一種新型奧氏體耐熱鋼的制作方法
【專利摘要】本發明屬于火力發電用鋼制造【技術領域】，特別涉及一種具有高溫抗蒸汽腐蝕和良好高溫強度的奧氏體系耐熱鋼。化學成分（質量百分比）為：C:0.02～0.10%,Si：0.05～1.00%,Mn:0.4～2.0%,Cr:20～28%,Ni：30～39%，Nb:0.9～2.0%,Ti:1.6～2.8%,Al:0.9～2.0%,Cu:0.05～3.50%,Co:0.1～3.0%,V:0.08～0.80%,Zr:0.01～0.30%,Ce:0.003～0.200%,B:0.001～0.010%,其余為Fe和雜質。另外，可在以上配方的基礎上，加入W:1.5～3.0%,Mg:0.001～0.010%。
【專利說明】一種新型奧氏體耐熱鋼【技術領域】
[0001]本發明屬于火力發電用鋼制造【技術領域】，是一種具有高溫抗蒸汽腐蝕和良好高溫強度的奧氏體系耐熱鋼。適用于超超臨界鍋爐過熱器、再熱器用鋼管、汽輪機葉片及高溫鍛件等。
【背景技術】
[0002]火電機組可按蒸汽溫度和壓力分類為低壓、中壓、高壓、超高壓、亞臨界(17~19MPa/538°C)、超臨界(Supercritical，SC, > 21MPa,≥ 565。。)和超超臨界機組(UltraSupercritical, USC, > 24MPa, ^ 580°C )，蒸汽參數越高，機組的熱效率越高，煤耗越低，排放污染越低。我國已經完成引進的600°C蒸汽參數機組(26MPa，600°C)國產化，正在開發高參數機組。
[0003]火電機組中過熱器管、再熱器管、葉片、鍛件等高溫零部件在高工況下使用，首先，必須有良好的抗高溫蒸汽氧化腐蝕性能，以免產生大量氧化皮。其次，在高溫使用條件下具有足夠的高溫強度，包括高溫持久強度，防止使用過程中發生大的變形或斷裂。
[0004]奧氏體耐熱鋼和鐵素體、馬氏體耐熱鋼比較，通常具有更高的高溫強度。[0005]在600°C蒸汽參數機組中過熱器管、再熱器管采用S30432 (Super304H)、S31042(HR3C)鋼管。國產開發的高參數機組需要性能更高的鋼，即對抗蒸汽氧化腐蝕性能和高溫強度有更高的要求。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于:提供一種在700°C溫度下具有良好的抗蒸氣氧化腐蝕性能，在負載應力lOOMPa條件下高溫持久斷裂時間達10萬小時(等溫法持久曲線回歸外推)的奧氏體耐熱鋼。
[0007]本發明采用的技術方案是:
[0008]本發明設計的奧氏體耐熱鋼，其化學成分，按重量百分數計為:C:0.02~0.10%, Si:0.05 ~1.00%，Μη:0.08 ~2.0%，Cr:20 ~28%, N1:30 ~39%，Nb:0.9 ~
2.0%, T1: 1.6 ~2.8%，Α1:0.9 ~2.0%，Cu:0.05 ~3.50%, Co:0.1 ~3.0%，V:0.08 ~
0.80%, Zr:0.01 ~0.30%, Ce:0.003 ~0.200%, B:0.001 ~0.010%,其余為 Fe 和雜質元素。
[0009]作為優選:還可以在上述配方的基礎上，(按重量百分數計)再加入W: 1.5~
3.0%, Mg:0.001 ~0.010%。
[0010]C:0.02 ~0.10%
[0011]C是本發明的關鍵元素之一，由于C是構成碳化物M23C6、MX的關鍵元素，碳化物又主要起強化晶界的作用。鋼在高溫應力作用下的失效特征是沿晶界開裂，碳化物的主要貢獻是強化晶界。碳化物的數量、粒度、形態、分布特征對高溫長時強化起重要影響，因此，含碳量的確定要考慮鋼中Cr、Nb、V等其他元素的含量；
[0012]S1:0.05 ~1.00%[0013]Si是由煉鋼的鐵原料中帶入和煉鋼時脫氧劑中帶入的，當鋼中Si含量高時，可能會形成G相，G相是脆性相，分布在晶界，會造成晶界脆化，削弱了晶界的強度，因此，需要控制鋼中Si的含量，本發明已經掌握Si含量的范圍；
[0014]Mn:0.08 ~2.0%
[0015]Μη是奧氏體形成元素，可以代替Ni起平衡奧氏體的作用，鋼中Μη含量高可能會影響焊接性能，因此，要根據綜合性能要求決定Μη量的控制；
[0016]Cr:20 ~28%
[0017]Cr的作用是兩方面的，一方面需要保證奧氏體基體中含有足夠量的Cr，才能使鋼具有良好的抗高溫蒸汽氧化腐蝕；另一方面，Cr是形成碳化物的關鍵元素，為保證晶界的強度，必須有適量的Cr量以形成一定量的M23C6碳化物強化晶界。但是，Cr是鐵素體形成元素，高Cr含量使鋼中形成鐵素體，會導致鋼的強度下降。本發明已經獲得控制Cr量的范圍；
[0018]N1:30 ~39%
[0019]Ni的作用是兩方面的，一方面，Ni是奧氏體形成元素，足夠的Ni量才能保證形成全奧氏體組織；另一方面，Ni是鋼中形成Ni3(Al，Ti)相(y ’相)的關鍵元素，本發明已獲得最佳Ni量范圍，以保證鋼的高溫強度，尤其是高溫持久強度；
[0020]Nb:0.9 ~2.0%
[0021]Nb有三方面的作用，第一，Nb元素進入相中，強化相，第二，Nb形成少量的(Nb，Ti)C相，起強化作用，第三，Nb進入奧氏體基體中起到固溶強化的作用，本發明已經掌握Nb添加的最佳范圍；
[0022]T1:1.6 ~2.8%
[0023]Ti的作用也是兩方面的，一方面Ti是形成、’相的主要元素，Ti量影響、’相的數量，Ti量增加，y ’相的數量增加，鋼的強度提高，另外Ti量的變化也影響、’相中的Ti含量，即影響Y ’相本身的強化程度或者說Y ’相本身的強度。Y ’相的數量和Y ’相本身的強度，直接影響鋼的高溫強度，因此，控制Ti量是一個關鍵因素。另一方面，Ti在鋼中形成少量(Nb，Ti ) C相即MX相，是一種納米級強化相，主要強化晶內，對提高鋼的強度有一定
貢獻；
[0024]Α1:0.9 ~2.0%
[0025]Α1在鋼中的作用是兩方面的，一方面是形成相的主要元素，影響相的析出數量，也影響相本身的強度，本發明已經掌握Α1加入量的最佳范圍。另一方面，溶解于奧氏體基體中的Α1，對鋼的抗氧化性能有貢獻；
[0026]Cu:0.05 ~3.50%
[0027]Cu是奧氏體形成元素，穩定奧氏體基體。Cu的加入目的是，在高溫應力條件下鋼中逐漸析出含Nb、V的富Cu相，透射電鏡觀察到，顆粒狀富Cu相的尺寸在5~20nm，是納米級的強化相，主要彌散分布在晶內，強化基體。隨著Cu含量增加，鋼的高溫熱塑性降低，即影響鋼的熱加工性能；
[0028]Co: 0.1 ~3.0%
[0029]Co是奧氏體形成兀素，一方面和Ni共同穩定和強化奧氏體基體，另一方面，Co兀素進入相中，強化相；[0030]V:0.08 ~0.80%
[0031]V的添加主要目的是V進入相，對強化相有貢獻，V元素少量進入(Nb，Ti)(C，N)相，即MX相，對強化MX相有貢獻；
[0032]Zr:0.01 ~0.30%
[0033]Zr添加的目的，一是Zr元素進入Y ’相，因而使、’相強化，二是Zr元素存在于晶界，使晶界得到強化，晶界強化提高了鋼的高溫持久強度。隨著Zr含量增加，鋼的高溫熱塑性降低，即影響鋼的熱加工性能；
[0034]Ce: 0.003 ~0.200%
[0035]Ce添加目的，一是Ce在基體中能提高鋼的抗蒸汽腐蝕性能，二是Ce強化晶界，對提高高溫強度有貢獻；
[0036]Β:0.001 ~0.010%
[0037]Β的加入目的是由于Β存在于晶界，使晶界得到強化。鋼在高溫下的失效一般是沿晶斷裂，即在等強溫度以上，晶界的強度低于晶內的強度而導致沿晶斷裂失效，因此，加入適量的Β，提高晶界強度而使鋼的持久強度得到提高；
[0038]W: 1.5 ~3.0%
[0039]W的添加目的，少部分W進入M23C6碳化相中，可以提高強化M23C6，大部分W進入奧氏體基體中形成固溶強化，提 高基體強度；
[0040]Mg:0.001 ~0.010%
[0041]Mg的添加目的，是在冶煉中加入Mg能使鋼中進一步脫氧，減少鋼中氧含量，Mg在基體中存在可以提高鋼抗高溫蒸汽氧化腐蝕性能。
[0042]本發明中不加Mo，原因是加入Mo的爐號，高溫持久強度顯著降低。
[0043]比較好的選擇:奧氏體耐熱鋼的化學成分，按重量百分數計為:C:0.024~
0.033%, Si:0.056 ~0.091%, Μη:0.08 ~L 55%, Cr:21.05 ~25.67%, Ni:31.02 ~38.33%,Nb:l.18 ~1.88%，T1:1.76 ~2.65%, Al: 1.18 ~1.85%, Cu:0.48 ~3.02%, Co:0.5 ~
2.15%, V:0.19 ~0.55%, Zr:0.021 ~0.081%, Ce:0.005 ~0.041%, B:0.004 ~0.008%,其余為Fe和雜質元素。
[0044]還可以在上述配方的基礎上，(按重量百分數計)再加入W: 1.88~
2.63%, Mg:0.005 ~0.008%。
[0045]本發明的有益效果在于:本發明通過添加適量的Ti，Al，Nb，Ni等元素使鋼中形成一定量的相[即Ni3(Al，Ti)型金屬間化合物]，使鋼在高溫下具有高的高溫強度(包括持久強度)，高于S30432鋼和S31042鋼。通過加入適量的Cr保證在高溫下具有良好的抗蒸汽氧化腐蝕性能，其性能高于S30432鋼，與S31042鋼相當。本發明鋼的性能適用于28-30MPa，600/623-630°C的超超臨界機組中使用的鍋爐過熱器、再熱器、汽輪機葉片及鍛件等原材料。
【具體實施方式】
[0046]實施例和對比例的冶煉是在25KG真空感應爐中進行，其化學成分列于表1，鋼錠均采用相同工藝進行鍛造開坯，鍛成試棒和熱處理后再對試樣分別進行高溫力學性能測試，檢測結果列于表2。[0047]表1是本發明實施例和對比例鋼的化學成分(按重量百分數計)；
[0048]表2是本發明實施例和對比例鋼的性能。700°C高溫拉伸試驗按GB/T4338-2006金屬材料高溫拉伸試驗方法進行，持久試驗按GB/T2039-2012金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法執行。
[0049]表2中所列高溫力學性能測試結果表明，本發明實施例性能優于對比例的性能；添加W和Mg的爐號比未添加W和Mg的高溫力學性能有所提高。
[0050]表1本發明實施例1 一 10和對比例11一 18鋼的化學成(wt%)
[0051]
【權利要求】
1.一種奧氏體耐熱鋼，其特征在于:所述奧氏體耐熱鋼的化學成分，按重量百分數計為:C:0.02 ~0.10%, Si:0.05 ~1.00%, Μη:0.08 ~2.0%, Cr:20 ~28%, N1:30 ~39%, Nb:0.9 ~2.0%，T1:1.6 ~2.8%，Α1:0.9 ~2.0%，Cu:0.05 ~3.50%, Co:0.1 ~3.0%, V:0.08 ~0.80%, Zr:0.01 ~0.30%, Ce:0.003 ~0.200%, B:0.001 ~0.010%,其余為Fe和雜質元素。
2.如權利要求1所述的奧氏體耐熱鋼，其特征在于:按重量百分數計，奧氏體耐熱鋼的化學成分中，還包括W:l.5~3.0%, Mg:0.001~0.010%。
3.如權利要求1所述的奧氏體耐熱鋼，其特征在于:所述奧氏體耐熱鋼的化學成分，按重量百分數計為:c:0.024~0.033%, S1:0.056~0.091%,Mn:0.08~1.55%, Cr:21.05 ~25.67%, N1:31.02 ~38.33%, Nb:1.18 ~1.88%, T1: 1.76 ~2.65%, Al: 1.18 ~1.85%, Cu:0.48 ~3.02%, Co:0.5 ~2.15%, V:0.19 ~0.55%, Zr:0.021 ~0.081%, Ce:0.005 ~0.041%, B:0.004 ~0.008%,其余為 Fe 和雜質元素。
4.如權利要求3所述的奧氏體耐熱鋼，其特征在于:按重量百分數計，奧氏體耐熱鋼的化學成分中，還包括W: l.88~2.63%, Mg:0.005~0.008%。
【文檔編號】C22C38/54GK103695806SQ201310667633
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月10日 優先權日:2013年12月10日
【發明者】宋建新, 周志斌, 陳澤民, 劉一鳴, 丁金賢, 候小龍, 徐奇, 李軼 申請人:江蘇武進不銹股份有限公司