱能力強(qiáng)且抗腐蝕的馬氏體不銹鋼，該馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼能夠忍耐650℃高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，滿足汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)用耐熱關(guān)鍵部件的使用要求。文檔編號(hào)C22C33/04GK101545076SQ20081003505公開日2009年9月30日申請(qǐng)日期2008年3月25日優(yōu)先權(quán)日2008年3月25日發(fā)明者姚長(zhǎng)貴,孟憲玲,廖洪軍,杉張,徐惠松,方靜賢,樺楊,敏王,童英豪申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司