CN102268603A

CN102268603A - 一种高铝铁素体耐热钢

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Publication number: CN102268603A
Application number: CN2011102237215A
Authority: CN
Inventors: 向志东; 陈晓; 袁泽喜; 陈子宏; 贾涓; 宋新丽; 汤茜; 沈东东; 潘虹; 吴润
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2031-08-05
Also published as: CN102268603B

Abstract

本发明涉及一种高铝铁素体耐热钢。其技术方案是：耐热钢化学成分及其含量是：Cr为9～15wt％，Co为1～5wt％，W为0.5～4wt％，Mo为0.5～4wt％，Al为2～4wt％，Nb为0.01～0.9wt％，V为0.1～0.8wt％，C为0.001～0.0wt8％，N为0.001～0.05wt％，B为0.001～0.02wt％，Si为0.1～0.4wt％，Ti为0.01～0.1wt％，Ta为0～0.5wt％，Re为0～0.1wt％，余量为铁和不可避免的杂质；其中的Re为Y或为Hf或为Ce。按上述的耐热钢化学成分及其含量进行配料，将其加入真空感应炉中熔炼，然后浇铸成钢锭，采用热轧或热锻制成板材或棒材；在1050～1100℃正火1～1.5小时，在780～800℃回火1～1.5小时，炉冷，即得高铝铁素体耐热钢。本发明具有成本低、抗高温氧化和抗高温蠕变的特点。

Description

一种高铝铁素体耐热钢

技术领域

本发明属于铁素体耐热钢技术领域，具体涉及一种高铝铁素体耐热钢。

背景技术

为了大幅降低燃耗、节省能源、减少CO₂及其它有害气体的排放量，从而减少温室效应和环境污染，有必要提高火电机组汽轮机的工作温度。例如，将燃煤蒸汽轮机蒸汽的操作温度从550～580℃提高到620～650℃，工作压力提升到300大气压(atm)，可将机组的发电效率提高10％左右，带来可观的经济和环保效益。然而，工作温度的提高对耐热钢的高温性能提出了更高的要求，不仅需要耐热钢具有足够好的高温抗蠕变强度，并且也要求其具有优良的高温抗氧化/腐蚀性能。

目前用于制造燃煤蒸汽轮机等高温结构部件的铁素体耐热钢都是一类Cr含量为9～12wt％的铁素体耐热钢(如：P92钢)，经适当正火和回火后使用。在620～650℃的温度区间，这类铁素体耐热钢虽然能够具有较好的抗蠕变强度，但是抗氧化性能差，特别是抗水蒸汽氧化性能差，其表现特征是氧化时只能生成不具有防护性的表面Fe₂O₃或Fe₃O₄氧化膜，而不能生成具有防护性的表面Cr₂O₃钝化膜。另外，即便能够通过调整成份使这类耐热钢具有在氧化时生成表面Cr₂O₃钝化膜的能力，这样的表面钝化膜在高温水蒸汽环境中的化学稳定性差，能够水解挥发。所以它不仅在高温水蒸汽中的防护能力差，且水解挥发物能够沉积在蒸汽轮机或其它机械系统中温度较低的部位，破坏系统设备。

要使耐热钢具有抗高温水蒸汽的性能，则需要使其具有在氧化时自生成表面Al₂O₃钝化膜的能力。目前，虽有能在高温氧化时生成表面Al₂O₃钝化膜的耐热钢的制造方法(CN1179477A、US2008/0163957 A1和US7744813 B2)的技术公开，但都是奥氏体耐热钢，其中镍含量高达20％以上，造价贵，并且奥氏体钢是一类晶体结构与铁素体钢有本质上不同的钢材，其导热性能和热膨胀性能比铁素体钢差。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提出一种成本低、抗高温氧化、抗高温蠕变的高铝铁素体耐热钢。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：耐热钢化学成分及其质量百分含量是：Cr为9～15wt％，Co为1～5wt％，W为0.5～4wt％，Mo为0.5～4wt％，Al为2～4wt％，Nb为0.01～0.9wt％，V为0.1～0.8wt％，C为0.001～0.08wt％，N为0.001～0.05wt％，B为0.001～0.02wt％，Si为0.1～0.4wt％，Ti为0.01～0.1wt％，Ta为0～0.5wt％，Re为0～0.1wt％，余量为铁和不可避免的杂质。

其中的Re为Y或为Hf或为Ce。

该高铝铁素体耐热钢的制备方法是，按所述的耐热钢化学成分及其质量百分含量进行配料，将其加入真空感应炉中熔炼，然后浇铸成钢锭，采用热轧或热锻方法制成板材或棒材；再在1050～1100℃条件下正火1～1.5小时，然后在780～800℃条件下回火1～1.5小时，炉冷，即得高铝铁素体耐热钢。

由于采用上述技术方案，本发明以铁作为基体，往其中加入适量的Cr、Co、W、Mo、Al、Mn、Si、Nb、V、Ta、C、N和B的合金元素，还加入Y或Hf或Ce，实现集固溶强化、Laves Fe₂(W，Mo)相和M(C，N)析出相强化为一体的综合热强化，提高铁素体钢的抗高温蠕变性能，并且使这类铁素体耐热钢在高温氧化环境中能够自生成具有防护作用的表面Al₂O₃钝化膜。使其在高温氧化环境中，特别是在高温水蒸汽中，具有好的高温抗氧化性能。从而使铁素体耐热钢具有抗高温氧化和抗高温蠕变的双重功能。

本发明所制备的铁素体耐热钢与现有的铁素体系耐热钢相比，具有以下优点：铁素体耐热钢的Al含量高，在高温氧化环境中能够自生成表面Al₂O₃钝化膜；由于加入了微量的稀土元素，增强了表面Al₂O₃钝化膜与基体的结合力，使铁素体系耐热钢具有极高的抗高温氧化性能；加入了适量的Co、W、Mo、Nb、V、Ti，Ta、C、N元素而起到了固溶强化、Laves相和M(C，N)相的析出强化的综合强化的作用；由于加入了适量的B元素而强化了晶界和加入Si元素而抑制了渗碳体的形成，从而使铁素体耐热钢具有适用的抗高温蠕变强度。

本发明所制备的铁素体系耐热钢与具有类似功能的奥氏体系耐热钢相比，由于未使用大量的镍(Ni)元素，不仅制造成本低，且具有导热性高和热膨胀系数低的优点。

因此，本发明制备的高铝铁素体耐热钢具有成本低、抗高温氧化和抗高温蠕变的特点。该耐热钢适合于高温结构和零部件用钢，尤其适用于制造超临界蒸汽轮机设备和核能发电等设备。

附图说明：

图1为本发明的一种铁素体耐热钢与现有9-12Cr型铁素体耐热钢的抗高温氧化性能比较；

图2是本发明的一种铁素体耐热钢经高温氧化后的表面横截面扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

实施例1

一种高铝铁素体耐热钢。其化学成分及其质量百分含量是：Cr为9～11wt％，Co为3～4wt％，W为3～4wt％，Mo为0.5～1wt％，Al为2～2.5wt％，Nb为0.01～0.1wt％，V为0.6～0.8wt％，C为0.001～0.005wt％，N为0.03～0.05wt％，B为0.001～0.005wt％，Si为0.1～0.3wt％，Ti为0.01～0.05wt％，余量为铁和不可避免的杂质。

本实施例的高铝铁素体耐热钢的制备方法是，按所述的耐热钢化学成分及其质量百分含量进行配料，将其加入真空感应炉中熔炼，然后浇铸成钢锭，采用热轧或热锻的方法将其制成板材或棒材；再在1050～1100℃条件下正火1～1.5小时，然后在780～800℃条件下回火1～1.5小时，炉冷，即得高铝铁素体耐热钢。

实施例2

一种高铝铁素体耐热钢。其化学成分及其质量百分含量是：Cr为10～12wt％，Co为4～5wt％，W为2～3wt％，Mo为1～2wt％，Al为2.5～3wt％，Nb为0.1～0.3wt％，V为0.3～0.6wt％，C为0.005～0.01wt％，N为0.01～0.03wt％，B为0.004～0.008wt％，Si为0.2～0.3wt％，Ti为0.05～0.07wt％，Ta为0.01～0.1wt％，Hf为0.001～0.01wt％，余量为铁和不可避免的杂质。

本实施例的高铝铁素体耐热钢的制备方法同实施例1。

实施例3

一种高铝铁素体耐热钢。其化学成分及其质量百分含量是：Cr为12～14wt％，Co为2～3wt％，W为1～2wt％，Mo为2～3wt％，Al为3～3.5wt％，Nb为0.3～0.5wt％，V为0.2～0.3wt％，C为0.01～0.04wt％，N为0.005～0.01wt％，B为0.008～0.01wt％，Si为0.3～0.4wt％，Ti为0.07～0.08wt％，Ta为0.1～0.3wt％，Ce为0.01～0.06wt％，余量为铁和不可避免的杂质。

本实施例的高铝铁素体耐热钢的制备方法同实施例1。

实施例4

一种高铝铁素体耐热钢。其化学成分及其质量百分含量是：Cr为13～15wt％，Co为1～2wt％，W为0.5～1wt％，Mo为3～4wt％，Al为3.5～4wt％，Nb为0.5～0.8wt％，V为0.1～0.2wt％，C为0.04～0.08wt％，N为0.001～0.005wt％，B为0.01～0.02wt％，Si为0.3～0.4wt％，Ti为0.08～0.1wt％，Ta为0.3～0.5wt％，Y为0.05～0.1wt％，余量为铁和不可避免的杂质。

本实施例的高铝铁素体耐热钢的制备方法同实施例1。

本具体实施方式以铁作为基体，加入适量的Cr、Co、W、Mo、Al、Mn、Si、Nb、V、Ta、C、N和B的合金元素，还加入Y或Hf或Ce，实现集固溶强化、Laves Fe₂(W，Mo)相和M(C，N)析出相强化为一体的综合热强化，提高铁素体钢的抗高温蠕变性能，并且使这类铁素体耐热钢在高温氧化环境中能够自生成如图2所示的一种具有防护作用的表面Al₂O₃钝化膜。使其在高温氧化环境中，特别是在高温水蒸汽中具有好的高温抗氧化性能。从而使铁素体耐热钢具有抗高温氧化和抗高温蠕变的双重功能。

本发明的铁素体耐热钢与现有的铁素体系耐热钢相比，具有以下优点：铁素体耐热钢的Al含量高，在高温氧化环境中能够自生成表面Al₂O₃钝化膜；由于加入了微量的稀土元素，增强了表面Al₂O₃钝化膜与基体的结合力，使铁素体耐热钢具有极高的抗高温氧化性能；加入了适量的Co、W、Mo、Nb、V、Ti，Ta、C、N元素而起到了固溶强化、Laves相和M(C，N)相的析出强化的综合强化的作用；由于加入了适量的B元素而强化了晶界和加入Si元素而抑制了渗碳体的形成，从而使铁素体耐热钢具有适用的抗高温蠕变强度。如图1所示的实施例1中的一种铁素体耐热钢在650℃测试其抗高温氧化性能和抗高温蠕变性能，通过氧化增重曲线与现有9-12Cr型铁素体耐热钢(P92钢)的氧化增重曲线比较，证明本具体实施方式的铁素体耐热钢具有明显的高的抗高温氧化能力。另外，根据在600-680℃温度区间里和90-150MPa应力区间内的蠕变试验结果，利用蠕变速率、应力和温度的之间的关系式估算不同温度下蠕变速率为10^-5％/h的抗蠕变强度，亦可证明本具体实施方式中的铁素体耐热钢具有适用的抗高温蠕变强度，结果见表1。

表1一种铁素体耐热钢的蠕变速率为10^-5％/h的抗高温蠕变强度

本具体实施方式所制备的铁素体系耐热钢与具有类似功能的奥氏体系耐热钢相比，由于未使用大量的镍(Ni)元素，不仅制造成本低，且具有导热性高和热膨胀系数低的优点。

因此，本具体实施方式制备的高铝铁素体耐热钢具有成本低、抗高温氧化和抗高温蠕变的特点。该新型铁素体耐热钢适合于高温结构和零部件用钢，尤其适用于制造超超临界蒸汽轮机设备和核能发电等设备。

Claims

1.一种高铝铁素体耐热钢，其特征在于所述的耐热钢化学成分及其质量百分含量是：Cr为9～15wt％，Co为1～5wt％，W为0.5～4wt％，Mo为0.5～4wt％，Al为2～4wt％，Nb为0.01～0.9wt％，V为0.1～0.8wt％，C为0.001～0.08wt％，N为0.001～0.05wt％，B为0.001～0.02wt％，Si为0.1～0.4wt％，Ti为0.01～0.1wt％，Ta为0～0.5wt％，Re为0～0.1wt％，余量为铁和不可避免的杂质；

其中的Re为Y或为Hf或为Ce。

2.如权利要求1所述的高铝铁素体耐热钢的制备方法，其特征在于按所述的耐热钢化学成分及其质量百分含量进行配料，将其加入真空感应炉中熔炼，然后浇铸成钢锭，采用热轧或热锻方法制成板材或棒材；再在1050～1100℃条件下正火1～1.5小时，然后在780～800℃条件下回火1～1.5小时，炉冷，即得高铝铁素体耐热钢。