一種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于耐熱鋼技術(shù)領(lǐng)域，特指一種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼。
【背景技術(shù)】
[0002] 疲勞破壞W許多不同的形式出現(xiàn)，包括僅有外加應(yīng)力或應(yīng)變波動(dòng)造成的機(jī)械疲 勞，循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用引起的蠕變一疲勞，在存在侵蝕性化學(xué)介質(zhì)或至脆介質(zhì)的環(huán) 境中施加反復(fù)載荷時(shí)的腐蝕疲勞，而熱疲勞是指當(dāng)構(gòu)件經(jīng)受溫度變化(熱循環(huán)）時(shí)，因其自 由膨脹、收縮受到了約束而產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變，最終導(dǎo)致龜裂而破壞的現(xiàn)象。隨著 工業(yè)化程度的迅速擴(kuò)大，服役于高溫的材料應(yīng)用范圍也越來越大，且變溫邊界向更高上限 溫度和更低下限溫度發(fā)展，由此造成零件和結(jié)構(gòu)由交變溫度造成的熱疲勞破壞現(xiàn)象日益嚴(yán) 重。熱作模具、熱交換管子和鍋爐管子、燃汽發(fā)動(dòng)機(jī)的輪盤和葉片、高速列車的剎車盤和汽 車的剎車穀都是熱疲勞破壞的典型例子。為了滿足工業(yè)部口的需要，熱疲勞研究蓬勃發(fā)展。 耐熱鋼用途日益廣泛，主要用于制作鋼鐵冶煉設(shè)備、熱加工及熱處理設(shè)備等。但普通金屬 材料及普通耐熱鋼材在冷熱交變環(huán)境中極易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致零件失效。提高材料的耐熱疲 勞性能對(duì)于延長(zhǎng)零部件使用壽命和提高設(shè)備整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性有重要意義，本發(fā)明開發(fā)出一 種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] -種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼，其特征為；C為0. 2~0. 4wt%，化為16~ 18 wt%，Ni 為 18 ~20wt%，Μη 為 2 ~4wt%，W 為 2 ~4wt%，Mo 為 2 ~4wt%，Si 為 1. 5 ~ 2. 5wt%，N為0. 1~0. 4 wt%，復(fù)合稀±變質(zhì)劑0. 3~0. 8wt% (復(fù)合稀±變質(zhì)劑成分為， CelO ~15wt%、LalO ~15wt%、孔7 ~9wt%、Dy 6 ~8wt%、Nd 4 ~6wt%、Ho 3 ~5wt%、 Y+Tb+Gd巧r+Tm+Lu+Sc+Pr 為 8 ~16wt%、Ti2 ~4wt%，V2 ~4wt%，W 1 ~3wt%、Bal ~3wt%、 余為鐵。）余量為鐵。在中頻感應(yīng)電爐中冶煉本發(fā)明耐熱疲勞合金鋼，其冶煉工藝與普通耐 熱鋼相同，冶煉后德注成鑄態(tài)試樣，然后進(jìn)行熱處理，固溶處理溫度為1020 - 112(TC，保溫 2小時(shí)后進(jìn)行空冷，時(shí)效溫度為720 - 78(TC，保溫2. 5小時(shí)，再降至650 - 67(TC，保溫1小 時(shí)，空冷。固溶處理所用設(shè)備為箱式電組爐，時(shí)效處理采用的是井式電組爐。熱處理后取樣 進(jìn)行2(TC~80(TC冷熱循環(huán)熱疲勞實(shí)驗(yàn)，熱疲勞試樣尺寸如圖1所示。熱疲勞性能見表1。
[0004] 采用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)。熱疲勞試樣裝卡在立方卡 具的四個(gè)側(cè)面，保證每塊試樣的加熱與冷卻位置一致。通過傳動(dòng)裝置上下垂直運(yùn)動(dòng)，從而 達(dá)到試樣加熱W及冷卻的自動(dòng)化完成。采用設(shè)時(shí)自控，熱電偶測(cè)量并控制溫度。試樣在室 溫2(TC至80(TC之間進(jìn)行加熱與冷卻的循環(huán)。采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)。調(diào)整并保持爐溫 80(TC，水溫2(TC (流動(dòng)自來水)?？焖偌訜嵩嚇?。加熱、冷卻一次作為一個(gè)循環(huán)，每次循環(huán) 加熱時(shí)間為120s，入水冷卻時(shí)間為5s，直至預(yù)定循環(huán)次數(shù)。對(duì)于研究熱疲勞裂紋萌生的試 樣，每循環(huán)400次，取下試樣，拋光去除表面氧化膜，測(cè)量表面裂紋長(zhǎng)度，W 0. 1mm作為裂紋 萌生長(zhǎng)度，記下試樣裂紋萌生循環(huán)次數(shù)。觀察并對(duì)裂紋的萌生位置照相。對(duì)于研究熱疲勞 裂紋擴(kuò)展的試樣，每循環(huán)200次，取下試樣，拋光并觀察。確定裂紋已經(jīng)萌生后，每循環(huán)200 次觀察裂紋并對(duì)能反映裂紋擴(kuò)展路徑特征的位置照相。
[0005] 每個(gè)試樣經(jīng)過8000次至35000次冷熱循環(huán)后在裂紋最密集處沿橫截面剖開，測(cè)量 裂紋深度。圖2、圖3分別是普通耐熱鋼和本發(fā)明2號(hào)鋼的裂紋表面形貌及截面形貌。從表 面形貌比較可知，普通鋼耐熱鋼的裂紋明顯較本發(fā)明耐熱疲勞合金鋼粗大，并且形成數(shù)條 貫穿表面的主裂紋。可見本發(fā)明耐熱疲勞合金鋼熱疲勞性能較普通鋼耐熱鋼優(yōu)越。
[000引從表1中數(shù)據(jù)和圖2、圖3中可W看出，在進(jìn)行到18000次的時(shí)候，普通耐熱鋼熱疲 勞裂紋在長(zhǎng)度、寬度及深度等方面開始發(fā)展，但本發(fā)明2號(hào)鋼尚未萌生裂紋；進(jìn)行到25000 次時(shí)，普通耐熱鋼裂紋變得更加粗大，裂紋尖端的分枝繼續(xù)擇優(yōu)擴(kuò)展，且普通耐熱鋼裂紋的 縫隙內(nèi)出現(xiàn)明顯的氧化跡象；到35000次時(shí)，各個(gè)試樣均出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展，但本發(fā)明2號(hào)鋼 裂紋擴(kuò)展較為均衡；其附近出現(xiàn)一些不連續(xù)、不規(guī)則的微裂紋，主裂紋相對(duì)其他組織擴(kuò)展較 慢，裂紋萌生、擴(kuò)展如圖2、3所示。
[0007]
【附圖說明】 圖1熱疲勞試樣尺寸圖 圖2普通鋼耐熱鋼經(jīng)過35000次冷熱循環(huán)熱疲勞實(shí)驗(yàn)后裂紋萌生、擴(kuò)展圖 圖3本發(fā)明2號(hào)鋼經(jīng)過35000次冷熱循環(huán)熱疲勞實(shí)驗(yàn)后裂紋萌生、擴(kuò)展圖
【具體實(shí)施方式】 實(shí)施例1 在中頻感應(yīng)電爐中冶煉本發(fā)明耐熱疲勞合金鋼（記為1號(hào)鋼)，成分為；C為0.25~ 0. 35wt%，Cr 為 16. 5 ~17. 5 wt%，Ni 為 18. 5 ~19. 5wt%，Μη 為 2. 5 ~3. 5wt%，W 為 2. 5 ~ 3. 5wt%，Mo 為 2. 5 ~3. 5wt%，Si 為 1. 8 ~2. 2wt%，N 為 0. 2 ~0. 3wt%，復(fù)合稀±變質(zhì)劑 0. 3wt%，余量為鐵。冶煉后德注成鑄態(tài)試樣，然后進(jìn)行熱處理，固溶處理溫度為1050 - 108(TC，保溫2小時(shí)后進(jìn)行空冷，時(shí)效溫度為740 - 76(TC，保溫2. 5小時(shí)，再降至650 - 67(TC，保溫1小時(shí)，空冷。固溶處理所用設(shè)備為箱式電組爐，時(shí)效處理采用的是井式電組 爐。熱處理后取樣后進(jìn)行2(TC~80(TC冷熱循環(huán)熱疲勞實(shí)驗(yàn)，熱疲勞試樣尺寸如圖1所示。 熱疲勞性能見表1。
[000引 實(shí)施例2 在中頻感應(yīng)電爐中冶煉本發(fā)明耐熱疲勞合金鋼（記為2號(hào)鋼)，成分為C為0. 25~ 0. 35wt%，Cr 為 16. 5 ~17. 5 wt%，Ni 為 18. 5 ~19. 5wt%，Μη 為 2. 5 ~3. 5wt%，W 為 2. 5 ~ 3. 5wt%，Mo 為 2. 5 ~3. 5wt%，Si 為 1. 8 ~2. 2wt%，N 為 0. 2 ~0. 3wt%，復(fù)合稀±變質(zhì)劑 0. 6wt%，余量為鐵。冶煉后德注成鑄態(tài)試樣，然后進(jìn)行熱處理，固溶處理溫度為1050 - 108(TC，保溫2小時(shí)后進(jìn)行空冷，時(shí)效溫度為740 - 76(TC，保溫2. 5小時(shí)，再降至650 - 67(TC，保溫1小時(shí)，空冷。固溶處理所用設(shè)備為箱式電組爐，時(shí)效處理采用的是井式電組 爐。熱處理后取樣后進(jìn)行2(TC~80(TC冷熱循環(huán)熱疲勞實(shí)驗(yàn)，熱疲勞試樣尺寸如圖1所示。 熱疲勞性能見表1。
[0009] 實(shí)施例3 在中頻感應(yīng)電爐中冶煉本發(fā)明耐熱疲勞合金鋼（記為3號(hào)鋼)，成分為C為0.25~ 0. 35wt%，Cr 為 16. 5 ~17. 5 wt%，Ni 為 18. 5 ~19. 5wt%，Μη 為 2. 5 ~3. 5wt%，W 為 2. 5 ~ 3. 5wt%，Mo 為 2. 5 ~3. 5wt%，Si 為 1. 8 ~2. 2wt%，N 為 0. 2 ~0. 3wt%，復(fù)合稀±變質(zhì)劑 0. 8wt%，余量為鐵。冶煉后德注成鑄態(tài)試樣，然后進(jìn)行熱處理，固溶處理溫度為1050 - 108(TC，保溫2小時(shí)后進(jìn)行空冷，時(shí)效溫度為740 - 76(TC，保溫2. 5小時(shí)，再降至650 - 67(TC，保溫1小時(shí)，空冷。固溶處理所用設(shè)備為箱式電組爐，時(shí)效處理采用的是井式電組 爐。熱處理后取樣后進(jìn)行2(TC~80(TC冷熱循環(huán)熱疲勞實(shí)驗(yàn)，熱疲勞試樣尺寸如圖1所示。 熱疲勞性能見表1。
[0010] 表1熱疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼，其特征為：C為0. 2~0. 45wt%，Cr為16~ 18 wt%，Ni 為 18 ~20wt%，Μη 為 2 ~4wt%，W 為 2 ~4wt%，Mo 為 2 ~4wt%，Si 為 1. 5 ~ 2. 5wt%，N為0. 1~0. 4 wt%，復(fù)合稀土變質(zhì)劑0. 3~0. 8wt%，余量為鐵；復(fù)合稀土變質(zhì)劑 成分為，CelO ~15wt%、LalO ~15wt%、Yb7 ~9wt%、Dy 6 ~8wt%、Nd 4 ~6wt%、Ho 3 ~5wt%、Y+Tb+Gd+Er+Tm+Lu+Sc+Pr 為 8 ~16wt%、Ti2 ~4wt%, V2 ~4wt%,W 1 ~3wt%、 Bal~3wt%、余為鐵；在中頻感應(yīng)電爐中冶煉本發(fā)明耐熱合金鋼，其冶煉工藝與普通耐熱鋼 相同，冶煉后澆注成鑄態(tài)試樣；然后進(jìn)行熱處理，固溶處理溫度為1020 - 1120°C，保溫2小 時(shí)后進(jìn)行空冷，時(shí)效溫度為720 - 780°C，保溫2. 5小時(shí)，再降至650 - 670°C，保溫1小時(shí)， 空冷；固溶處理所用設(shè)備為箱式電組爐，時(shí)效處理采用的是井式電組爐；熱處理后取樣進(jìn) 行20°C~800°C冷熱循環(huán)熱疲勞實(shí)驗(yàn)；采用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱疲勞試 驗(yàn)，熱疲勞試樣裝卡在立方卡具的四個(gè)側(cè)面，保證每塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過傳 動(dòng)裝置上下垂直運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到試樣加熱以及冷卻的自動(dòng)化完成，采用設(shè)時(shí)自控，熱電偶測(cè) 量并控制溫度；試樣在室溫20°C至800°C之間進(jìn)行加熱與冷卻的循環(huán)，采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行自 動(dòng)計(jì)數(shù)，調(diào)整并保持爐溫80(TC，水溫20°C，流動(dòng)自來水，快速加熱試樣，加熱、冷卻一次作 為一個(gè)循環(huán)，每次循環(huán)加熱時(shí)間為120s，入水冷卻時(shí)間為5s，直至預(yù)定循環(huán)次數(shù)；對(duì)于研究 熱疲勞裂紋萌生的試樣，每循環(huán)400次，取下試樣，拋光去除表面氧化膜，測(cè)量表面裂紋長(zhǎng) 度，以0. 1_作為裂紋萌生長(zhǎng)度，記下試樣裂紋萌生循環(huán)次數(shù)；觀察并對(duì)裂紋的萌生位置照 相；對(duì)于研究熱疲勞裂紋擴(kuò)展的試樣，每循環(huán)200次，取下試樣，拋光并觀察；確定裂紋已經(jīng) 萌生后，每循環(huán)200次觀察裂紋并對(duì)能反映裂紋擴(kuò)展路徑特征的位置照相。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼，C可優(yōu)選為0.25~ 0.35wt%〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼，Cr可優(yōu)選為16. 5~ 17. 5 wt%〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼，Ni可優(yōu)選為18. 5~ 19.5wt%〇5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼，Μη可優(yōu)選為2. 5~ 3. 5wt%〇6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼，W可優(yōu)選為2. 5~ 3. 5wt%〇7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼，Mo可優(yōu)選為2. 5~ 3. 5wt%〇8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼，Si可優(yōu)選為1. 8~ 2. 2wt%，N 可優(yōu)選為 0· 2 ~0· 3wt%。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼，復(fù)合稀土變質(zhì)劑加入量 可優(yōu)選為：〇. 6wt%。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼，固溶處理溫度為 1050 - 1080°C，保溫2小時(shí)后進(jìn)行空冷，時(shí)效溫度為740 - 760°C，保溫2. 5小時(shí)，再降至 650 - 670°C，保溫1小時(shí)，空冷；固溶處理所用設(shè)備為箱式電組爐，時(shí)效處理采用的是井式 電組爐。
【專利摘要】一種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼,屬于耐熱鋼技術(shù)領(lǐng)域，其特征為：C為0.2～0.4wt%，Cr為16～18wt%，Ni為18～20wt%，Mn為2～4wt%，W為2～4wt%，Mo為2～4wt%，Si為1.5～2.5wt%，N為0.1～0.4wt%，復(fù)合稀土變質(zhì)劑0.3～0.8wt%，余量為Fe。在中頻感應(yīng)電爐中冶煉本發(fā)明耐熱疲勞合金鋼，其冶煉工藝與普通耐熱鋼相同，冶煉后澆注成鑄態(tài)試樣，固溶處理溫度為1020－1080℃，保溫2小時(shí)后進(jìn)行空冷，時(shí)效溫度為720－780℃，保溫2.5小時(shí)，再降至650－670℃，保溫1小時(shí)，空冷。熱處理后取樣進(jìn)行20℃～800℃冷熱循環(huán)熱疲勞實(shí)驗(yàn)。
【IPC分類】C22C38/58, C22C30/00
【公開號(hào)】CN105586543
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410565593
【發(fā)明人】司松海, 李曉薇, 齊克堯, 陸松華
【申請(qǐng)人】鎮(zhèn)江憶諾唯記憶合金有限公司
【公開日】2016年5月18日
【申請(qǐng)日】2014年10月22日