一种提高含Nb叶片钢冲击功的方法

技术领域

本发明属于特殊钢合金冶炼技术领域，涉及一种含Nb叶片钢的冶炼技术，具体涉及一种提高含Nb叶片钢冲击功的方法。

背景技术

叶片是发动机的关键部件之一，叶片的表面质量、内部质量和力学性能的优劣，会直接影响其综合性能。叶片钢主要用于发电机组汽轮机高温叶片及螺栓部件。

汽轮机叶片分为静叶片和动叶片，其主要功能为将高温蒸汽的热能转换为机械能，工作条件非常复杂。运行中转子高速度旋转时，叶片的离心力会引起拉应力；蒸汽流动的压力会造成叶片的弯曲应力和扭转应力；传递至叶根的销钉孔或根齿时，还会产生剪切和压缩应力；机组的频繁启停等还会造成叶片承受交变载荷的作用等等。基于此，对于经常在高温、大交变应力等恶劣环境中工作的叶片钢，要求熔模精密铸造的钢片不仅表面完好，而且内部具有抗疲劳性好的细晶组织和耐高温蠕变的致密组织。因此，良好的强韧性配合，对叶片钢材料的综合力学性能至关重要。

Nb在不锈钢中的重要性表现在物理冶金多样性，Nb在不锈钢中的任何形式都是可利用的，并且表现出比任何别的元素都优异的性能。含Nb叶片钢就是叶片钢中一种常用的钢种，其是一种马氏体不锈钢材料。

针对于不同化学元素组分的含Nb叶片钢而言，其性能受元素含量和组成的影响较大。以往关于含Nb叶片钢的研究大多注重于提升其室温拉伸性能和高温持久性能，以期实现高强度、高硬度的叶片钢，然而却忽视了如何有效提升含Nb叶片钢的冲击功。

如专利文献CN 104213041 B公开了一种汽轮机叶片用耐磨损钢及其生产工艺，该钢种中Nb含量为0.01-0.03％，并含有诸多用于冶炼的稀土元素如Pm、Lu、Dy等，有效减弱了叶片钢中合金元素的偏析现象，大幅度提高了叶片的抗冲击磨损性能，但该钢种的成本高，稀土元素种类较多，控制不易，冶炼工艺复杂。

市面上一种常用的含Nb叶片钢的化学成分如下：按重量百分比Wt％为：C：0.16～0.23％、Mn：0.30～0.80％、Si：≤0.50％、Ni：0.20～0.50％、Cr：10.0～11.5％、Mo：0.50～0.80％、V：0.10～0.30％、Nb：0.30～0.55％、N：0.05～0.10％，余量是Fe及杂质。目前该含Nb叶片钢因为有较好的综合力学性能，被广泛用于叶片及螺栓材料。但是，采用目前的生产方法，使得该钢种的冲击功富裕不充分，难以达到很好的工程使用要求，因此有待于进一步提高该钢种的冲击功。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述技术问题，从而提供一种提高含Nb叶片钢冲击功的方法。本发明的技术目的在于，对现有被广泛用于叶片及螺栓材料的含Nb叶片钢的生产工艺进行改进，以期解决该钢种冲击功较低的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种提高含Nb叶片钢冲击功的方法，所述含Nb叶片钢的元素组成按重量百分比计为：C：0.16～0.23％、Mn：0.30～0.80％、Si：≤0.50％、Ni：0.20～0.50％、Cr：10.0～11.5％、Mo：0.50～0.80％、V：0.10～0.30％、Nb：0.30～0.55％、N：0.05～0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质；

所述方法是采用以下步骤进行冶炼：

(1)冶炼时加入钢液重量0.03～0.05％的稀土元素Pr控制晶界净化；并采用Si-Ba-Al代替Al进行脱氧，控制脱氧后残余Al含量≤0.005wt％；

(2)采用保护气氛电渣进行重熔精炼；

(3)锻造采用1200～1230℃高温均匀化处理。

本发明的发明人发现，通过采用上述改进方法处理的含Nb叶片钢，能够显著提升其冲击功。

本发明的上述方法中，由于稀土元素只需要添加Pr一种，使得其冶炼工艺容易控制，另外采用Si-Ba-Al代替Al进行脱氧，降低了Al的含量，使得低Al的Si-Mn脱氧产物对于该类叶片钢细化晶粒作用明显，从而显著提升了其冲击功。传统方法在高Al脱氧的情况下，脱氧产物基本为Al

另一方面，采用本发明的冶炼方法，在冶炼过程中MnO-SiO

同时，在保护电渣重熔冶炼过程中，对于铸态组织能够更加均匀；而由于含Nb钢极易偏聚，采用高温均匀化处理能够改善该现象使钢锭更加均匀。经过上述方法处理，本发明最终获得的含Nb叶片钢组织均匀，不会出现偏聚现象，其冲击功得到了显著提升。

进一步的是，所述含Nb叶片钢的元素组成按重量百分比计为：C：0.18％、Mn：0.37％、Si：0.35％、Ni：0.32％、Cr：10.8％、Mo：0.67％、V：0.21％、Nb：0.44％、N：0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步的是，所述不可避免的杂质包括：P≤0.015％，S≤0.015％。

进一步的是，步骤(1)中所述稀土元素Pr的加入时间为待熔化成70％以上的钢液时加入。

进一步的是，步骤(1)中所述Si-Ba-Al中各元素的重量占比为Si：Ba：Al＝0.5：2：1。

进一步的是，步骤(2)中所述保护气氛电渣为氦气保护性电渣氛围。

进一步的是，步骤(2)中进行重熔精炼的重熔电渣系为：MgO：CaO：SiO

本发明的有益效果如下：

(1)本发明提供了一种能够显著提升含Nb叶片钢冲击功的方法，通过本发明方法，能够在原先生产工艺上，将该含Nb叶片钢的冲击功提升一倍以上；

(2)本发明的冶炼方法工艺简单，操作容易控制，冶炼过程中只需要添加一种稀土元素即可达到很好的效果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

一种提高含Nb叶片钢冲击功的方法，该含Nb叶片钢的元素组成按重量百分比计为：C：0.16％、Mn：0.30％、Si：0.50％、Ni：0.20％、Cr：10.0％、Mo：0.50％、V：0.10％、Nb：0.30％、N：0.05％，P：0.015％，S：0.015％，余量为Fe；

该含Nb叶片钢是采用以下方法进行冶炼：

(1)冶炼时加入钢液重量0.03％的稀土元素Pr控制晶界净化，稀土元素Pr的加入时间为待原料70％熔化成钢液时加入；并采用Si-Ba-Al代替Al进行脱氧，各元素的重量占比为Si：Ba：Al＝0.5：2：1，控制脱氧后残余Al含量为0.005wt％；

(2)采用氦气保护气氛电渣进行重熔精炼，重熔渣系为：MgO：CaO：SiO

(3)锻造采用1200℃高温均匀化处理。

实施例2

一种提高含Nb叶片钢冲击功的方法，该含Nb叶片钢的元素组成按重量百分比计为：C：0.23％、Mn：0.80％、Si：0.40％、Ni：0.50％、Cr：11.5％、Mo：0.80％、V：0.30％、Nb：0.55％、N：0.10％，P：0.010％，S：0.012％，余量为Fe；

该含Nb叶片钢是采用以下方法进行冶炼：

(1)冶炼时加入钢液重量0.05％的稀土元素Pr控制晶界净化，稀土元素Pr的加入时间为待原料75％熔化成钢液时加入；并采用Si-Ba-Al代替Al进行脱氧，各元素的重量占比为Si：Ba：Al＝0.5：2：1，控制脱氧后残余Al含量0.002wt％；

(2)采用氦气保护气氛电渣进行重熔精炼，重熔渣系为：MgO：CaO：SiO

(3)锻造采用1230℃高温均匀化处理。

实施例3

一种提高含Nb叶片钢冲击功的方法，该含Nb叶片钢的元素组成按重量百分比计为：C：0.18％、Mn：0.37％、Si：0.35％、Ni：0.32％、Cr：10.8％、Mo：0.67％、V：0.21％、Nb：0.44％、N：0.08％，P：0.010％，S：0.009％，余量为Fe；

该含Nb叶片钢是采用以下方法进行冶炼：

(1)冶炼时加入钢液重量0.04％的稀土元素Pr控制晶界净化，稀土元素Pr的加入时间为待原料80％熔化成钢液时加入；并采用Si-Ba-Al代替Al进行脱氧，各元素的重量占比为Si：Ba：Al＝0.5：2：1，控制脱氧后残余Al含量为0.003wt％；

(2)采用氦气保护气氛电渣进行重熔精炼，重熔渣系为：MgO：CaO：SiO

(3)锻造采用1225℃高温均匀化处理。

测试例

对采用上述实施例1-3的方法生产的含Nb叶片钢产品的冲击功进行检测，各个实施例方法按每批次生产50件样品进行检测，检测后取平均值，检测方法根据现有标准进行，并与未加入稀土元素Pr，以及采用Al进行脱氧的传统生产工艺进行比较。

传统生产工艺如下：

(1)冶炼时不加入稀土元素Pr；采用Al进行脱氧，控制脱氧后残余Al含量不高于0.005wt％；

(2)采用氮气保护气氛电渣进行重熔精炼；

(3)锻造时不进行均匀化处理。

所得检测结果见表1。

表1

从上述表1可以看出，采用本发明的方法所得含Nb叶片钢，能够显著提升其冲击功，提升效果明显。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。