马氏体耐热钢的合金特点及应用.docx
- 文档编号:18380753
- 上传时间:2023-08-16
- 格式:DOCX
- 页数:14
- 大小:49.35KB
马氏体耐热钢的合金特点及应用.docx
《马氏体耐热钢的合金特点及应用.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《马氏体耐热钢的合金特点及应用.docx(14页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
马氏体耐热钢的合金特点及应用
马氏体耐热钢特点及应用
摘要
马氏体耐热钢是一种具有热强性耐热钢,其中C和Cr含量较高,通常含铬量为10%~13%,可以通过弥散强化机理加入第二相获得蠕变强度高的马氏体耐热钢。
少量的镍、钼、钒等合金元素来进行合金化处理,铬、硅主要提高钢的抗氧化性,而铬、镍、钼、钨、钒、锰等则用以提高钢的高温强度。
因此,马氏体耐热钢具有高的蠕变强度、耐蚀性和热强性,一般用于汽轮机叶片和内燃机排气阀制造中。
本文简要通过合金元素作用、高温抗蠕变性能、热强性几方面阐述了马氏体耐热钢的性能,在此基础上介绍了马氏体耐热钢的应用现状。
关键字:
马氏体耐热钢;抗蠕变性:
弥散强化;合金元素;汽轮机叶片
Martensiticsteelfeaturesandapplication
Abstract
Martensiticsteelisakindofstrengthofheatresistantsteel,WhereCandCrcontentishigh,usuallychromiumcontentof10%to13%,Dispersionstrengtheningmechanismcanbeobtainedbyaddingthesecondphaseofhighcreepstrengthofmartensiticsteel,Asmallamountofnickel,molybdenum,vanadiumandotheralloyingelementstocarryoutalloying,Chromium,siliconmainlytoimprovetheoxidationresistanceofsteel,However,chromium,nickel,molybdenum,tungsten,vanadium,manganeseistoincreasehightemperaturestrengthofsteel.Therefore,themartensiticsteelhashighcreepstrength,corrosionresistanceandthermalstrength,Generallyusedforturbinebladeandtheinternalcombustionengineexhaustvalvemanufacturing.
Inthispaper,throughtheroleofalloyingelements,hightemperaturecreepresistance,heatstrongresistanceonaspectsofthemartensiticsteelperformance,Onthisbasis,describestheapplicationstatusofmartensiticsteel.
Keywords:
Martensiticsteel;Creepresistance;dispersionstrengthening;alloyingelement;turbineblade
马氏体耐热钢的合金特点及应用
近几十年来,由于燃气轮机、航空航天技术以及其他高温高压技术的发展,对有关机械零部件的要求越来越高。
如火电厂的蒸汽锅炉、蒸汽涡轮,航空工业的喷气发动机,以及航天、舰船、石油和化工等工业部门的高温工作部件,它们都在高温下承受各种载荷,如拉伸、弯曲、扭转、疲劳、和冲击等。
此外,它们还与高温蒸汽、空气或燃气接触,表面发生高温氧化或气体腐蚀。
在高温下工作,钢和合金将发生原子扩散过程,并引起组织转变,这是与常温工作部件的根本不同点。
因为在高温下服役,所以这些零部件技术要求比较苛刻。
通常把在高温条件工作的钢成为耐热钢。
低碳的Cr13型马氏体不锈钢虽有高的抗氧化性和耐腐蚀性,但组织稳定性较差,只能用作450℃以下的汽轮机叶片等,在Cr13型马氏体不锈钢的基础上进一步合金化发展了Cr12型马氏体耐热钢。
[1]
1马氏体耐热钢
1.1马氏体耐热钢定义及分类
耐热钢应具有两方面基本性能,一是有良好的高温强度和塑性,二是有足够高的高温化学稳定性。
根据不同服役条件,常常将耐热钢分为热强钢和热稳定性钢两大类。
耐热钢按显微组织可大致分为珠光体(或珠光体——铁素体)型耐热钢、马氏体型耐热钢、铁素体型耐热钢、奥氏体型耐热钢4类。
而其中珠光体(或珠光体——铁素体)型耐热钢、马氏体型耐热钢和部分奥氏体型耐热钢属于耐热钢范畴。
马氏体耐热钢中C和Cr含量较高,通常指含铬量为10%~13%的铬钢。
为了提高其高温强度,还加入少量的钨、钼、钒等合金元素,常用钢号有1Cr13、1Cr11MoV、1Cr12WMoV等,它们用于制造使用温度低于580℃的汽轮机、燃气轮机及增压器叶片。
这类钢在动力、化工、石油等工业部门经常使用,在常规碳含量下其组织特征均为马氏体,所以成为马氏体耐热钢。
其合金元素总量主要在中合金范围内,有时也称中合金耐热钢。
目前,马氏体耐热钢主要是指wCr=9%~12%的马氏体耐热钢。
该钢可分为普通型、改良型和新型wCr=9%~12%马氏体耐热钢。
在标准的9Cr21Mo钢化学成分的基础上,采取适当措施降低碳、硫、磷,添加微量钒、铌、氮等碳化物促进元素,通过优化热处理规范显著提高材料的持久强度,这就是改良型wCr=9%~12%耐热钢;在改良型耐热钢的基础上,减少钼含量,添加钨或硼、钴等元素,进行优化热处理后获得蠕变强度更高的钢种,即为新型的wCr=9%~12%耐热钢。
对于汽轮机用马氏体耐热铸钢,按照蒸汽温度可分为3档:
当蒸汽温度低于570℃时,选用普通型wCr=9%~12%钢,如日本的SFVA2F28、MJC12、德国的G17CrMoV5210、ASTMA213T9、ASTMA335P9;当蒸汽温度为593~610℃时,一般选用改良型wCr=9%~12%钢,如我国新研制的ZG1Cr10MoVNbN、KT5916、KT5917、TOS301、GX12CrMoVNbN91和GX12CrMoWVNbN1011;当蒸汽温度为630~650℃时,一般选用新型wCr=9%~12%钢,如我国新研制的ZG1Cr10MoWVNbN、TOS302、TOS303、TR1150、NF616、NF12和SAVE12等[2]。
马氏体耐热钢一般在1000℃以上加热淬火,以保证所有碳化物固溶与金属元素的有效利用然后空冷或油冷。
回火温度根据工件工作温度及性能要求选用,一般高于使用温度100℃,并应避开400~600℃回火脆性区,回火后采用空冷或油冷。
1.2马氏体耐热钢的工作条件及其对性能的要求
动力机械、石油化工等设备中许多构件是300℃以上的温度下工作的,有的甚至高达1200℃以上。
这些高温工作构件要承受各种载荷,有的还受到冲击作用;同时还与各种高温气体接触,表面会发生高温氧化或燃气腐蚀;钢在高温下长期工作时,其内部将发生原子扩散的过程,因而会使组织结构发生变化这与室温下工作的钢构件是截然不同的。
因此,对耐热钢性能的基本要求是[3]:
①有足够的高温强度、抗蠕变性能、抗松弛性能及高温疲劳强度;
②有足够高的化学稳定性,及抗高温氧化性;
③有良好组织稳定性;
④有良好导热性,热膨胀系数要小;
⑤好的铸造性、焊接性、可锻性;
2马氏体耐热钢合金化
图1 长期高温失效的X20CrMoV1211耐热钢的显微组织
Fig11 MicrostructureofX20CrMoV12heatresistant
steelafterlongtermexposureat
elevatedtemperature
通过实效析出高熔点的弥散相或加入难熔的弥散相,可以提高耐热钢的耐热温度,是增强耐热强钢的最有效方法之一。
弥散相强化与沉淀析出的第二相的性质、形态、大小、和分布有关。
弥散分布的细小高强度(硬度)碳氮化物和一些金属间化合物是常见的强化相。
高合金含量的固溶强化对提高耐热钢的强度具有一定的效果,但高铬耐热钢一般采用细小弥散的第二相粒子强化来提高其强度。
因为细小弥散的第二相粒子在提高材料强度的同时,可起到钉扎位错、阻碍位错运动,从而进一步提高耐热钢强度的作用。
虽然各种高铬耐热钢由于碳含量的不同,使材料相变点、热处理后材料的力学性能存在一定的差异,但这些耐热钢一般具有相似的组织结构[4、5].经淬火+回火处理后可得到典型的含有高密度位错的板条马氏体如图1所示。
从图中可见,在晶界和马氏体板条界上有M23C6碳化物沉淀,在晶内有弥散的V/Nb碳氮化合物MX、M2X(M为金属元素,X为非金属元素C、N等)起到沉淀强化作用。
对高铬耐热钢组织结构的研究结果表明,有多种类型的稳态和亚稳态碳化物(如MX、M2X、M7C3、M23C6和M6C)出现在不同的材料中或同一材料不同的热处理条件下。
细小弥散的MX或M2X沉淀强化以及马氏体板条界形成稳定的M23C6碳化物是使该类合金钢具有高蠕变强度的主要原因。
其中期强化作用的各合金元素分别起着重要作用:
2.1碳与氮的作用
碳能强化钢,在较低温度时,钢的蠕变主要是以滑移为主,碳有强化作用;在较高温度下,钢的蠕变是以扩散塑性变形为主,而碳促进了铁原子的自扩散,所以起了不利的作用。
而且在高温下形成的碳化物容易聚集长大,碳含量高的耐热钢容易产生石墨化现象,则降低钢的热强性。
碳含量高同时也降低钢的工艺性能,降低抗氧化性。
所以在耐热钢中尽可能的降低碳含量。
在超超临界转子钢中,碳主要以固溶态或碳化物的形式存在,是提高高温强度的重要元素。
对于回火后组织仍以马氏体为主的12%Cr系耐热钢,碳含量为0.22%(质量分数)时强度最高。
碳含量越高淬火硬度就越高,从而使回火过程中碳化物聚集长大速度加快,蠕变断裂强度降低,故TAF钢碳含量一般定在0.16~0.20%(质量分数)[6]。
此外,藤田和朝仓等人的研究指出,10Cr22Mo系耐热钢蠕变断裂强度因(V+Nb)/C的值改变而变化,而且碳的影响与碳化物的溶解、析出行为有关,相应于碳化物生成元素的种类、数量以及热处理温度、碳添加量等存在最佳范围。
在铁素体型耐热钢中,氮固溶于铁素体基体后,在提高强度的同时还可以通过形成氮化物而产生二次硬化。
关于12Cr21Mo2VNb钢蠕变断裂的系列研究[7]表明,0.1%N(质量分数)会使620~650℃下的持久强度降低,而0.01~0.04%N(质量分数)则显著改善持久强度,故TAF钢的氮含量定为0.016~0.020%N(质量分数)。
对于回火马氏体-铁素体双相耐热钢,如9Cr22Mo2VNb系钢,在(0.02~0.04)%(质量分数)范围内,氮含量越高,强度越高。
又如,在12Cr22Mo2VNb系钢中,氮含量直到0.05%(质量分数)时蠕变强度还在提高,但当氮含量达到0.1%(质量分数)时,残留碳化物增加,强度下降。
此外,在Nb2N组合添加情况下,N在0.02%(质量分数)左右时作用效果达到顶点。
而V2N组合时,N在0.05%(质量分数)以上时VN的析出强化效果显著。
因此,N的影响与氮化物的溶解、析出行为有关。
N的效果、最佳添加量因氮化物生成元素的种类、数量以及热处理温度不同而变化。
在C2N复合添加的影响方面,有人认为,在12Cr21Mo2VTa钢中,C、N形成的Ta的碳氮化物起着强化作用。
C+N量在(0.16~0.20)%(质量分数)时可以得到最高的蠕变断裂强度,但超过这一范围时强度下降,且C、N比最好为1:
1。
而小田等人的研究指出,在9Cr2W2Mo2VNb钢中,C对长时间的强度、N对短时间强度有贡献,C、N复合添加效果最好。
2.2铬的作用
在耐热钢中,元素Cr不但能够改善钢的抗氧化性和淬透性,而且若其含量合适,对钢的高温蠕变强度也有重要贡献。
例如,在600~650℃需要5%Cr;在800℃时需要12%Cr[8];温度在1000℃,Cr含量达到18%。
Cr也能固溶强化,提高钢的持久强度和蠕变极限。
高Cr铁素体热强钢开发初期,人们一直认为Cr含量的增加会强化钢中各原子间的化学键,从而导致这类钢在高应力、短时间条件下蠕变强度的提高。
然而,R.Hashizume及K.Miki等人在研究Cr对Cr2Mo2V2Nb2W2Co2B系高Cr铁素体热强钢蠕变性能影响时发现,Cr含量过多会因促进钢中回复和马氏体组织软化而损害650℃的蠕变开裂强度,而且Cr在(8.5~11.5)%(质量分数)的含量范围内,9%Cr2Mo2V2Nb2W2Co2B钢呈现出最高的持久蠕变强度(650℃,98MPa条件下)。
如表1含Cr5%(质量分数)以上的耐热钢中,在不生成δ铁素体的范围内,Cr含量越多强度越高,但在生成δ铁素体的情况下,Cr含量越高强度越低。
表1 常见的高铬耐热钢600℃,105h下的持久强度
Table2 Stressrupturestrengthofcommercialhighchromiumsteelat600℃,105h
钢种
热处理工艺
持久强度/MPa
X20
1h×1050℃+2h×750℃,空冷
59
P91/T91
0.5h×1050℃+1h×750℃,空冷
94
P92/T92
2h×1070℃+2h×775℃,空冷
115
E911
118
HCM12A
110
2.3镍i的作用
元素Ni具有固溶强化作用。
主要是为了获得工艺良好的奥氏体组织而加入。
对抗氧化性影响不大Mn可以部分代替Ni,是奥氏体耐热钢的常用元素。
Ni不能提高铁素体的蠕变抗力,所以珠光体和马氏体中很少用Ni合金化。
因此,对于耐热钢来说,为改善韧性,Ni以少量添加(0.5%(质量分数)左右)为宜。
在12Cr21Mo2VNb钢中加入1%(质量分数)以上的Ni时虽然能使δ铁素体消失,但也会使蠕变断裂强度降低。
这是由于Ni能使相图中A1转变点下移、铁素体稳定区域变窄,从而使回火温度降低,这对于提高高温强度不利[9]。
因此,对于耐热钢来说,为改善韧性,Ni以少量添加(0.5%(质量分数)左右为宜。
2.4硅的作用
Si一般作为提高钢抗氧化性的辅助元素加入耐热钢中,其效果比Al还要有效。
在铬钢中Si代替部分Cr。
但Si不能提高钢的热强性,当Si超过3%时会使钢的室温塑形急剧降低,脆性大。
并且Si促进石墨化,使碳化物易于聚集长大。
所以一般Si含量在2%~3%。
但是对蠕变断裂强度影响不大[10]。
2.5钼和钨的作用
Mo,W在钢中主要有两种存在形式,是高熔点金属,进入固溶体后能提高钢基体的高温强度。
另外也能析出较稳定的碳化物是钢的高温强度提高。
所以Mo、W是提高低合金耐热钢热强性能的重要因素[11]。
Mo,W固溶于基体中和存在于第二相中,且后者将降低Mo,W的固溶度。
由于Mo和W与Fe的原子半径相差较大,故其固溶强化效果尤其显著。
另一方面,这两个元素既可以溶解于碳化物和金属间化合物中形成热力学及尺寸稳定的第二相(碳化物、氮化物或金属间化合物)颗粒,又可以提高基体的再结晶温度。
因此,Mo和W是提高钢的高温蠕变性能的理想元素。
此外,加Mo还可以减小回火脆性,Mo、Cr还有降低碳化物聚集和石墨化的能力。
但是Mo形成的氧化物MoO3,熔点只有795℃是钢的抗氧化性变坏。
W元素作用与Mo相似。
2.6钒和铌的作用
元素V作为重要的强化元素很早被用于燃气涡轮机涡轮盘及蒸汽涡轮上,其典型代表就是12Cr2Mo2V钢。
就10Cr21.5Mo钢的蠕变断裂强度而言,在550℃,含(0.25~0.3)%(质量分数)V时的强度较高,但在600~700℃下以0.2%V(质量分数)的强度最高。
另外,对比V和Nb的效果,在低温短时间下Nb有作用,而在高温长时间下V有作用[12]。
对于12%Cr系钢,Nb通过形成NbC可提高其蠕变断裂强度。
含Nb钢的强度随着淬火温度的提高而上升,当淬火温度为1100℃时,Nb添加量为(0.15~0.2)%(质量分数)时强度最高。
对于回火马氏体系的12%Cr系耐热钢,在V、Nb单独添加的情况下,高温长时间下效果变小。
当V、Nb复合添加时,各自强化作用叠加,使得强度提高,从低温到高温,直到长时间强度变高[13]。
铌是强碳化物形成元素,其形成的NbC、Nb4C3具有极强的高温稳定性,对钢的蠕变极限、持久强度、冲击韧性、脆性、临界转变温度、焊接性能等均有良好影响。
钒与铌属于同一副族,在钒与铌复合加入钢中时,对钢的蠕变极限及持久强度产生的影响就更为明显[14]。
3马氏体耐热钢的应用
3.1汽轮机叶片用钢
汽轮机叶片工作温度在450~620℃,其蠕变强度、耐蚀性和耐腐蚀磨损性能比珠光体型热强钢的要求更高[15]。
2Cr11Mo1VNbN钢属马氏体不锈钢,主要用于制造300MW汽轮机的动叶片、螺栓、螺母等重要零件。
该钢是在Cr12型钢的基础上发展起来的,Cr12型马氏体钢虽有较高的抗氧化性和抗腐蚀性,但马氏体回火组织的稳定性较差,只能用作较低温度的蒸汽涡轮叶片。
为了强化Cr12型马氏体耐热钢的性能,加入了Mo、V、Nb、N等合金元素研制成功了2Cr11Mo1VNbN钢,它是目前12%Cr系耐热钢中性能最好的钢种之一,比12%Cr系钢种常用温度高出100℃
该钢特点是经适当热处理后的强韧性配和较好,热加工性能好,根据该钢制造零件的服役条件,对材质除要求较高的常规力学性能外,还要求在长期的时效条件下有良好的高温蠕变持久性能等特殊性能。
为充分挖掘该钢力学性能的潜力,有必要对该钢的热处理工艺、组织和性能进行系统试验。
在大量试验的基础上,优选该钢最佳热处理工艺,以便制订合适的热处理工艺制度。
汽轮机叶片用钢2Cr11Mo1VNbN的化学成分见表2[16]。
在马氏体铬不锈钢中,碳是奥氏体形成元素,在热处理时使钢产生马氏体相变,提高钢材的硬度和强度。
随着碳的增加,钢的强度和硬度随之提高,但带来耐蚀性下降,韧性降低,焊接困难等不利影响。
铬是铁素体形成元素,足够量的铬可使钢成为单一的铁素体不锈钢,为了使钢在淬火时产生马氏体相变,铬和碳之间存在着一个相互依存关系,但碳的溶解极限随铬含量的提高而减少。
铬提高钢的淬透性。
在淬火和回火条件下,由于铬的增加使稳定的铁素体量增加,因而降低了钢的硬度和抗拉强度。
钼是铁素体形成元素,促进铁素体形成能力相当于铬。
在马氏体铬不锈钢中,钼除改善钢的耐蚀性外,主要是增加回火稳定性和强化二次硬化效应,
同时增加钢的强度,而韧性并不降低。
钢中添加钼还可提高其使用温度。
铌是强碳化物形成元素,其形成的NbC、Nb4C3,具有极强的高温稳定性,对钢的蠕变极限、持久强度、冲击韧性、脆性、临界转变温度、焊接性能等均有良好影响。
钒与铌属于同一副族,在钒与铌复合加
入钢中时,对钢的蠕变极限及持久强度产生的影响就更为明显。
氮在钢中影响类似于碳,但对耐蚀性不产生有害影响。
氮是一种很强的形成和稳定奥氏体的元素,在钢中的作用主要是固溶强化和时效沉淀强化;形成和稳定奥氏体组织,并提高其强度;借渗入方法与钢表面层中的铬等合金元素形成氮化物,增加表面的硬度、强度、耐磨性及耐蚀性等。
表2 汽轮机叶片用钢2Cr11Mo1VNbN的化学成分/%
Table1Chemicalcompositionofsteel2Cr11Mo1VNbNforturbineblade/%
炉号
元素
C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
Mo
Nb
V
Al
Co
Ti
Sn
W
N
G11228
0.17
0.39
0.62
0.028
0.005
0.551
0.65
0.98
0.41
0.22
0.012
0.019
0.00
0.014
0.05
0.0872
3.2内燃机排气阀用钢
内燃机排气阀的阀端位于燃烧室中,工作温度在700~850℃之间,燃气中还含有V2O、Na2O、SO2、PbO等气体,这些气体对阀门产生严重的高温氧化腐蚀。
同时阀门承受2000~5000次/min的高速运动和频繁动作,以及7~15Mpa的爆炸压力,使其受到机械疲劳和热疲劳的作用,阀门还受到燃气的冲刷腐蚀磨损及与阀间的摩擦损失。
因此阀门用钢应具有高的热强性、硬度、韧性、抗高温氧化性、耐腐蚀性,并要求在高温下有良好的组织稳定性和加工工艺性能。
而内燃机进气阀门的工作温度比较低(300~400℃),一般使用的40Cr、叶片用马氏体热强钢含碳量比较低,硬度和耐磨性不高,耐热温度较低,耐腐蚀抗氧化性也不高[17]。
因此,排气阀用钢应该具有更高的含C量和含Si量,其典型钢种有4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo钢。
ω(C)提高到0.4%,可提高钢的耐磨性和综合性能;Cr、Si的配合加入提高了Ac1和Ac3,提高了出现FeO的温度,从而提高热强性。
4Cr9Si2钢的Ac1为870~890℃,Ac3为950~970℃可用于700℃工作的阀门。
4Cr10Si2Mo钢加入Mo可进一步提高热强性,Mo溶于Cr碳化物中,提高其稳定性,Mo溶于Cr碳化物中,提高其稳定性,Mo还能降低这类钢的高温回火脆性。
该钢可用于750℃工作的阀门[18]。
在Cr13型不锈钢的基础上通过进一步合金化,发展了马氏体型热强钢(耐热钢),其典型钢种的牌号和化学成分、性能和用途如表3[19]
表3马氏体热强钢的特性和用途
Table3Martensiticsteelthermalcharacteristicsanduseofstrong
钢号
特性和用途
1Cr5Mo
能抗石油裂化过程中产生的腐蚀,用于制作再热蒸汽管、石油裂解管、蒸汽轮机汽缸衬套、泵的零件、阀、活塞杆、高压加氢设备部件、紧固件
4Cr9Si2
有较高热强性,用于制作内燃机进气阀,轻负荷发动机的排气阀
4Cr10Si2Mo
有较高热强性,用于制作内燃机进气阀,轻负荷发动机的排气阀
8Cr20Si2Ni
用于制作耐磨性为主的吸气、排气阀、阀座
1Cr11MoV
有较高热强性,良好减震性及组织稳定性,用于制作工作温度小于540℃透平叶片及导向叶片
1Cr12Mo
用于制作汽轮机叶片
2Cr12MoVNbN
用于制作汽轮机叶片、盘、叶轮轴、螺栓
1Cr12WMoV
有较高热强性,良好减振性及组织稳定性,用于制作工作温度小于590℃汽轮机动叶片,紧固件、转子及轮盘
2Cr12NiMoWV
用于制作工作温度小于550℃的汽轮机叶片、盘、叶轮轴、螺栓
1Cr13
用于制作工作温度小于450℃的汽轮机变速级叶片
1Cr13Mo
用于制作汽轮机叶片、高温、高压蒸汽用机械部件
2Cr13
淬火状态下硬度高,耐蚀性良好,用于制作汽轮机叶片
1Cr17Ni2
用于制作具有较高程度的耐硝酸及有机酸腐蚀的零件、容器和设备
1Cr11Ni2W2MoV
具有良好的韧性和抗氧化性能,在淡水和湿空气中有较好耐腐蚀性,用于制作工作温度小于450℃要求的高耐腐蚀和高强度的叶片等
0Cr17Ni4CuNb
用于制作燃气透平压缩机叶片、燃气
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 马氏体 耐热钢 合金 特点 应用