CN104195460A - 奥氏体耐热钢 - Google Patents

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:0.035～0.15％,Si:≤1.5％,Mn:0.4～2.0％,Cr:20～26％,Ni:20～28％，Co:1.0～2.0，Nb:1.1～2.0％,Cu:2.6～4.0％,V:0.10～0.50％，N：0.1～0.4％，Zr:0.001～0.080％,B:0.002～0.020％,W:1.5～5.0％,Mo:0.5～3.0％,Ce:0.001～0.030其余为Fe和杂质。

Description

奥氏体耐热钢

技术领域

本发明属于火力发电和炼油化工用钢制造技术领域，涉及一种具有良好的高温抗腐蚀和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、高温锻件及石化炉管、锻件等。

背景技术

节省能源、减少有害气体排放、保护环境是我国的国策，为此，汽车减少废气排放，火电机组降低煤耗、提高机组参数、提高热效率，石化减少尾气排放，都是重要措施。我国引进的600℃超超临界火电机组已经国产化，运行和在建已超过100台，处于世界先进水平。过热器和再热器等高温高压管采用S30432(即Super304H)、S31042(即HR3C)高端耐热钢，这类钢在650-700℃高温、高压工作环境中性能稳定，钢管不发生蠕变变形，在高温条件下抗蒸汽氧化腐蚀性能和抗烟气腐蚀性能好。

600℃机组是上世纪末引进的，近年来，我国自主开发技术参数更高的机组，主蒸汽温度由600℃提高到620-625℃，压力提高到30-35Mpa，这样，过热器和再热器管用S30432、S31042处于临界状态，需要有性能更高的钢，本发明正是为了满足这样新的需求而研制的。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种在700℃及以上温度具有良好的抗蒸气氧化腐蚀性能以及高温强度的奥氏体耐热钢。

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:0.035～0.15％，Si:≤1.5％，Mn:0.4～2.0％，Cr:20～26％，Ni:20～28％，Co:1.0～2.0，Nb:1.1～2.0％，Cu:2.6～4.0％，V:0.10～0.50％，N：0.1～0.4％，Zr:0.001～0.080％，B:0.002～0.020％，W:1.5～5.0％，Mo:0.5～3.0％，Ce:0.001～0.030,其余为Fe和杂质元素。

C:0.035～0.15％(作为优选：C:0.040～0.10％)

C是本发明的关键元素之一，由于C是构成碳化物M₂₃C₆、MX析出相的关键元素，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与钢中Cr、Nb、V等其他元素的含量的相互配比，当钢中C含量过低时，由于Cr当量过高会出现铁素体，或者在高温长期运行后出现α-Cr相析出，导致钢的强度降低；C量过低会减少M₂₃C₆碳化物的析出量，影响晶界强度，C量过低会减少MX(即(Nb，V)(C、N))相的析出量，降低了晶内的析出强化。

Si：≤1.5％

Si是由炼钢的铁原料中带入和炼钢时脱氧剂中带入的，适量的Si可以提高抗氧化性，Si含量高时会降低钢的塑形和冲击韧性。

Mn:0.4～2.0％

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:20～26％(作为优选：Cr:22～25％)

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。本发明钢中Z相是主要的强化相之一，Z相即CrNbVN相，需要一定Cr量，尤其本发明中有大量Cr当量形成元素，如Cr、W、Mo、Nb、V，需要足够的Ni量才能平衡和保证长时运行的组织稳定。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：20～28％(作为优选：Ni:24～27％)

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。

Co:1.0～2.0,

Co是奥氏体形成元素，和Ni共同稳定和强化奥氏体基体。

Nb：1.1～2.0％

Nb的作用，第一，形成Z相(CrNbVN)强化；第二，Nb在高温条件下进入Laves相，使Laves相强化；第三，Nb形成少量的(Nb，V)(C，N)即MX相，他是纳米级相，弥散分布在晶内，起强化作用；第四，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；

N：0.10～0.40，

N是奥氏体形成元素，N的作用，第一，稳定奥氏体组织，第二，形成Z相(CrNbVN)，第三，形成(Nb，V)(C,N)相强化晶内，从而提高钢的高温强度。

Cu:2.6～4.0％(作为优选：Cu:2.8～3.5％)

Cu是奥氏体形成元素，稳定奥氏体基体。Cu加入的目的是，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，富Cu相析出量增加，强化的同时钢的高温热塑性会降低。Cu含量的增加会即影响钢的热加工性能，需要合理配比。

V:0.10～0.50％

V的添加主要目的第一是进入Z相(CrNbVN)，使Z相强化，提高钢的高温强度，第二V元素在高温下进入Laves相，使Laves相强化；第三，V元素也进入(Nb，V)(C，N)相，即MX相，强化MX相提高晶内强度；

Zr:0.001～0.080％

Zr添加的目的，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，钢的高温热塑性会降低，同时会影响钢的热加工性能；

B:0.002～0.020％

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:1.5～5.0％(作为优选：W:2.5～4％)

W的添加目的，少部分W进入M23C6碳化相中，可以强化M₂₃C₆，一部分W形成Laves相，主要强化晶内，部分W进入奥氏体基体中形成固溶强化，提高基体强度；

Mo:0.5～3.0％(作为优选：1.0～2.5％)

Mo的添加目的，第一：固溶强化，提高基体强度，第二，Mo进入M₂₃C₆碳化相中，强化M₂₃C₆相；

Ce:0.001～0.030％。

Ce一方面提高钢的抗氧化性，另一方面强化晶界。

本发明的有益效果在于：本发明通过钢中添加元素的合理配比，在高温时效状态下析出的第二相有Z相、Laves相、M₂₃C₆相和富Cu相共同强化，使钢在高温长时应力条件下保持组织稳定，保证性能稳定。

本发明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Ce保证在高温下具有良好的抗蒸汽氧化腐蚀性能，其性能与S31042钢相当。

石油和化工生产中需要大量炉管和锻件，本发明钢中含24-26％Cr，能满足钢管在高温下抗腐蚀要求，高温强度性能高于TP310H、TP310MoLN奥氏体耐热钢。

本发明钢的性能也适用于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。本发明钢也适用于高温用石化的炉管，代替TP310H、TP310MoLN。

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)；

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1本发明实施例和对比例钢的化学成(wt％)

表2本发明实施例和对比例钢的性能

Claims (3)

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:0.035～0.15％，Si:≤1.5％，Mn:0.4～2.0％，Cr:20～26％，Ni:20～28％，Co:1.0～2.0，Nb:1.1～2.0％，Cu:2.6～4.0％，V:0.10～0.50％，N：0.1～0.4％，Zr:0.001～0.080％，B:0.002～0.020％，W:1.5～5.0％，Mo:0.5～3.0％，Ce:0.001～0.030,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：所述C:0.040～0.10％，所述Cu:2.8～3.5％，所述W:2.5～4％，所述Mo:1.0～2.5％。

3.如权利要求1或2所述的奥氏体耐热钢，其特征在于：所述Cr:22～25％，所述Ni:24～27％。