CN103695806B

CN103695806B - 一种奥氏体耐热钢

Info

Publication number: CN103695806B
Application number: CN201310667633.3A
Authority: CN
Inventors: 宋建新; 周志斌; 陈泽民; 刘鸣; 刘一鸣; 丁金贤; 候小龙; 徐奇; 李轶
Original assignee: JIANGSU WUJIN STAINLESS STEEL CO Ltd
Current assignee: JIANGSU WUJIN STAINLESS STEEL CO Ltd
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: CN103695806A

Abstract

本发明属于火力发电用钢制造技术领域，特别涉及一种具有高温抗蒸汽腐蚀和良好高温强度的奥氏体系耐热钢。化学成分（质量百分比）为：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%,其余为Fe和杂质。另外，可在以上配方的基础上，加入W:1.5～3.0%,Mg:0.001～0.010%。

Description

一种奥氏体耐热钢

技术领域

本发明属于火力发电用钢制造技术领域，是一种具有高温抗蒸汽腐蚀和良好高温强度的奥氏体系耐热钢。适用于超超临界锅炉过热器、再热器用钢管、汽轮机叶片及高温锻件等。

背景技术

火电机组可按蒸汽温度和压力分类为低压、中压、高压、超高压、亚临界(17～19MPa/538℃)、超临界(Supercritical，SC,＞21MPa，≥565℃)和超超临界机组(UltraSupercritical,USC,＞24MPa,≥580℃)，蒸汽参数越高，机组的热效率越高，煤耗越低，排放污染越低。我国已经完成引进的600℃蒸汽参数机组(26MPa，600℃)国产化，正在开发高参数机组。

火电机组中过热器管、再热器管、叶片、锻件等高温零部件在高工况下使用，首先，必须有良好的抗高温蒸汽氧化腐蚀性能，以免产生大量氧化皮。其次，在高温使用条件下具有足够的高温强度，包括高温持久强度，防止使用过程中发生大的变形或断裂。

奥氏体耐热钢和铁素体、马氏体耐热钢比较，通常具有更高的高温强度。

在600℃蒸汽参数机组中过热器管、再热器管采用S30432(Super304H)、S31042(HR3C)钢管。国产开发的高参数机组需要性能更高的钢，即对抗蒸汽氧化腐蚀性能和高温强度有更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种在700℃温度下具有良好的抗蒸气氧化腐蚀性能，在负载应力100MPa条件下高温持久断裂时间达10万小时(等温法持久曲线回归外推)的奥氏体耐热钢。

本发明采用的技术方案是：

本发明设计的奥氏体耐热钢，其化学成分，按重量百分数计为：C:0.02～0.10％,Si：0.05～1.00％,Mn:0.08～2.0％,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％,其余为Fe和杂质元素。

作为优选：还可以在上述配方的基础上，(按重量百分数计)再加入W:1.5～3.0％,Mg:0.001～0.010％。

C:0.02～0.10％

C是本发明的关键元素之一，由于C是构成碳化物M23C6、MX的关键元素，碳化物又主要起强化晶界的作用。钢在高温应力作用下的失效特征是沿晶界开裂，碳化物的主要贡献是强化晶界。碳化物的数量、粒度、形态、分布特征对高温长时强化起重要影响，因此，含碳量的确定要考虑钢中Cr、Nb、V等其他元素的含量；

Si：0.05～1.00％

Si是由炼钢的铁原料中带入和炼钢时脱氧剂中带入的，当钢中Si含量高时，可能会形成G相，G相是脆性相，分布在晶界，会造成晶界脆化，削弱了晶界的强度，因此，需要控制钢中Si的含量，本发明已经掌握Si含量的范围；

Mn:0.08～2.0％

Mn是奥氏体形成元素，可以代替Ni起平衡奥氏体的作用，钢中Mn含量高可能会影响焊接性能，因此，要根据综合性能要求决定Mn量的控制；

Cr:20～28％

Cr的作用是两方面的，一方面需要保证奥氏体基体中含有足够量的Cr，才能使钢具有良好的抗高温蒸汽氧化腐蚀；另一方面，Cr是形成碳化物的关键元素，为保证晶界的强度，必须有适量的Cr量以形成一定量的M₂₃C₆碳化物强化晶界。但是，Cr是铁素体形成元素，高Cr含量使钢中形成铁素体，会导致钢的强度下降。本发明已经获得控制Cr量的范围；

Ni：30～39％

Ni的作用是两方面的，一方面，Ni是奥氏体形成元素，足够的Ni量才能保证形成全奥氏体组织；另一方面，Ni是钢中形成Ni3(Al,Ti)相(γ’相)的关键元素，本发明已获得最佳Ni量范围，以保证钢的高温强度，尤其是高温持久强度；

Nb：0.9～2.0％

Nb有三方面的作用，第一，Nb元素进入γ’相中，强化γ’相，第二，Nb形成少量的(Nb，Ti)C相，起强化作用，第三，Nb进入奥氏体基体中起到固溶强化的作用，本发明已经掌握Nb添加的最佳范围；

Ti：1.6～2.8％

Ti的作用也是两方面的，一方面Ti是形成γ’相的主要元素，Ti量影响γ’相的数量，Ti量增加，γ’相的数量增加，钢的强度提高，另外Ti量的变化也影响γ’相中的Ti含量，即影响γ’相本身的强化程度或者说γ’相本身的强度。γ’相的数量和γ’相本身的强度，直接影响钢的高温强度，因此，控制Ti量是一个关键因素。另一方面，Ti在钢中形成少量(Nb，Ti)C相即MX相，是一种纳米级强化相，主要强化晶内，对提高钢的强度有一定贡献；

Al：0.9～2.0％

Al在钢中的作用是两方面的，一方面是形成γ’相的主要元素，影响γ’相的析出数量，也影响γ’相本身的强度，本发明已经掌握Al加入量的最佳范围。另一方面，溶解于奥氏体基体中的Al，对钢的抗氧化性能有贡献；

Cu:0.05～3.50％

Cu是奥氏体形成元素，稳定奥氏体基体。Cu的加入目的是，在高温应力条件下钢中逐渐析出含Nb、V的富Cu相，透射电镜观察到，颗粒状富Cu相的尺寸在5～20nm，是纳米级的强化相，主要弥散分布在晶内，强化基体。随着Cu含量增加，钢的高温热塑性降低，即影响钢的热加工性能；

Co:0.1～3.0％

Co是奥氏体形成元素，一方面和Ni共同稳定和强化奥氏体基体，另一方面，Co元素进入γ’相中，强化γ’相；

V:0.08～0.80％

V的添加主要目的是V进入γ’相，对强化γ’相有贡献，V元素少量进入(Nb，Ti)(C，N)相，即MX相，对强化MX相有贡献；

Zr:0.01～0.30％

Zr添加的目的，一是Zr元素进入γ’相，因而使γ’相强化，二是Zr元素存在于晶界，使晶界得到强化，晶界强化提高了钢的高温持久强度。随着Zr含量增加，钢的高温热塑性降低，即影响钢的热加工性能；

Ce:0.003～0.200％

Ce添加目的，一是Ce在基体中能提高钢的抗蒸汽腐蚀性能，二是Ce强化晶界，对提高高温强度有贡献；

B:0.001～0.010％

B的加入目的是由于B存在于晶界，使晶界得到强化。钢在高温下的失效一般是沿晶断裂，即在等强温度以上，晶界的强度低于晶内的强度而导致沿晶断裂失效，因此，加入适量的B，提高晶界强度而使钢的持久强度得到提高；

W:1.5～3.0％

W的添加目的，少部分W进入M23C6碳化相中，可以提高强化M23C6，大部分W进入奥氏体基体中形成固溶强化，提高基体强度；

Mg:0.001～0.010％

Mg的添加目的，是在冶炼中加入Mg能使钢中进一步脱氧，减少钢中氧含量，Mg在基体中存在可以提高钢抗高温蒸汽氧化腐蚀性能。

本发明中不加Mo，原因是加入Mo的炉号，高温持久强度显著降低。

比较好的选择：奥氏体耐热钢的化学成分，按重量百分数计为：C:0.024～0.033％,Si：0.056～0.091％,Mn:0.08～1.55％,Cr:21.05～25.67％,Ni：31.02～38.33％，Nb:1.18～1.88％,Ti: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％,其余为Fe和杂质元素。

还可以在上述配方的基础上，(按重量百分数计)再加入W:1.88～2.63％,Mg:0.005～0.008％。

本发明的有益效果在于：本发明通过添加适量的Ti,Al,Nb,Ni等元素使钢中形成一定量的γ’相[即Ni3(Al,Ti)型金属间化合物]，使钢在高温下具有高的高温强度(包括持久强度)，高于S30432钢和S31042钢。通过加入适量的Cr保证在高温下具有良好的抗蒸汽氧化腐蚀性能，其性能高于S30432钢，与S31042钢相当。本发明钢的性能适用于28-30MPa，600/623-630℃的超超临界机组中使用的锅炉过热器、再热器、汽轮机叶片及锻件等原材料。

具体实施方式

实施例和对比例的冶炼是在25KG真空感应炉中进行，其化学成分列于表1，钢锭均采用相同工艺进行锻造开坯，锻成试棒和热处理后再对试样分别进行高温力学性能测试，检测结果列于表2。

表1是本发明实施例和对比例钢的化学成分(按重量百分数计)；

表2是本发明实施例和对比例钢的性能。700℃高温拉伸试验按GB/T 4338-2006金属材料高温拉伸试验方法进行，持久试验按GB/T 2039-2012金属材料单轴拉伸蠕变试验方法执行。

表2中所列高温力学性能测试结果表明，本发明实施例性能优于对比例的性能；添加W和Mg的炉号比未添加W和Mg的高温力学性能有所提高。

表1本发明实施例1—10和对比例11—18钢的化学成(wt％)

表2本发明实施例和对比例钢的性能

Claims

1.一种奥氏体耐热钢，其特征在于：所述奥氏体耐热钢的化学成分，按重量百分数计为：C:0.02～0.10%,Si：0.05～1.00%,Mn:0.08～2.0%,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%,其余为Fe和杂质元素。

2.如权利要求1所述的奥氏体耐热钢，其特征在于：按重量百分数计，奥氏体耐热钢的化学成分中，还包括W:1.5～3.0%,Mg:0.001～0.010%。

3.如权利要求1所述的奥氏体耐热钢，其特征在于：所述奥氏体耐热钢的化学成分，按重量百分数计为：C:0.024～0.033%,Si：0.056～0.091%,Mn:0.08～1.55%,Cr:21.05～25.67%,Ni：31.02～38.33%，Nb:1.18～1.88%,Ti: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%,其余为Fe和杂质元素。

4.如权利要求3所述的奥氏体耐热钢，其特征在于：按重量百分数计，奥氏体耐热钢的化学成分中，还包括W:1.88～2.63%,Mg:0.005～0.008%。