專利名稱：具有納米析出相強化的奧氏體耐熱鋼及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種具有納米析出相強化的奧氏體耐熱鋼及其制造方法，屬于冶金技 術領域。
背景技術：
提高發電效率、減少CO2及其它有害氣體的排放、節約資源是今后火電機組的發展 方向。提高蒸汽參數，發展大容量機組是提高熱效率的主要手段。目前世界各國火電機組 參數已由亞臨界參數發展到超臨界參數，甚至超超臨界(ultra-super critical, USC)參 數。發展USC機組的關鍵技術是開發熱強度高、抗高溫煙氣氧化腐蝕和高溫汽水介質腐蝕、 可焊性和工藝性良好、價格相對低廉的耐熱鋼材料。提高耐熱鋼高溫強度的途徑主要有以下兩種第一，固溶強化，如添加固溶強化元 素Cr、Mo、W和Re等高熔點元素；第二，彌散強化，通過熱處理析出或摻雜形成第二相。其中 彌散強化的效果與彌散相顆粒的數量和大小有關，彌散相顆粒越小，數量越多，其強化效果 越好。在9-12%鉻型鐵素體系耐熱鋼中為獲得穩定的MX(M是指釩、鈮等元素，X是指碳和 氮)型納米析出相，專利ZL02801301. 8公開了一種鐵素體系耐熱鋼及其制造方法，通過減 少碳元素含量到0. 01 %以下，添加鈷元素確保淬火性，同時添加氮元素和MX形成元素，實 現了在晶界上和晶內的界面上析出MX型強化相，提高了高溫蠕變強度。文獻[R.L.Klueh， et al. Development of new nano-particle—strengthened martensitic steels. Scripta Materialia，53 (2005) 275-280]采用熱機械處理(thermomechanical treatment)的方法, 在馬氏體板條內的基體中獲得了大量分布的MX型納米析出相。專利200710113974. 0公開 了一種鐵素體系耐熱鋼獲得高密度納米強化相的方法，首先通過正火處理獲得含有位錯亞 結構的板條狀馬氏體，然后再經高溫回火處理在馬氏體板條內獲得高密度且均勻分布的MX 型納米強化相，高密度的位錯亞結構為納米強化相的析出提供了形核位置。但對奧氏體耐 熱鋼來說，由于在冷卻過程中不發生相變和形成高密度位錯亞結構，因而不易獲得高密度 納米強化相。目前，還沒有文獻報道在奧氏體耐熱鋼中獲得高密度且均勻分布的納米強化 相的方法。超超臨界鍋爐的過熱器和再熱器由于對高溫強度和高溫抗腐蝕性要求更高而普 遍采用奧氏體型耐熱鋼，如HR3C等。HR3C是日本住友金屬命名的牌號，在ASME標準中的 材料牌號為SA312-TP3IONbN(UNS S31042)。HR3C鋼是在TP310奧氏體耐熱鋼的基礎上，通 過限制碳含量，并復合添加質量分數為0. 20% 0. 60%的強碳氮化物形成元素鈮和質量 分數為0. 15% 0. 35%的氮，利用析出彌散分布、細小的NbCrN相和富Nb的碳氮化物以及 M23C6(M是Cr和可置換Cr的金屬元素，如Fe)型碳化物來進行強化。目前，HR3C耐熱鋼產品 的生產工藝流程是棒料_坯料加工_熱擠壓_冷軋_固溶處理-成品[蔣淮海.TP310HNbN 鍋爐鋼管制造工藝研究，先進電站用耐熱鋼與合金研討會，上海2009]，其最終熱處理工藝 是固溶處理，顯微組織是在奧氏體基體上分布有NbCrN型強化相，但這些強化相的尺寸較 大，約在Iym左右，小的也在IOOnm以上，而且數量很少，每平方微米面積內強化相數目不足0. 1個。而且這種耐熱鋼，由于含碳量較高，其質量分數在0. 04-0. 10%之間，在服役過程 中在晶界處析出大量富Cr的M23C6型碳化物，導致晶界產生貧Cr區，增加高溫晶界腐蝕傾 向和降低晶界強度。
發明內容
本發明的目的是提供一種提供一種能克服上述缺陷、工作性能優良的具有納米析 出相強化的奧氏體耐熱鋼及其制造方法，其技術方案為具有納米析出相強化的奧氏體耐熱鋼，其特征在于化學成分按質量百分數計 為C 0. 002-0. 02，Cr 24-26, Ni :22_24，Nb+Ta 0. 2-0. 6，N 0. 15-0. 35，Mn ^ 2. 00，P 彡0. 030, S ^ 0. 030，Si ^ 0. 75，余量為Fe和不可避免的雜質，在晶粒內部均勻分布有高 密度的NbCrN型納米強化相，尺寸在20-60nm之間，每平方微米納米強化相顆粒數在5_30 個，在晶界上分布的M23C6型碳化物占晶界面積的百分數低于20%。具有納米析出相強化奧氏體耐熱鋼的制造方法，其特征在于將構成元素的原料 組合物經熔煉、熱加工和冷加工制成鋼件，然后進行最終熱處理；最終熱處理分兩步第一 步，固溶處理，將鋼件加熱到1170-1250°C，保持30-60min，然后水冷到室溫；第二步，退火 處理，將經過固溶處理后的鋼件加熱到800-950°C，保持30-240min，然后空冷到室溫。規定各構成元素含量范圍的理由解釋如下碳促進M23C6型碳化物沿晶界析出，產生晶界貧鉻區，增加晶界腐蝕傾向，降低晶 界強度。因此，本發明鋼中，碳的含量控制在0.002 0.03%之間；氮與鈮、鉭等元素結合形成CrNbN型納米強化相。氮含量低于0. 15%，不足以形 成足夠的CrNbN型納米強化相。但含量超過0. 35%，在熔煉和凝固過程中會析出粗大CrNbN 相，在固溶處理時難以溶入奧氏體，在長期服役過程中會成為蠕變斷裂的裂紋源，降低鋼件 的蠕變斷裂壽命。因此，本發明鋼中，氮的含量控制在0. 15 0. 35 %。鉻提高耐蝕性和抗氧化性。為保證既具有良好的耐蝕性和抗氧化性，本發明鋼中 鉻含量規定在24 26%之間。鎳奧氏體形成元素。鎳含量過低，不足以形成全部穩定的奧氏體基體。又因為鎳 為稀缺元素，為降低成本，鎳的含量控制在22-24%。鈮和鉭是CrNbN型納米強化相形成元素，當鈮和鉭含量低于0.2%時，不足以形 成足夠的CrNbN型納米強化相，高于0. 6 %時，在熔煉和凝固過程中容易形成粗大CrNbN相， 在固溶處理時難以溶入奧氏體，在長期服役過程中會成為蠕變斷裂的裂紋源，降低鋼件的 蠕變斷裂壽命。因此，本發明鋼中，鈮和鉭的含量控制在0. 2 0. 6%之間。硅、錳、磷和硫作為雜質元素，其含量分別控制在Si 75%, Mn^ 2. 00%, P 彡 0. 030%, S 彡 0. 030%。本發明鋼的最終熱處理工藝為固溶處理加退火處理。本發明鋼在成型加工狀態下 的顯微組織由奧氏體基體和粗大的NbCrN相組成，固溶處理的目的就是將這些粗大相盡量 多的溶解到基體中，為下一步在退火過程中析出更多的納米強化相做準備。隨固溶處理溫 度的升高和保溫時間的延長，粗大的NbCrN相溶解的就越多，退火后析出的納米強化相密 度就越高。但溫度太高或時間太長，會導致奧氏體晶粒過于粗大，不利于本發明鋼的性能。 本發明鋼確定的固溶處理溫度在1170-1250 V之間，時間在30-60min之間，優選的固溶處理工藝參數為1200-1220°C保持45-50min，然后水冷到室溫。固溶處理后的退火處理是在鋼的奧氏體晶粒內部獲得均勻分布的高密度NbCrN 型納米強化相的關鍵。溫度低于800°C，NbCrN型納米強化相的析出時間延長。但溫度高于 950NbCrN型納米強化相的析出密度減少，顆粒尺寸增加，降低彌散強化效果。本發明推 薦的退火處理工藝是800-950°C，保持30-240min，然后空冷到室溫。優化的退火處理工藝 是850-880°C，保持60-80min，然后空冷到室溫。本發明與現有技術相比，其優點是本發明的奧氏體耐熱鋼在奧氏體晶粒內部獲 得均勻分布的高密度的NbCrN型納米強化相，其熱穩定性高，高溫強化效果好，在晶界上分 布的M23C6型碳化物占晶界面積的百分數低于20%，抗晶間腐蝕能力強。
圖1是本發明奧氏體耐熱鋼(實施例2)中的納米強化相形貌；圖2是傳統奧氏體耐熱鋼(實施例5)在晶界形成的M23C6型碳化物形貌。
具體實施例方式表1列出了成分在本發明規定范圍內的4種奧氏體耐熱鋼和1種傳統奧氏體耐熱 鋼的化學成分。經熔煉、熱加工和冷加工后制得耐熱鋼件，然后按本發明的最終熱處理方 法進行熱處理，熱處理工藝參數見表2。經熱處理后的鋼件一部分加工成金相試樣在FEI Sirion掃描電子顯微鏡下觀察強化相的形貌，測量每平方微米面積內包含的納米強化相的 顆粒數，一部分加工成標準持久試樣在CSS-3905電子蠕變持久試驗機上進行持久試驗，根 據持久試驗結果，采用Larson-Miller參數法估算700°C、10萬小時條件下的持久強度。上 述5種耐熱鋼在700°C、10萬小時條件下的持久強度測試結果列于表2。從表2中可以看出， 本發明奧氏體耐熱鋼由于在奧氏體晶粒內部獲得了高密度且均勻分布的納米強化相，在晶 界上僅析出少量M23C6型碳化物，與現有技術相比，700°C、10萬小時條件下的持久強度明顯 提高。從圖1、圖2也可以看出本發明奧氏體耐熱鋼具有高密度且均勻分布的CrNbN型納 米強化相，傳統奧氏體耐熱鋼在晶界上形成大量的M23C6型碳化物。表1試驗用奧氏體耐熱鋼的化學成分(wt. % ) 表2熱處理工藝參數
權利要求
一種具有納米析出相強化的奧氏體耐熱鋼及其制造方法，其特征在于化學成分按質量百分數計為C0.002 0.02，Cr24 26，Ni22 24，Nb+Ta0.2 0.6，N0.15 0.35，Mn≤2.00，P≤0.030，S≤0.030，Si≤0.75，余量為Fe和不可避免的雜質，在晶粒內部均勻分布有高密度的NbCrN型納米強化相，尺寸在20 60nm之間，每平方微米納米強化相顆粒數在5 30個，在晶界上分布的M23C6型碳化物占晶界面積的百分數低于20％。
2.一種具有納米析出相強化奧氏體耐熱鋼的制造方法，其特征在于將構成元素的原 料組合物經熔煉、熱加工和冷加工制成鋼件，然后進行最終熱處理；最終熱處理分兩步第 一步，固溶處理，將鋼件加熱到1170-1250°C，保持30-60min，然后水冷到室溫；第二步，退 火處理，將經過固溶處理后的鋼件加熱到800-950°C，保持30-240min，然后空冷到室溫。
全文摘要
本發明公開了一種具有納米析出相強化的奧氏體耐熱鋼及其制造方法，其特征在于化學成分按質量百分數計為C0.002-0.02，Cr24-26，Ni22-24，Nb+Ta0.2-0.6，N0.15-0.35，Mn≤2.00，P≤0.030，S≤0.030，Si≤0.75，余量為Fe和不可避免的雜質。制造方法為將構成元素的原料經熔煉、熱加工和冷加工制成鋼件，然后進行最終熱處理。最終熱處理分兩步第一步，固溶處理將鋼件加熱到1170-1250℃，保持30-60min，然后水冷到室溫；第二步，退火處理將經過固溶處理后的鋼件加熱到800-950℃，保持30-240min，然后空冷到室溫。本發明鋼在晶粒內部均勻分布有高密度的NbCrN型納米強化相，尺寸在20-60nm之間，每平方微米面積內納米強化相顆粒數在5-30個，在晶界上分布的M23C6型碳化物占晶界面積的百分數低于20％，高溫持久強度明顯提高，抗高溫腐蝕性能也好。
文檔編號C22C38/48GK101906590SQ201010274149
公開日2010年12月8日 申請日期2010年9月7日 優先權日2010年9月7日
發明者周麗, 姜學波, 殷鳳仕, 田麗倩, 薛冰 申請人:山東理工大學