本發(fā)明涉及耐熱鋼領(lǐng)域，具體為一種650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼及其制備方法，具有優(yōu)異的室溫和高溫力學(xué)性能以及高溫強(qiáng)度、持久強(qiáng)度、高溫蠕變等性能均可滿足625℃及以上蒸汽溫度下使用要求。

背景技術(shù)：
目前，中國(guó)火電行業(yè)以蒸汽溫度和壓力較低的亞臨界機(jī)組為主力機(jī)型，發(fā)電平均煤耗高，污染嚴(yán)重。因此，大力發(fā)展低煤耗、低污染的超超臨界火電機(jī)組技術(shù)是中國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)和保障國(guó)家能源安全的最重要措施之一?；痣姀S中超臨界和超超臨界機(jī)組鑄件材料所用的鐵素體耐熱鋼具有導(dǎo)熱系數(shù)高、線膨脹系數(shù)小、耐腐蝕能力高和工藝性好等優(yōu)點(diǎn)。為了適應(yīng)更高運(yùn)行參數(shù)的要求，鐵素體耐熱鋼自20世紀(jì)40年代起發(fā)展至今已有70多年，期間開(kāi)發(fā)出了許多新型號(hào)的高Cr鐵素體耐熱鋼，根據(jù)對(duì)成分的優(yōu)化工藝不同，大致可分為4個(gè)階段。第一階段發(fā)展的代表鋼種是EM12，是上世紀(jì)50年代末由比利時(shí)研制出來(lái)的，在9％Cr鋼基礎(chǔ)上添加了Mo、V和Nb元素，當(dāng)時(shí)成為超級(jí)9Cr鋼，主要用于過(guò)熱器管，但由于沖擊韌性差，沒(méi)有得到廣泛使用。第二階段的代表鋼種是T/P91，該鋼種由美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和燃燒工程公司聯(lián)合研制，從成分上，降低了C、Mo、V和Nb的含量，增加了微量的B(約10ppm)，性能優(yōu)于EM12，至今應(yīng)用廣泛。第三階段的代表鋼種是T/P92，以部分W元素代替了Mo，這種鋼具有較高的許用應(yīng)力，將允許使用的最高蒸汽溫度提高到620℃，主要用于過(guò)熱器和再熱器部件。第四階段的鐵素體耐熱鋼研究還在進(jìn)行中，可將最高使用溫度提升至650℃。在成分優(yōu)化設(shè)計(jì)上，加入了Co元素，大幅增加了B元素含量，達(dá)到了100ppm以上。新型的鐵素體耐熱鋼代表鋼種有9Cr-3W-3Co系的SAVE12鋼，主要應(yīng)用于蒸汽管道等部件的鍛造用鋼；9Cr-1Co-100ppmB系的ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB鋼，是德國(guó)的Sande公司研發(fā)并生產(chǎn)的，由于具有較好的鑄造性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼及其制備方法，具有優(yōu)異的室溫和高溫力學(xué)性能以及高溫強(qiáng)度、持久強(qiáng)度、高溫蠕變等性能均可滿足650℃及以上蒸汽溫度下使用要求。本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼，按重量百分比化學(xué)組成為：C：0.08～0.15％；Si：0.15～0.3％；Mn：0.7～1.1％；Cr：9.0～11.0％；Mo：0.5～1.0％；Co：2.5～3.5％；RE：0.3～0.6％；Zr：0.1～0.2％；V：0.1～0.2％；Nb：0.05～0.08％；N：0.02～0.03％；B：0.008～0.014％，余量是Fe和雜質(zhì)，所述雜質(zhì)為：P≤0.01％；S≤0.001％；Cu≤0.02％。所述的650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼，Mo的含量?jī)?yōu)選0.8％。所述的650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼，Co的含量?jī)?yōu)選3.0％。所述的650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼，RE為Ce元素，添加的RE為金屬Ce，含量?jī)?yōu)選0.4％。所述的650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼，Zr的含量?jī)?yōu)選0.15％。所述的650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼，該耐熱鋼的制備方法采用真空感應(yīng)爐中初煉，再經(jīng)電渣重熔精煉，澆注成型，經(jīng)900±20℃保溫8～12h后，退火緩冷出爐。所述的650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼，熱處理工藝參數(shù)如下：奧氏體化工藝：加熱溫度1120～1170℃，保溫2～4h，冷卻方式：油冷或強(qiáng)風(fēng)冷；回火工藝：加熱溫度710～750℃，保溫2～4h，冷卻方式：爐冷。所述的650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼，熱處理工藝參數(shù)優(yōu)選如下：奧氏體化工藝：加熱溫度1150℃，保溫3h；冷卻方式：強(qiáng)風(fēng)冷；回火工藝：加熱溫度730℃，保溫3h；冷卻方式：爐冷。本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想如下：本發(fā)明650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼，通過(guò)降低Mo含量，增加Co含量實(shí)現(xiàn)充分抑制δ鐵素體形成并且增強(qiáng)了Co元素的固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)添加了RE和Zr元素，提升鋼液的純凈度，穩(wěn)定基體中形成的細(xì)小碳、氮化物，細(xì)化晶粒尺寸，并且抑制基體中微量B元素在晶界處的富集，起到提升整體使用性能的作用。其中，主要元素的作用如下：碳：碳是奧氏體形成元素并擴(kuò)大γ相區(qū)。在Fe-Cr-C系統(tǒng)中，主要的相是碳化物，其類型包括有Cr23C6、Cr7C3、Fe3C等，如：鋼中含有Ti或Nb，還會(huì)形成NbC、TiC的MC型碳化物。鉻：鉻是鐵素體形成元素，是使鋼獲得不銹性的工業(yè)可利用的唯一元素。馬氏體不銹鋼中，鉻與鋼中的碳、氮的交互作用使鋼在高溫時(shí)具有穩(wěn)定的γ相或α+γ相區(qū)。鉻降低了奧氏體向鐵素體和碳化物的轉(zhuǎn)變速度，使C曲線明顯右移，從而降低了淬火的臨界冷卻速度，致使鋼的淬硬性增加并獲得空淬效應(yīng)。鉬：鉬促進(jìn)Fe-Cr合金鈍化以及鉬形成鉬酸鹽后的緩蝕作用，提高了不銹鋼在還原介質(zhì)中的耐蝕性能，同時(shí)鉬改善耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕性能，其作用是鉻的3.3倍。在馬氏體不銹鋼中，鉬的加入促使密排立方M2X相的析出，增加了鋼的二次硬化效應(yīng)。由于鉬合金化的M2X具有極高的穩(wěn)定性，減緩了M23C6碳化物取代過(guò)程，增加了鋼的回火穩(wěn)定性，但過(guò)量的鉬將促使δ鐵素體的形成。鈷：鈷是一種奧氏體形成元素，其能力相當(dāng)于鎳。在馬氏體不銹鋼中鈷是能降低δ鐵素體同時(shí)又提高M(jìn)s點(diǎn)的唯一合金元素。每添加1wt％Co，δ含量降低6wt％同時(shí)Ms點(diǎn)大約提高10℃。固溶強(qiáng)化，增加了馬氏體本身的硬度。在含鉬的可控相變馬氏體不銹鋼中，當(dāng)鋼中的鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4wt％時(shí)鈷會(huì)顯現(xiàn)明顯的二次硬化效應(yīng)，且隨鈷含量的增加，硬化效果隨之提高。鋯：鋯在煉鋼過(guò)程中是強(qiáng)脫氧、脫硫元素，能夠防止鋼的熱脆性。同時(shí)，由于鋯的碳、氮化物結(jié)構(gòu)極為穩(wěn)定，阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大。鋯在增加淬透性的作用僅次于硼，在鈦和釩之間。但由于鋯在鋼中的溶解度很小，其加入量不可過(guò)多。稀土元素RE在鋼中的凈化作用主要表現(xiàn)在可深度降低氧和硫的含量，有利于減少低熔點(diǎn)元素的有害作用，還能抑制這些雜質(zhì)在晶界上的偏析。稀土元素對(duì)鋼的結(jié)晶組織的影響主要是使晶粒變細(xì)、等軸晶率提高，其機(jī)制是稀土元素的化合物充當(dāng)了結(jié)晶的非自發(fā)核心。稀土元素在鐵液中與鐵原子是互溶的，在凝固過(guò)程中，被固/液界面推移最后富集于枝晶間或晶界。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是：1、目前ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB鋼鑄件仍只能滿足于625℃超超臨界機(jī)組的使用，為了進(jìn)一步提升性能，本發(fā)明在ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB鋼的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了Mo和Co元素含量，添加了微量的RE和Zr元素，大幅度提升了材料的使用性能，可以滿足650℃超超臨界機(jī)組鑄件的使用。2、目前關(guān)于鐵素體耐熱鋼成分的授權(quán)及公開(kāi)專利申請(qǐng)有：“一種耐高溫620度的鑄鋼材料的制備工藝(CN104911453A)”，是指采用ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB鋼進(jìn)行鑄鋼件的制備工藝技術(shù)的專利申請(qǐng)，重點(diǎn)在冶煉技術(shù)工藝?！耙环N超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用耐熱鋼(CN103667967A)”，其申請(qǐng)的材料成分是在X12CrMoWVNbN10-1-1鋼的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，其中Co含量為2～4％，Mo含量為0.6～1.1％，W含量為1～3％，而本發(fā)明中Co和Mo含量范圍更加精準(zhǔn)，并且不含W元素，新增RE和Zr元素。“一種鐵素體耐熱鋼(CN102453843B)”中W含量為2.5～3％，Mo含量為0.1～0.2％，Zr≤0.01％，而本發(fā)明中并不含W，Mo和Zr元素含量范圍并不重疊，并且新增Co和RE元素。“用于630℃超超臨界汽輪機(jī)葉片的含Re鋼材料及其制造方法(CN104831160A)”中Mo+W含量2.2～3.2％，Co含量0.5～2％，Re≤0.3％，并且Re為金屬元素錸，而本發(fā)明中不含W和Re元素，Mo含量范圍更加精準(zhǔn)，Co和RE含量不重疊，并且指出RE為金屬Ce，增加Zr元素。具體實(shí)施方式在具體實(shí)施過(guò)程中，本發(fā)明通過(guò)采用真空感應(yīng)爐中初煉，再經(jīng)電渣重熔精煉，澆注成型，鑄件經(jīng)900±20℃保溫8～12h后，退火緩冷出爐至室溫，再經(jīng)加熱至1120～1170℃、保溫2～4h、空冷至室溫的奧氏體化工藝，以及加熱至710～750℃、保溫2～4h、爐冷至室溫的回火工藝處理，得到650℃超超臨界鑄件用馬氏體耐熱鋼，具有優(yōu)異的室溫和高溫力學(xué)性能以及高溫強(qiáng)度、持久強(qiáng)度、高溫蠕變等性能，均可滿足650℃及以上蒸汽溫度下使用要求。上述650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼的力學(xué)性能指標(biāo)如下：抗拉強(qiáng)度：σb≥750MPa；屈服強(qiáng)度：σ0.2≥650MPa；伸長(zhǎng)率：A≥35％；斷面收縮率：Z≥45％。上述650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼的高溫持久試驗(yàn)如下：實(shí)驗(yàn)條件：溫度650℃；應(yīng)力245N/mm2；斷裂時(shí)間T≥300小時(shí)。下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1：本實(shí)施例中，650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼按重量百分比化學(xué)組成為：C：0.15％；Si：0.15％；Mn：1.1％；Cr：9.0％；Mo：1.0％；Co：2.5％；Ce：0.6％；Zr：0.1％；V：0.2％；Nb：0.05％；N：0.03％；B：0.008％，余量是Fe和雜質(zhì)，所述雜質(zhì)為：P≤0.01％；S≤0.001％；Cu≤0.02％。采用真空感應(yīng)冶煉，調(diào)整好合金成分后澆鑄成標(biāo)準(zhǔn)單鑄試塊，經(jīng)900℃，10h退火緩冷出爐。鑄件加熱溫度1170℃，保溫2h，強(qiáng)風(fēng)冷，回火加熱溫度710℃，保溫4h，爐冷。力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到如下：抗拉強(qiáng)度：σb＝755MPa；屈服強(qiáng)度：σ0.2＝660MPa；伸長(zhǎng)率：A＝35.6％；斷面收縮率：Z＝45.8％；高溫持久試驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)條件：溫度650℃；應(yīng)力245N/mm2；斷裂時(shí)間T＝305小時(shí)。實(shí)施例2：本實(shí)施例中，650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼按重量百分比化學(xué)組成為：C：0.08％；Si：0.3％；Mn：0.7％；Cr：11.0％；Mo：0.5％；Co：3.5％；Ce：0.3％；Zr：0.2％；V：0.1％；Nb：0.08％；N：0.02％；B：0.014％，余量是Fe和雜質(zhì)，所述雜質(zhì)為：P≤0.01％；S≤0.001％；Cu≤0.02％。采用真空感應(yīng)冶煉，調(diào)整好合金成分后澆鑄成標(biāo)準(zhǔn)單鑄試塊，經(jīng)900℃，10h退火緩冷出爐。鑄件加熱溫度1120℃，保溫4h，油冷，回火加熱溫度750℃，保溫2h，爐冷。力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到如下：抗拉強(qiáng)度：σb＝7650MPa；屈服強(qiáng)度：σ0.2＝670MPa；伸長(zhǎng)率：A＝36.2％；斷面收縮率：Z＝46.6％；高溫持久試驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)條件：溫度650℃；應(yīng)力255N/mm2；斷裂時(shí)間T＝308小時(shí)。實(shí)施例3：本實(shí)施例中，650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼按重量百分比化學(xué)組成為：C：0.14％；Si：0.17％；Mn：0.8％；Cr：9.4％；Mo：0.7％；Co：2.8％；Ce：0.32％；Zr：0.12％；V：0.15％；Nb：0.06％；N：0.024％；B：0.011％，余量是Fe和雜質(zhì)，所述雜質(zhì)為：P≤0.01％；S≤0.001％；Cu≤0.02％。采用真空感應(yīng)冶煉，調(diào)整好合金成分后澆鑄成標(biāo)準(zhǔn)單鑄試塊，經(jīng)900℃，10h退火緩冷出爐。鑄件加熱溫度1130℃，保溫4h，強(qiáng)風(fēng)冷，回火加熱溫度720℃，保溫2h，爐冷。力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到如下：抗拉強(qiáng)度：σb＝765MPa；屈服強(qiáng)度：σ0.2＝670MPa；伸長(zhǎng)率：A＝36.9％；斷面收縮率：Z＝46.1％；高溫持久試驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)條件：溫度650℃；應(yīng)力245N/mm2；斷裂時(shí)間T＝312小時(shí)。實(shí)施例4：本實(shí)施例中，650℃超超臨界鑄件用耐熱鋼按重量百分比化學(xué)組成為：C：0.09％；Si：0.2％；Mn：0.9％；Cr：10.0％；Mo：0.8％；Co：3.0％；Ce：0.4％；Zr：0.15％；V：0.2％；Nb：0.08％；N：0.025％；B：0.013％，余量是Fe和雜質(zhì)，所述雜質(zhì)為：P≤0.01％；S≤0.001％；Cu≤0.02％。采用真空感應(yīng)冶煉，調(diào)整好合金成分后澆鑄成標(biāo)準(zhǔn)單鑄試塊，經(jīng)900℃，10h退火緩冷出爐。鑄件加熱溫度1150℃，保溫3h，強(qiáng)風(fēng)冷，回火加熱溫度730℃，保溫3h，爐冷。力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到如下：抗拉強(qiáng)度：σb＝750MPa；屈服強(qiáng)度：σ0.2＝675MPa；伸長(zhǎng)率：A＝36.8％；斷面收縮率：Z＝46.9％；高溫持久試驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)條件：溫度650℃；應(yīng)力255N/mm2；斷裂時(shí)間T＝331小時(shí)。