表面處理鐵素體/馬氏體9-12%鉻鋼的方法

2023-05-27 17:58:06

專利名稱：表面處理鐵素體/馬氏體9-12%鉻鋼的方法
技術領域：
本發明涉及材料技術領域。本發明涉及一種表面處理鐵素術馬氏體9—12 XCr鋼的方法，該Cr鋼主要用於製造在火力發電廠(DampfoailweriO中使用 的構件。這種鋼遭受高溫(通常為600—65(TC)，因此必須防止由氧化和隨之而 來的剝落引起的退化，也即質量損失。
背景技術：
由現有技術公知，尤其是用鉻高合金化的奧氏體鋼用於發電站的過熱器管 和中間過熱器管。由奧氏體鋼公知，M表面的冷成型，例如通過用碳素鋼小 顆粒對鋼表面高速轟擊(=噴丸處理)，材料可獲得改善的氧化行為。其原因在 於經如此處理的表面的馬氏體轉變，其中產生大量晶界，這使得存在於鋼中的 鉻能夠到達表面，並在那形成氧化鉻，其防止該材料進一步的氧化(見於D. Caplan, Com Science 6(1966), 509以及Y Minami, NKK Tech. Rev 75(1996), 1 )。
此外，含約9-12%鉻的鐵素像馬氏體鋼是公知的，其主要用於管、閥和殼 體。對此，可例舉出如，P92鋼(化學組成(重量％): 0.12C,0.5Mn,8.9Cr,0.4 Mo, 1.85W,0.2V，其餘為鐵和不可避免的雜質)和E911鋼(化學組成(重量％): 0.11 C， 0.35 Mn, 0.2 Si， 9.1 Cr, 1.01 Mo, 1.00 W, 0.23 V,其餘為鐵和不可避免的雜 質)。由於其化學組成，這些鐵素彬馬氏體鋼一般比奧氏體鋼更不抗氧化，但其 在現代發電站中同樣常需承受高達62(TC的高溫。因此，為防止對此類鋼材的有 害氧化，發展了特種塗層(A. AgUero, R. Muelas, Mat. Sci. Forum,巻461(1994), 957)。這種 餘層的缺點一方面在於貴，另一方面為不總是可靠。在施加塗層時， 總需要一次或者甚至多次的熱處理，這又是耗費和耗時的，尤其是因為在發電 站建設中，必須熱處理很大的構件。因此，長久以來，人們期望替代的，特別 是簡單的可能方法來防止此種鐵素彬馬氏體鋼的氧化。
與奧氏體鋼不同，由於其不同的組織結構，公知的噴丸處理對鐵素術馬氏 體鋼沒有，的積極效果。
然而，如果在置於高溫和蒸汽負載前，此種鋼材經受純鉻顆粒的噴丸處理
和隨後在70(TC的熱處理的話，由H. Haruyama^ H. Kutsumi, S. Kuroda^ F. Abe, Proc. of EPRI Conf., (2004), 659-667報導了對此種鋼材在蒸汽中抗氧化性有小的 增強。但後者缺點在於非常成本密集和就在發電站建設中所期望的組織結構而 言是不合意的。

發明內容
本發明的目的是開發一種表面處理鐵素彬馬氏體9一12%&鋼的方法，用 該方法可以這樣改變所述鋼的結構，從而達到強烈改善的氧化行為，以及提高 的在50(TC以上，尤其是65(TC的使用溫變下在蒸汽中對固體微粒侵蝕的抗性。 該方法應該是成本有利的，使用簡單，並且在沒有對組件進行額外的熱處理情 況下就產生良好結果。
本發明的核心在於，在表面處理鐵素術馬氏體鋼的方法中，該方法用於提 高耐氧化性禾樹固體微粒侵蝕的抗性，
a) 在第一步驟中，用鋼顆豐樹鋼表面進行已知的噴丸，禾口
b) 接下來在第二步驟中，用玻璃顆粒進行噴丸。
本發明的優點在於，這種表面處理過的鐵素像馬氏體鋼，當在高溫下在蒸 汽環境中使用時，例如通常用於高溫-渦輪機的葉片時，與未處理過的鐵素體/ 馬氏體鋼相比，表現出改善的耐氧化性。
此外該方法還是成本有利的，因為對於鐵素彬馬氏體鋼而言，沒有現有技 術中對於已知方法而言必須的額外熱處理步驟也行。
本發明方法具有意想不到的效果，明顯可看到，與對鐵素像馬氏體鋼無效 的冷作硬化過程不同的工藝在材料的表面上起作用。可以使玻璃顆粒包埋在表 面內，或者在表面上進行材料的微合金化，從而形成對氧化的防護作用。
特別有利的是，在第一步驟中用鋼顆粒噴丸的和在隨後的第二步驟中用玻 璃顆粒噴丸的材料接下來在第三步驟中，對表面進行精細光滑化，在此應該調 節表面粗糙度為<0.5拜，尤其^<0.3拜。從而實現在50(TC以上的整個操作 、鵬過程中，對於由鐵素術馬氏體9—12%&鋼製得的蒸汽輪機葉片而言，可 以保持對氧化和固體侵蝕的高抗性。


在附圖中表示本發明的實施例。附圖為
圖l:根據本發明處理過的鐵素體9% Cr鋼在65(TC/蒸汽下的氧化行為與
未處理過的鐵素體9XCr鋼的氧化行為的比較，禾口
圖2:根據本發明處理過的鐵素體9% Cr鋼在650。C/蒸汽下的氧化行為與
表面粗糙度的關係(示意性的)。
具體實施例方式
以下藉助實施例和圖1到2更詳細地解釋本發明。
根據本發明處理具有以下化學組成(以重量％表示)的鐵素體9% Cr鋼 (E911型) 0.11 C 0.35 Mn 0.2 Si 9.1 Cr 1.01 Mn 1.00 W 0.23 V 0.07 N 0.07Nb
其^^和不可避免的雜質。
在第一步驟中，用鋼顆粒(C含量為0.1X的碳鋼)對戰鋼進行噴丸，所 ，粒的粒度為200—450^m。工藝參數為 壓力6 bar
時間4一5分鐘
角度(噴嘴與表面所成的角度)80—85°
接下來在第二步驟中，用玻璃顆粒(粒度300—400拜)對這樣處理過的
鋼進行噴丸。該第二步驟的工藝參數為
壓力2—2.5 bar
時間4分鐘
角度(噴嘴與表面所成的角度)80_85°
在兩種情況下有利的是，不需要對材料進行後續的熱處理，因而本發明方 法是成本有利的，並且可簡單地使用。
在圖1中表示如上所述根據本發明處理過的Cr鋼在650。C/蒸汽下的氧化行
為與未處理過的鐵素體9%Cr鋼的氧化行為進行比較。
根據本發明處理過的鋼表現出根本上改善的氧化行為。尤其是在較長的時
效硬化時間(Auslagerungszeit)情況下還表明，在根據本發明處理過的材料情 況下的重量增加顯著小於未處理過的參考鋼情況下的重量增加。在時效硬化時 間約為2000小時後，未處理過的參考鋼情況下的重量增加例如為約31 mg/cm2， 而相同組成的根據本發明處理過的鋼情況下的重量增加只有20 mg/cm2。後者所 述的值在約1500h後就iiiU，並且差不多保持恆定。對於未處理過的參考鋼而 言，則不能這樣認為，因為在此情況下， 一方面絕對值顯著較高，另一方面， 即使在超過2000 h的時效硬化時間後，在蒸汽中也達不到重量增加的恆定值， 而總是隨著時效硬化時間增長而升高。
本方法具有出人意料的效果，明顯可看到，與對鐵素彬馬氏體鋼無效的冷 作硬化過程(Kaltverfestigungsprocess)不同的機理通過在材料的表面上噴丸而 起作用。可以使玻璃顆粒包埋在表面內，或者進行表面的微合金化，從而形成 對抗氧化的防護作用。
本方法的另一積極效果與蒸汽輪機的效率相關。為保證蒸汽輪機的高空氣 動力學效率，其葉片最初就被生產為具有非常精細的表面(最終粗糙度為0.3 pm)。這種低的粗糙度水平(Rauhigkeitsniveau)必須在葉片長期的工作壽命中 保持。然而，在工作時，材料表面或是因5更質(氧化物)顆粒的碰撞和衝擊變 得粗糙，這些顆粒是從葉片上遊的元件表面剝落的，或是在高溫蒸汽環境中葉 片表面的氧化自身致使氧化物從表面剝落，並因itk^成其表面極度的粗糙化。 因此有利的是，對根據權利要求1的，方法補充使表面光滑化的後續步驟， 該步驟例如可以是在噴玻璃後進行滾磨(tumbling)。
在圖2中示意性表示根據本發明處理過的鐵素體9% Cr鋼在65(TC/蒸汽下 的氧化行為與表面粗糙度的關係。
已經發現，在處理方法的第二步驟後，有利的是，接下 過滾磨而使表 面光滑到粗糙度小於0.5拜，雌小於0.3拜(=第三個任選工藝步驟)，鋼的 氧化行為可以進一步得到改善。
因此，本發明方法特別適合於由鐵素像馬氏體9—12Cr鋼製成的構件，例 如葉片，,燃氣輪機和蒸汽輪機中遭受超過55(TC，優選600—65(TC的溫度。
顯然，本發明並不受限於所描述的工作實施例。既可以改變材料也可以改
變處理參數，因此比如本發明方法還非常好地適合於改善X20型鋼
(X20CrMoV12)或P91型鋼(X10QMoVNb91)的耐氧化性。
權利要求
1、一種表面處理鐵素體/馬氏體9-12％Cr鋼的方法，用以達到改善的氧化行為以及提高的在500℃以上，尤其是650℃的使用溫度下在蒸汽中對固體微粒侵蝕的抗性，其特徵在於，a)在第一步驟中，用鋼顆粒對鋼表面進行已知的噴丸，和b)接下來在第二步驟中，用玻璃顆粒進行噴丸。
2、 根據權利要求l的方法，其特徵在於，在隨後的第三步驟中，對表面進 行光滑化，直到粗 造度低於0.5,， ttil低於0.3^im。
3、 根據權利要求1或2的方法在渦輪機部件，尤其是渦輪機葉片上的用途。
全文摘要
本發明涉及一種表面處理鐵素體/馬氏體9-12％Cr鋼的方法，目的是為了達到改善的氧化行為，以及提高的在500℃以上，尤其是約650℃的使用溫度下在蒸汽中對固體微粒侵蝕的抗性。該方法的特徵在於，在第一步驟中，用鋼顆粒對鋼表面進行已知的噴丸，和接下來在第二步驟中，用玻璃顆粒進行噴丸，在此任選在隨後的第三步驟中，對鋼表面進行光滑化。不需要接下來進行額外的熱處理。
文檔編號C21D7/00GK101353719SQ20081021544
公開日2009年1月28日 申請日期2008年6月13日 優先權日2007年6月15日
發明者R·B·斯卡林, R·諾德勒, S·斯特勞布 申請人:阿爾斯託姆科技有限公司