CZ322098A3 - Martenzitická austenitická ocel - Google Patents

Martenzitická austenitická ocel Download PDF

Info

Publication number
CZ322098A3
CZ322098A3 CZ19983220A CZ322098A CZ322098A3 CZ 322098 A3 CZ322098 A3 CZ 322098A3 CZ 19983220 A CZ19983220 A CZ 19983220A CZ 322098 A CZ322098 A CZ 322098A CZ 322098 A3 CZ322098 A3 CZ 322098A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
podrob
weight
martensitic
ena
austenitic
Prior art date
Application number
CZ19983220A
Other languages
English (en)
Inventor
Peter Dr. Ernst
Peter Prof. Dr. Uggowitzer
Markus Prof. Dr. Dr. H. C. Speidel
Reiner Steins
Original Assignee
Abb Research Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Abb Research Ltd. filed Critical Abb Research Ltd.
Priority to CZ19983220A priority Critical patent/CZ322098A3/cs
Publication of CZ322098A3 publication Critical patent/CZ322098A3/cs

Links

Landscapes

  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Martenziticko-austenitickáocel obsahuje v %hmotnostních 8 až 15 %chromu, 0,5 až 2,5 %molybdenu, až 2 %wolframu, 4 až 10 %kobaltu, 0,5 až 6 %niklu, 2,5 až 8 %manganu, 0,1 až 1,0 % vanadu, 0,05 až 0,25 %dusíku, až 0,2 %uhlíku, zbytek tvoří železo s nečistotami. Tatomartenziticko-austenitickáocel může být zejména použitajakomateriál pro rotoiynebo rotorové kotouče plynových turbin při teplotách nad 450 ?C. Dvoufázové martenziticko-austenitické strukturyje dosaženo tepelným zpracovánímpopouštěné vyžíhané a zakalené ocelové struktury v CO rozmezí teplot 550 ?C až 650 ?C.

Description

Martenziticko-austenitická ocel
Oblast techniky
Vynález se týká martenziticko-austenitické ocele, zejména pro použití jakožto materiálu pro deformačně namáhané konstrukční díly plynových turbín.
Dosavadní stav techniky
Dnešní stav techniky představuje použití zušlechtitelných chromových ocelí jakožto materiálu pro součásti tepelných elektráren, zejména jako materiálu pro rotory nebo rotorové kotouče. Oproti superslitinám na bázi niklu se vyznačují zušlechtitelné chromové ocele lepší možností zkoušení bez porušení materiálu. Nadto mají poměrně nízké koeficienty tepelné roztažnosti a vysokou tepelnou vodivost; toto zvyšuje odpor proti teplotní únavě. Zušlechtěné ocele nedosahují však při teplotách nad 450° C potřebných požadavků ohledně žárupevnosti, odolnosti proti tečení a houževnatosti.
Je známa zušlechtěná martenzitická ocel s označením X12CrNiMol2. Tato ocel obsahuje vedle železa 0,10-0,14 % C, 0,10-0,40 % Si, 0,5-0,9 % Mn, 11-12 % Cr, 2-2,6 % Ni, 1,3-1,8 % Mo, 0,2-0,35 % V, 0, 02-0, 05 % N a obvyklé nečistoty. Tato ocel vykazuje v teplotní oblasti pod 450° C poměrně vysokou mez průtažnosti za tepla a poměrně vysokou • · • · odolnost proti tečení. Při teplotách nad 450° C je však mez průtažnosti za tepla a odolnost proti tečení nedostačující. Vzhledem k tomu vykazuje ocel při vyšších teplotách nezanedbatelný sklon ke zkřehnutí.
Z EP-A-481 377 je známa vysocepevná martenzitickoaustenitická ocel se složením v % hmot a to 10 až 17 % chrómu, méně než 4 % molybdenu, až 4 % kobaltu, až 8 % niklu, až 10 % manganu, až 1 % vanadu, až 0,3 % dusíku, až 0,15 % uhlíku, až 6 % křemíku, až 4 % mědi, zbytek železo a nečistoty.
Podstata vynálezu
Úloha vynálezu spočívá v tom, navrhnout martenzitíckoaustenitickou ocel k použití pro rotory nebo rotorové kotouče plynových turbín s postačující žárupevností a houževnatostí v teplotní oblasti od 450° C do nejméně 550° C.
Podle vynálezu je tato úloha vyřešena pomocí znaků prvního nároku.
Jádrem vynálezu je vytvoření velmi jemné dvoufázové mikrostruktury, sestávající z popuštěného martenzitu a termodynamicky stabilního austenitu. Ocel sestává v podstatě z 8 až 15 % ohromu, 4 až 10 % kobaltu, 2,5 až 8 % manganu, 0,5 až 6 % niklu, 0,5 až 2,5 % molybdenu, až 2 % wolframu, 0,1 až 0,5 % vanadu, 0,05 až 0,2 % uhlíku, 0,05 až 0,25 % dusíku, zbytek železo a obvyklé tavením podmíněné nečistoty.
Výhody vynálezu spočívají zejména v tom, že ocel vytvořená s duplexní strukturou vykazuje také při teplotách • · nad 450° C vysokou mez průtažnosti za tepla a vysokou odolnost proti tečení a na základě své vysoké strukturní stability vykazuje dále nepatrný sklon ke zkřehnutí.
Další výhodná provedení vyplývají ze závislých nároků.
Ocel navržená k použití podle vynálezu obsahuje v podstatě v % hmotnostních 8 až 15 % ohromu, 4 až 10 % kobaltu, 2,5 až 8 % manganu, 0,5 až 6 % niklu, 0,5 až 2,5 % molybdenu, až 2 % wolframu, 0,1 až 1 % vanadu, 0,05 až 0,2 % uhlíku a 0,05 až 0,25 % dusíku a může být vyrobena odléváním nebo práškovou metalurgií.
Známé používané 9-12 % chromové ocele dosahují své žáruvzdornosti popřípadě odolnosti proti tečení stabilizačním působením nej jemnějších vyloučenin na dislokační síti v popuštěném martenzitu. U oceli navržené pro použití podle vynálezu přistupuje k jemným vyloučeninám pravidelná plošně centrovaná fáze (austenit), která na základě nepatrné samodifuze a tvorbou fázového rozhraní přispívá ke zvýšení žárupevnosti a odolnosti proti tečení. Martenzitické ocele s austenitem jakožto dvoj fází zlepšující tečení jsou v technice známy. Oproti oceli podle vynálezu se však odlišují v tom, že podíl austenitu není termodynamicky stabilní a tím je dána vysoká náchylnost k tepelné únavě.
Následně jsou uvedena obzvláště výhodná množství pro každý prvek a důvody k volbě rozmezí jednotlivých složek slitiny podle vynálezu.
Prostřednictvím ohromu rozpuštěného v tuhém roztoku je zvýšen oxidační odpor. Tvořením hexagonálních nitridů chrómu • · • · • · · · ··· ··<
• « • · · · může chrom také přispívat ke zlepšení odolnosti proti tečení. Aby toho bylo dosaženo, je nutné nejmenší množství ohromu od 8 % hmotnostních. Obsah chrómu by však neměl být vyšší než 15 % hmotnostních, neboť jinak dochází k tvorbě δ-ferritů, což sebou přináší snížení houževnatosti a odolnosti proti vysokým teplotám. Účelné rozmezí obsahu ohromu činí tedy od asi 8 do 18 % hmotnostních, s výhodu od 9 do 12 % hmotnostních, zejména asi 10 % hmotnostních.
Mangan v předkládané oceli obzvláště účinně zvyšuje rozpustnost dusíku v austenitu. Aby při popouštěcím žíhání došlo k rozpuštění stabilních nitridů hexagonálního typu (Cr, V) 2N a kubického typu (V, Cr)N, je zapotřebí minimální obsah manganu od 2,5 % hmotnostních. Při popouštěcím procesu je mangan zkoncentrován v tvořícím se austenitu a snižuje v rozhodující míře svoji martenziticko-startovací teplotu, to znamená mangan stabilizuje austenit. Také z tohoto důvodu má obsah manganu činit nejméně 2,5 % hmotnostních. Množství manganu by však nemělo překročit 8 % hmotnostních, neboť slitina není zcela austenitická. Účelné rozmezí obsahu manganu činí tedy od asi 2,5 % do 8 % hmotnostních, výhodně od 3,5 do 6,5 % hmotnostních a zejména asi 5 % hmotnostních.
Nikl v martenzitických chromových ocelích zvyšuje houževnatost, neboť například účinně redukuje množství δ-ferritu. Podobně jako mangan stabilizuje nikl austenitickou fázi v duplexní struktuře. Z tohoto důvodu by mělo být ve slitině minimálně 0,5 % hmotnostních niklu. Nad hodnotou obsahu niklu 6 % hmotnostních je výrazně snižován Ac3~bod. Účelné rozmezí obsahu niklu činí tedy od asi 0,5 do 6 % hmotnostních, výhodně od 2 do 5 % hmotnostních a zejména asi 3,7 % hmotnostních.
• · · · · · ···· · · · Λ · φ· φ φ ··· · ·· ·· ··
Kobalt zvyšuje ekvivalent niklu tak dalece, že slitina z taveniny austeniticky ztuhne. Tim je zabráněno efuzi dusíku a tím tvoření pórů. Obsah kobaltu by měl tedy obnášet nejméně 4 % hmotnostní. Obsah kobaltu by ale neměl překročit 10 % hmotnostních, aby slitina ještě vykazovala dostatečně vysokou teplotu Ac3· Účelné rozmezí obsahu kobaltu činí tedy od asi 4 do 10 % hmotnostních, výhodně od 5 do 8 % hmotnostních a zejména asi 6 % hmotnostních.
Molybden podporuje odolnost proti popouštění a žáruvzdornost, proto by jeho obsah měl činit nejméně 0,2 % hmotnostních. Obsah molybdenu by však neměl překročit 2,0 % hmotnostních, neboť jinak může dojít k masivnímu tvoření Lavesových fází. Účelné rozmezí obsahu molybdenu činí tedy od 0,5 do 2,5 % hmotnostních, výhodně od 1,0 do 2,0 % hmotnostních a zejména asi 1,5 % hmotnostních.
Wolfram působí podobným způsobem jako molybden. V důsledku nebezpečí tvoření Lavesových fází by neměl jeho obsah překročit 2 % hmotnostní. Proto leží rozmezí obsahu wolframu od 0 do 2 % hmotnostních, výhodně pod 1 % hmotnostní.
Vanad tvoří spolu s dusíkem a nepatrným podílem chrómu hustou disperzi koherentních a částečně koherentních kubických nitridů, které rozhodujícím způsobem určují žáruvzdornost a odolnost proti tečení. Měl by být přidán v minimálním množství 0,1 % hmotnostní. Jelikož má ale vanad tendenci podporovat tvoření δ-ferritů, nemělo by být překročeno množství 1,0 % hmotnostních. S výhodou leží rozmezí obsahu vanadu od 0,15 do 0,65 % hmotnostních.
·· ·· • * · · · ·
Dusík podporuje v atomárním rozpuštěném stavu bezdifuzní martenzitickou přeměnu z austenitické fáze při ochlazení. Tím je zaručena zušlechtitelnost. Mimoto se tvoří již zmíněné nitridy z vanadem a chromém, popřípadě také s niobem, titanem a tantalem. Dusík by měl být tedy přidán zhruba ve stechiometrických množstvích. Horní hranice 0,25 % hmotnostních by neměla být v důsledku možné efuze dusíku při tuhnutí překročena. Proto činí rozmezí obsahu dusíku od 0,05 do 0,25 % hmotnostních, s výhodou 0,07 až 0,15 % hmotnostních.
Uhlík podporuje spolu s chromém tvorbu karbidů typu CR23C6. Tento karbid odebírá ze základní fáze na základě své stechiometrie více chrómu než CR2N tvořící se v oceli podle vynálezu. Z toho důvodu by neměl obsah uhlíku překročit 0,2 % hmotnostních, s výhodou 0,1 % hmotnostní.
Niob, titan, zirkon a tantal jsou legující prvky, které mohou tvořit spolu s vanadem zvláštní nitridy typu MX. Jejich účinek se zakládá v prvé řadě na tom, že i v malých příměsích zvyšují stabilitu vyloučenin V(N, C) . Při vyšších množstvích je však stabilita nitridů tak vysoká, že při popouštěcím žíhání nemohou být rozpuštěny. Z tohoto důvodu je celkový obsah těchto prvků omezen na 0,5 % hmotnostních.
Bor zvyšuje odpor vyloučenin proti zhrubnutí. Jelikož má sklony k segregaci, musí být jeho množství omezeno na 0,02 % hmotnostních.
Co se týče obvyklých nečistot, podmíněných výrobním postupem, neměly by hodnoty obsahu prvků jako fosfor, síra, antimon, cín a arsen překročit hodnoty uvedené v níže uvedené • · · tttt · tttt · tttt · · • · * · tttt · · • tt ·· • tttt · • tttt · • tttttt tttttt • · • tttt tttt tabulce 2. Je to nutné z důvodu zamezení křehkosti při popouštění.
Ocel podle vynálezu má martenziticko-austenitickou strukturu, která je získána zušlechťovacím procesem. Zušlechťovací proces sestává z popouštěcího žíhání, kalení a následujícího popouštění.
Popouštěcí žíhání by mělo probíhat v rozmezí teplot 1050° C < T < 1250° C, s výhodou při 1100° C < T < 1230° C a zejména při 1200° C, aby byly rozpuštěny všechny nitridy typu VN. Tímto popouštěcím zpracováním je dán obsah austenitu a stupeň vytvrzení martenzitické fáze. Aby byl získán požadovaný podíl austenitu od 15 do 45 %, je třeba volit popouštěcí teplotu v rozmezí 550° C < T < 650° C, výhodně 580° C < T < 630° C.
Příklady provedení vynálezu
V následujícím je příkladně blíže uvedeno jedno obzvláště výhodné provedení shora popsaných slitin, které je označeno jako slitina 817. Složení slitiny 817 je zřejmé z tabulky 1 a z tabulky 2. Tabulka 2 přitom představuje maximální množství možných nečistot.
Po popouštěcím žíhání a zakalení byla slitina při 600° C po dobu 4 hodin popouštěna. Po tomto tepelném zpracování bylo dosaženo dvoufázové martenziticko-austenitické struktury s fázovým podílem austenitu asi 37 % při velikosti fázové oblasti 200 až 300 nm.
• · ····
Vlastnosti slitiny 817 podle vynálezu jsou v tabulce 3 srovnány s již drive zmíněnou slitinou X12CrNiMol2.
Podle tabulky 3 se vyznačuje slitina 817 ve srovnání se slitinou X12CrNiMol2 průběžně lepšími vlastnostmi. Vysoká žáruvzdornost a odolnost proti tečení dovolují její použití jako materiálu pro rotory a rotorové kotouče plynových turbín při zvýšených teplotách do 550° C.
• · · ·· · ► · · ·· · «
Tabulka 1
Prvek Cr Mo w Co Ni Mn V
Hmot.% 10 0,5 1,5 6, 0 3,7 5, 0 0, 5
Prvek Nb Ti Ta N C Fe
Hmot.% <0, 01 0, 01 <0,01 0, 12 <0, 01 Zbytek
Tabulka 2
Prvek P S Sb Sn As
Hmot. % <0,005 <0,002 <0,003 <0,005 <0,005
Tabulka 3
Vlastnost 817 Xl2CrNiMol2
Mez průtažnosti RP0,2 (RT), [MPA] 970 800
Mez průtažnosti RPo,2 (200°C) , [MPA] 920 730
Mez průtažnosti RP0(2 (300°C), [MPA] 860 690
Mez průtažnosti RP0,2 (400°C) , [MPA] 850 650
Mez průtažnosti RP0,2 (500°C) , [MPA] 800 520
Mez průtažnosti RP0(2 ( 600°C) , [MPA] 650
Tažnost (RT), A5 [%] 20 12
Rázová vrubová práce, Av (RT), [J] 80 30-50
FATT50 [°C]; Ay/Hochlage, [J] -30;80
Odolnost proti tečení, Rm/ioooooh/5oo°c, [MPa] >300 170
• ·· ·

Claims (5)

1. Martenziticko-austenitická ocel, obsahující v % hmotnostních 8 až 15 % chrómu, 0,5 až 2,5 % molybdenu, až 2 % wolframu, 4 až 10 % kobaltu, 0,5 až 6 % niklu, 2,5 až 8 % manganu, 0,1 až 1 % vanadu, 0,05 až 0,25 % dusíku, až 0,2 % uhlíku, zbytek železo s nečistotami a volitelně ještě maximálně 0,02 % baru a/nebo volitelně ještě niob, titan, zirkon a tantal v maximálním celkovém množství 0,5 %.
2. Martenziticko-austenitická ocel podle nároku 1 vyznačující se tím, že obsahuje v % hmotnostních 9 až 12 % chrómu a/nebo 1,0 až 2,0 % molybdenu a/nebo 5 až 8 % kobaltu a/nebo 2 až 5 % niklu a/nebo 3,5 až 6,5 % manganu a/nebo 1 % wolframu a/nebo 0,15 až 0,65 % vanadu a/nebo 0,07 až 0,15 % dusíku a/nebo až 0,1 % uhlíku.
3. Použití martenziticko-austenitické ocele podle jednoho z nároků 1 až 2, jakožto žáruvzdorného materiálu a materiálu odolného proti tečení v tepelných elektrárnách.
4. Způsob tepelného zpracování martenzitickoaustenitické ocele podle jednoho z nároků 1 až 2 vyznačující se tím, že ocelová slitina je po popouštěcím žíhání a zakalení popouštěna v rozmezí teplot 550° C až 650° C tak, že vznikne složení s objemovým podílem 20 % až 50 % austenitu.
5. Způsob tepelného zpracování podle nároku 4 vyznačující se tím, že ocelová slitina je
ΦΦ φφ » · φ φ » · · · • •Φ φφφ φ φ φφ φφ podrobena 1050° C < T popouštěcímu < 1250° C.
žíhání rozmezí teplot
CZ19983220A 1997-03-25 1997-03-25 Martenzitická austenitická ocel CZ322098A3 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ19983220A CZ322098A3 (cs) 1997-03-25 1997-03-25 Martenzitická austenitická ocel

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ19983220A CZ322098A3 (cs) 1997-03-25 1997-03-25 Martenzitická austenitická ocel

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ322098A3 true CZ322098A3 (cs) 2000-02-16

Family

ID=5466341

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ19983220A CZ322098A3 (cs) 1997-03-25 1997-03-25 Martenzitická austenitická ocel

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ322098A3 (cs)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5911842A (en) Heat resisting steel and steam turbine rotor shaft and method of making thereof
JP3422561B2 (ja) 熱処理法により得られたマルテンサイト組織を有する耐熱耐クリープ鋼
KR0175075B1 (ko) 증기터빈용 회전자 및 그 제조방법
KR100899801B1 (ko) 단조용 고크롬 페라이트계 내열강
US5798082A (en) High-strength and high-toughness heat-resistant cast steel
JP3354832B2 (ja) 高靭性フェライト系耐熱鋼
US5817192A (en) High-strength and high-toughness heat-resisting steel
US7507306B2 (en) Precipitation-strengthened nickel-iron-chromium alloy and process therefor
Demo Structure, constitution, and general characteristics of wrought ferritic stainless steels: sponsored by Committee A-1 on Steel, Stainless Steel, and Related Alloys
JP4836063B2 (ja) フェライト系耐熱鋼とその製造方法
JP2000510904A (ja) マルテンサイト―オーステナイト鋼
JPS616256A (ja) 12%Cr耐熱鋼
CN100480414C (zh) 耐蠕变的可马氏体硬化的调质钢
JPH11209851A (ja) ガスタービンディスク材
CZ322098A3 (cs) Martenzitická austenitická ocel
JPS60165358A (ja) 蒸気タ−ビン高中圧ロ−タ用高強度高靭性鋼
JP2009280901A (ja) 耐クリープ性鋼
KR20020014853A (ko) 원자력 발전소, 고속증식로, 핵융합로의 고온 및고압부위에 사용되는 저방사화 고크롬 페라이트계내열합금
JP3662151B2 (ja) 耐熱鋳鋼及びその熱処理方法
JPWO1996032517A1 (ja) 高強度・高靭性耐熱鋼
JPH05163556A (ja) タービンロータ
JPH05247593A (ja) 耐食性のすぐれた高強度高靭性ステンレス鋼およびその製造方法
KR20000001321A (ko) 화력발전소 보일러 튜브, 블레이드 및 로타용 고강도 스테인레스 내열재료