[發(fā)明專利]一種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410565593.6
• 申請(qǐng)日: 2014-10-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105586543A
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 司松海;李曉薇;齊克堯;陸松華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 鎮(zhèn)江憶諾唯記憶合金有限公司
• 主分類號(hào): C22C38/58
• 分類號(hào): C22C38/58;C22C30/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

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)

疲勞破壞以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－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(lái)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轂都是熱疲勞破壞的典型例子。為了滿足工業(yè)部門的需要，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(kāi)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

一種能提高熱疲勞性能的耐熱合金鋼，其特征為：C為0.2～0.4wt%，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%（復(fù)合稀土變質(zhì)劑成分為，Ce10～15wt％、La10～15wt％、Yb7～9wt％、Dy6～8wt％、Nd4～6wt％、Ho3～5wt％、Y+Tb+Gd+Er+Tm+Lu+Sc+Pr為8～16wt%、Ti2～4wt%，V2～4wt%，W1～3wt%、Ba1～3wt%、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℃，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。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℃～800℃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(jiàn)表1。

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(guò)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℃至800℃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800℃，水溫20℃（流動(dòng)自來(lái)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0.1mm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。

每個(gè)試樣經(jīng)過(guò)8000次至35000次冷熱循環(huán)后在裂紋最密集處沿橫截面剖開(kāi)，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(jiàn)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。

從表1中數(shù)據(jù)和圖2、圖3中可以看出，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(kāi)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。

附圖說(shuō)明

圖1　熱疲勞試樣尺寸圖

圖2　普通鋼耐熱鋼經(jīng)過(guò)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(guò)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