一种新型稀土改性的9%Cr马氏体耐热铸钢及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种马氏体耐热铸钢，具体来说涉及一种新型稀土改性的9%Cr马氏 体耐热铸钢及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 为提高火力发电站的热效率，降低燃料消耗和减少二氧化碳的排放，当今世界各 国均争先发展超临界和超超临界火电机组。然而，随着机组热效率的提高，超临界和超超临 界火电机组的工作参数也明显提高，这对高温下使用的耐热钢强度、抗腐蚀性和蠕变性能 提出了更高要求。必须采用更耐热、高强度、高韧性的新型马氏体耐热钢材料来替代过去临 界超临界用的lCrl2Mo、lCrl2MoV、lCr9MoVNbN等材料，以满足超超临界发电机用特殊马氏 体耐热钢材料。
[0003] 目前为止，铁素体、马氏体耐热钢一般是通过合金成分和热处理工艺的调整来改 变其显微组织结构进而达到提高高温持久性能的目的。关于各种合金元素在铁素体系耐热 钢中的作用已有诸多文献进行了报道，多集中在Nb、Mo、V、W、Ta、B等。稀土元素在钢中的 作用也有相关研究，包含各种稀土元素的钢种也被开发出来，但目前的研究多集中在某一 单个稀土元素，作为工业产品，单一元素的稀土原料往往价格昂贵，并且难以发挥协同优势 作用。析出强化是9%Cr马氏体耐热钢的主要强化方式之一，马氏体晶界上析出的仏 3(：6型 碳化物、在晶内析出的MX型碳氮化物作为主要的强化第二相，其数量、密度和尺寸是影响 耐热钢性能的重要因素。目前开发的铁素体系耐热钢随着服役时间的增加，其中的主要强 化相M 23C6型碳化物尺寸长大、数量不够，强化效果会明显降低。因而提高马氏体钢中M23C 6 型碳化物的数量，减小其尺寸成为提高材料热稳定性的途径之一。
【发明内容】
[0004] 本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种兼顾耐高温、耐磨损、抗氧 化和抗冲击的综合使用性能，同时具有较低生产成本的一种新型稀土改性的9%Cr马氏体 耐热铸钢。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 一种新型稀土改性的9%Cr马氏体耐热铸钢，以重量百分比计由下列组分组成：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 ;其余为Fe和不可避免的杂 质,稀土为由Ce、La、Y、Pr、Nd中的两种或多种组成的混合稀土。
[0006] 上述新型稀土改性的9%Cr马氏体耐热铸钢作为构成元素还可以含有以重量计 0· 7~1· 5% 的钨。
[0007] 上述新型稀土改性的9%Cr马氏体耐热铸钢作为构成元素还可以含有以重量计 0. 04~0. 08% 的钽。
[0008] 在一个优选的实施方式中，所述新型稀土改性的9%Cr马氏体耐热铸钢以重量百 分比计由下列组分组成：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 余为Fe和不可避免的杂质，稀土为由Ce、La、Y、Pr、Nd中的两种或多种组成的混合稀土。
[0009] 一种新型稀土改性的9%Cr马氏体耐热铸钢的制造方法，包括以下步骤： 第一步：采用以下化学成分及配料，以重量百分含量计（％)，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 ;其余为Fe和不可避免的杂质，稀土为由Ce、La、Y、Pr、 Nd中的两种或多种组成的混合稀土，作为构成元素还可以含有以重量计0. 7~1. 5%的钨，作 为构成元素还可以含有以重量计0. 04~0. 08%的钽,采用常规的各种冶炼方式冶炼,保证烙 炼均匀后，浇铸成所需铸钢件。
[0010] 第二步：先对铸件加热到其Ac3温度以上进行较高温度较长时间的均质化处理， 其次将其再次加热到Ac3温度以上进行充分奥氏体化后出炉空冷进行正火，再次将耐热钢 加热到较低温度进行时效，最后再次将铸件加热到低于Acl进行回火；其具体参数如下： (1) 将铸件加热到1050°C?1200°C之间，可随炉加热也可到温放入，保温5h?12h，保 温时间不局限于此范围，可根据铸件壁厚调整，在此温度范围内可在同一温度下等温也可 分为两个及以上不同温度分别等温一定时间；保温完成后出炉空冷或鼓风冷； (2) 将铸件再次加热到1050°C?1150°C之间，保温Ih?8h，保温时间不局限于此范 围，可根据铸件壁厚调整，保温完成后出炉空冷或鼓风冷至80-KKTC以下，使整个截面完全 发生马氏体转变； (3) 将铸件在150°C?300°C保温IOOh?500h进行时效，空冷到室温； (4) 将铸件加热到700°C?780°C之间保温2h?IOh进行回火，保温时间不局限于此范 围，可根据铸件壁厚调整； (5) 步骤（4)保温回火后的铸件空冷，或炉冷至300°C后空冷； 为了达到更好的使用性能上述的耐热钢热处理方法还可以增加上述步骤中的（4) (5) 工艺进行第二次回火或多次回火。
[0011] 本发明的有益效果是：所述耐热钢的合金成分较传统耐热钢相比，其显著特点在 于Ce、La、Y、Pr、Nd组成的混合稀土的添加，在耐热钢中加入单一的稀土 Ce、La或Y等元素 后（国内外报道甚多)，均在一定程度上改善了耐热钢高温力学性能及耐蚀性能。然而，不同 稀土元素具有不同的原子半径、价电子结构等物理化学特性，因而具有不同的优势作用。如 Y提高耐蚀性能明显，而Ce则能更好的净化钢液、改善晶粒形态。本发明通过不同种类稀土 或多元混合稀土的加入，能够发挥多种稀土的协同优势作用，提高钢的综合力学性能。
[0012] 所述耐热铸钢热处理方法，其优点是，与传统耐热钢正火回火热处理方法相比，其 显著特点是在正火与回火间引入了低温时效热处理。传统热处理方法，耐热钢中的主要强 化相M23C6型碳化物及MX在回火处理时析出，对于M23C6，因温度较高，形核后能够迅速长大， 回火后M23C6S体尺寸较大；对于MX，在板条界和位错处大量析出，但因位错回复的驱动力 较大，有些位错能够脱离MX的钉扎，使后期蠕变时MX对位错的钉扎作用减弱。本发明提出 的热处理方法，通过引入中间低温时效热处理，弥散析出大量细小M 3C，并使位错一定程度 回复，内应力释放和过饱和碳脱溶，降低钢中晶格畸变程度，从而适当的降低了回火时位错 的回复驱动力，使随后回火时在位错处大量析出的MX在后期蠕变时强烈的钉扎位错。回火 时M 23CJU可由大量弥散析出的M 3C原位转变和独立形核生成，数量较多，尺寸较小，在材料 长期服役时提供更好的析出强化效果。
[0013] 该耐热钢具有优良的结构稳定