CN102994888A

CN102994888A - 一种新型高铬铁素体耐热钢及形变热处理工艺

Info

Publication number: CN102994888A
Application number: CN2012104917580A
Authority: CN
Inventors: 刘永长; 王钦; 马宗青; 余黎明; 高志明
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明公开了一种新型高铬铁素体耐热钢，按照质量百分比具有以下组分组成：C0.08-0.1%，Si≤0.5%，Mn0.3-0.6%，Cr8.5-9.0%，Mo0.3-0.6%，W1.5-2.0%，V0.20-0.25%，Cu0.02%，Nb0.07-0.09%，Ti<0.005%，B0.004-0.005%，N<0.005%，其余为Fe和杂质。其形变热处理工艺的步骤是：以5℃/s加热至1100-1200℃，保温5-10min；然后，以5℃/s冷却至900-700℃，保温5-10s，以变形速率为1/s进行压缩变形，变形量为50-70%，变形完成后进行0-100s的保温，然后空冷至室温。本发明热处理工艺可以促进具有良好热稳定性的MX相的析出，从而提高钢的高温性能。同传统的热处理工艺相比，形变热处理工艺简化了工艺流程，减少了生产成本，提高了综合性能，因此本发明可以应用于实际生产中。

Description

一种新型高铬铁素体耐热钢及形变热处理工艺

技术领域

本发明属于高铬铁素体耐热钢生产技术领域，特别涉及一种新型高铬铁素体耐热钢成分设计及其形变热处理工艺。

背景技术

电站电力设备技术向大功率、高参数方向的发展，与铁素体耐热钢的发展密切相关。只有获得具有足够蠕变强度能承受高温高压的耐热钢材料，才能尽可能提高电站运行的蒸汽参数，达到理论上的效率增长。所以长期以来国内外的科研人员一直在进行着铁素体耐热钢的研制与开发。随着蒸汽参数的提高，超超临界发电机组对耐热钢提出了更高的要求，应当具有如下优良的性能：

（1）常温力学性能：较高的抗拉强度和屈服强度，良好的冲击韧性；

（2）高温力学性能：优异的高温持久性能，抗蠕变性能；

（3）化学性能：良好的高温抗氧化性能和抗蒸汽腐蚀性能；

（4）工艺性能：优良的冷热加工性能及焊接性能；

（5）物理性能：较低的热膨胀系数和良好的导热性；

（6）经济性：尽可能高的性价比。

从广义上来说，由于其服役状态下的基体组织都为体心立方（BCC）结构，故而低合金和中合金耐热钢都可归结为铁素体系耐热钢。铁素体系耐热钢的发展可以分为两条主线，一是纵向通过逐渐提高主要的耐热合金元素Cr的成分含量，即从0Cr到2.25Cr，再到9-12Cr；二是横向通过填加V、Nb、Mo、W和Co等合金元素，提高其沉淀强化及固溶强化能力。从简单的CMn-钢开始到9-12%Cr铁素体系耐热钢，在发展历程中通过采用多元合金化和组织结构控制，并结合多种不同的强化机制，使蠕变强度不断得到提高（提高近10倍）。研究证明，9-12%Cr铁素体耐热钢是铁素体系耐热钢中蠕变强度最高的钢系。因而近年来，日本、欧洲及北美的发达国家在注重改善奥氏体钢性能并提高性价比的同时，已将研发重点转向了9-12%Cr系铁素体耐热钢。

目前，针对于铁素体耐热钢的研究，主要集中于如下几个方面：

（1）根据合金化原理，继续对现有铁素体耐热钢的成分进行微调，通过改变合金成分试图增强其高温下的强化效果。例如固溶强化元素Co，弥散强化元素Ta、Ti、平衡元素Cu的引入。不过合金元素的过多添加虽然可以提高常温及高温拉伸及屈服强度，但是反而会导致高温下组织演变速率的加快，从而导致持久强度反而降低。而且，合金元素的加入还会劣化焊接性能，以及导致成本的上升。因此，适当数量和成分的元素添加对组织演化和长期蠕变的影响目前还是国际上的热点。

（2）根据组织控制原理，通过改变铁素体耐热钢的热处理工艺参数，改变其第二相粒子及晶界的分布，从而提高弥散强化和晶界强化的效果。结合耐热钢的具体成分，制订最合适的正火、冷却及回火参数，可有效提高材料的高温强度，从而延缓蠕变过程中的裂纹扩展速率。此外，控轧控冷、形变热处理等新型工艺的引入也同样可以达到提高高温蠕变强度的目的。

（3）随着服役温度的提高，目前铁素体耐热钢的Cr含量往往不能保证足够的抗腐蚀能力。因此，表面处理技术的引入成为了铁素体耐热钢防腐方面的重点。一方面，要求材料表面具有足够的抗腐蚀抗氧化能力，另一方面，表面涂层与基体的结合强度和弹性模量的匹配也应该在考虑范围内。

（4）新的加工制造技术的引入，主要包括ODS（oxide-dispersed steels，氧化物弥散强化钢）钢的制备。ODS钢主要通过热等静压烧结等手段将合金粉末和细小弥散的氧化物颗粒结合成块体来实现。其高温强度及抗蠕变能力都要远远高于传统的铁素体耐热钢，但是其弊端也非常明显：造价非常昂贵；生产工艺复杂；对于体积较大的管件则需要更大的磨具，使其无法生产大口径管件；焊接工艺还有待进一步研究。

发明内容

针对上述现有技术，通过对现有的铁素体耐热钢进行成分调整，提供一种新型高铬铁素体耐热钢，并提供了相应的形变热处理工艺，从而可以提高该耐热钢的服役温度。

为了解决上述技术问题，本发明一种新型高铬铁素体耐热钢按照质量百分比具有以下组分组成：C0.08-0.1%，Si≤0.5%，Mn0.3-0.6%，Cr8.5-9.0%，Mo0.3-0.6%，W1.5-2.0%，V0.20-0.25%，Cu0.02%，Nb0.07-0.09%，Ti<0.005%，B0.004-0.005%，N<0.005%，其余为Fe和杂质。

本发明新型高铬铁素体耐热钢的形变热处理工艺，其步骤是：以5℃/s加热至1100-1200℃，保温5-10min；然后，以-5℃/s冷却至900-700℃，保温5-10s，以变形速率为1/s进行压缩变形，变形量为50-70%，变形完成后进行0-100s的保温，然后空冷至室温。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明新型高铬铁素体耐热钢中减少了Mo含量至0.3-0.6%，大量添加了W元素，含量为1.5-2.0%。Mo和W都具有显著的固溶强化的作用，能优先溶于固溶体中，提高蠕变强度。但是在长期蠕变的过程中，可能会脱溶形成粗大的Laves相，不但会减弱固溶强化效果，同时粗大的Laves相也会对性能产生不利影响。但是因为W原子的自扩散系数比Mo的小，其生成Laves相的倾向性也要低。因此在成分设计时选择了“减Mo增W”。进行了Cu组元，含量为0.02%，可以提高钢的耐腐蚀性能。

本发明新型高铬铁素体耐热钢形变热处理工艺，可以得到理想的析出相，即细小弥散的MX沉淀。因为MX沉淀在高温下的热稳定性很好，因此可以提高钢的高温性能，从而可以进一步提高钢的服役温度。

本发明新型高铬铁素体耐热钢主要用于发电厂的锅炉管道的关键部分：水冷壁管、再热器管、蒸汽管道及联箱等。

附图说明

图1（a）是本发明新型高铬铁素体耐热钢实施例1的OM组织形貌；

图1（b）是本发明新型高铬铁素体耐热钢实施例2的OM组织形貌；

图2（a）是本发明新型高铬铁素体耐热钢实施例2的TEM组织形貌；

图2（b）是本发明新型高铬铁素体耐热钢实施例2析出的MX沉淀相。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

本发明一种新型高铬铁素体耐热钢，按照质量百分比具有以下组分组成：C0.08-0.1%，Si≤0.5%，Mn0.3-0.6%，Cr8.5-9.0%，Mo0.3-0.6%，W1.5-2.0%，V0.20-0.25%，Cu0.02%，Nb0.07-0.09%，Ti<0.005%，B0.004-0.005%，N<0.005%，其余为Fe和杂质。

表1实施例中高铬铁素体耐热钢的成分（Wt/%）

元素	实施例1	实施例2
			C	0.1	0.08
Si	0.27	0.5
			Mn	0.53	0.3
P	0.027	0.025
			S	0.012	0.015
Cr	8.48	8.84
			Mo	0.37	0.5
Cu	0.02	0.02
			V	0.23	0.2
Nb	0.08	0.07
			Ti	0.003	0.005
B	0.0045	0.005

W	1.5	2
			N	0.0045	0.005
Fe	余量	余量

对本发明高铬铁素体耐热钢的形变热处理工艺，其步骤是：以5℃/s加热至1100-1200℃，保温5-10min；然后，以-5℃/s冷却至900-700℃，保温5-10s，以变形速率为1/s进行压缩变形，变形量为50-70%，变形完成后进行0-100s的保温，然后空冷至室温。

以下是本发明的具体实施例，但本发明不限于下述实施例。

实施例1：

实施例1高铬铁素体耐热钢的成分见表1，将该耐热钢加工成Φ8×14mm的圆柱体试样，在Gleeble1500D型热模拟试验机上进行形变热处理工艺实验，其步骤是：以5℃/s加热至1100℃保温7min充分奥氏体化；然后，以-5℃/s冷却至850℃保温5s后进行压缩变形，其变形速率为1/s，变形量为60%时空冷至室温。

实施例2：

实施例2高铬铁素体耐热钢的成分见表1，将试样加工成Φ8×14mm的圆柱体，在Gleeble1500D型热模拟试验机上进行形变热处理工艺实验，其步骤是：以5℃/s升温至1200℃保温5min充分奥氏体化，再以5℃/s冷却至800℃保温10s后进行60%的压缩变形，变形速率为1/s，变形结束后保温100s后空冷至室温。

将上述热处理后的试样通过OM形貌分析和TEM形貌分析进行组织形貌分析。图1（a）是实施例1的OM组织形貌，图1（b）是实施例2的OM组织形貌，从图1（a）可以观察在此热处理工艺下，奥氏体晶粒不能进行动态再结晶，得到无畸变的等轴晶粒，形变强化的效果得到提高；从图1（b）中可以看出，在进行一定时间的保温之后，在变形的奥氏体晶界处还会大量形成细小的等轴铁素体晶粒，这对钢的性能也有一定的提高。图2（a）是实例2的TEM组织形貌，图2（b）示出了实施例2析出的MX沉淀相，可以观察到在此热处理工艺下，促进了MX沉淀相的析出，尺寸大约5-10nm。由于MX沉淀的热稳定性很好，可以成为钢在高温时的主要强化相，因此提高了钢的高温性能。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种新型高铬铁素体耐热钢，其特征在于：按照质量百分比具有以下组分组成：C0.08-0.1%，Si≤0.5%，Mn0.3-0.6%，Cr8.5-9.0%，Mo0.3-0.6%，W1.5-2.0%，V0.20-0.25%，Cu0.02%，Nb0.07-0.09%，Ti<0.005%，B0.004-0.005%，N<0.005%，其余为Fe和杂质。

2.根据权利要求1所述的铁素体耐热钢，其特征在于：按照质量百分比具有以下组分组成：C0.1%，Si0.27%，Mn0.53%，Cr8.84%，Mo0.37%，W1.5%，V0.23%，Cu0.02%，Nb0.08%，Ti0.003%，B0.0045%，N0.0045%，杂质为P0.027%和S0.012%，其余为Fe。

3.根据权利要求1所述的铁素体耐热钢，其特征在于：按照质量百分比具有以下组分组成：C0.08%，Si0.5%，Mn0.3%，Cr8.84%，Mo0.5%，W2%，V0.2%，Cu0.02%，Nb0.07%，Ti0.005%，B0.005%，N0.001%，杂质为P0.025%和S0.015%，其余为Fe。

4.根据权利要求1所述新型高铬铁素体耐热钢的形变热处理工艺，其步骤是：以5℃/s加热至1100-1200℃，保温5-10min；然后，以-5℃/s冷却至900-700℃，保温5-10s，以变形速率为1/s进行压缩变形，变形量为50-70%，变形完成后进行0-100s的保温，然后空冷至室温。

5.根据权利要求4所述新型高铬铁素体耐热钢的形变热处理工艺，其步骤是：以5℃/s加热至1100℃，保温7min；然后，以-5℃/s冷却至850℃，保温5s，以变形速率为1/s进行压缩变形，变形量为60%时空冷至室温。

6.根据权利要求4所述新型高铬铁素体耐热钢的形变热处理工艺，其步骤是：以5℃/s加热至1200℃，保温5min；然后，以-5℃/s冷却至800℃，保温10s，以变形速率为1/s进行压缩变形，变形量为60%时，保温100s后空冷至室温。