CN107058908A - 一种高碳奥氏体耐热钢及其制备方法 - Google Patents

一种高碳奥氏体耐热钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高碳奥氏体耐热钢及其制备方法。所述高碳奥氏体耐热钢的成分按重量百分比计包括，Ni 19‑25％，Cr 20‑25％，Co 1.0‑6.0％，Mn≤0.2％，Nb 0.2‑0.8％，V 0‑0.5％，Si≤1.0％，N 0.1‑0.3％，C 0.10‑0.25％，B 0.001‑0.003％，P 0.01‑0.03％，余量为Fe。本发明的奥氏体耐热钢持久强度高，冲击韧性高；MX相、Z(CrNbN)相和M23C6是主要的强化相；与现有技术比较，其加工性能和材料成本相当，但具有更优异的组织结构稳定性、高温持久强度和冲击韧性，可用于制造650℃及以上超超临界火电机组的过热器和再热器。

Description

一种高碳奥氏体耐热钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及属于高温金属结构材料技术领域，具体为一种高碳奥氏体耐热钢及其制备方法。
背景技术
燃煤火电机组提供了我国75％以上的电力，但我国火电机组平均发电效率低，能耗高，是二氧化硫、氮化物NOx、二氧化碳及汞的主要排放源。我国政府承诺到2020年单位GDP二氧化碳排量在2005年基础上减少40～45％。采用高参数先进超超临界火电机组是实现这一目标最直接、经济、有效的措施之一。因此，发展高参数先进超超临界燃煤发电技术，对我国煤炭的清洁高效利用和节能减排具有十分重要的战略意义和实际应用价值，600℃超超临界火电机组是目前国内已商用的先进的燃煤发电技术。
奥氏体耐热钢在超超临界机组中有着广泛的应用，主要用于制造锅炉里的换热器等关键高温部件。在现役的600℃超超临界火电机组中，HR3C合金广泛用于制造锅炉的末级(高温段)过热器和再热器。HR3C合金属于高等级奥氏体耐热钢，是日本住友金属公司在TP310钢的基础上通过复合添加Nb、N等合金元素研制出的一种奥氏体耐热钢。但HR3C合金在服役过程中也表现出了一些不足，即组织结构稳定性较差，合金的韧性随着服役时间的延长下降很快，影响了电站的安全运行。同时，如果提高蒸汽参数到650℃，HR3C的持久强度已不能满足服役的要求，需要进一步提高其持久强度。
高温材料的成分、组织结构和性能密切相关，通过合金的成分优化，可以使合金在获得高温强度的同时，兼具较高的冲击韧性，从而改善其服役特性。通常认为在奥氏体耐热钢中，碳含量不宜超过0.1％，否则会导致晶界处形成大量碳化物，影响材料的韧性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高碳奥氏体耐热钢及其制备方法，得到的奥氏体耐热钢，成分设计合理，高温强度和韧性优异，加工性能和性价比好。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种高碳奥氏体耐热钢，所述高碳奥氏体耐热钢的成分按重量百分比计包括，Ni19-25％，Cr 20-25％，Co 1.0-6.0％，Mn≤0.2％，Nb 0.2-0.8％，V0-0.5％，Si≤1.0％，N0.1-0.3％，C 0.10-0.25％，B 0.001-0.003％，P 0.01-0.03％，余量为Fe。
优选的，所述的Ni的重量百分比为19-22％。
优选的，所述的Cr的重量百分比为22-25％。
优选的，所述的Co的重量百分比为1.0-5.0％。
优选的，所述的Nb的重量百分比为0.2-0.6％；所述的V的重量百分比为0-0.25％。
优选的，所述的Si的重量百分比为≤0.75％；所述的N的重量百分比为0.15-0.25％；所述的Mn的重量百分比为≤0.1％。。
优选的，所述的C的重量百分比为0.15-0.25％。
优选的，所述的B的重量百分比为0.001-0.002％。
一种高碳奥氏体耐热钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，依照合金成分及烧损量配备原材料，并将原材料在真空环境下熔炼并浇注成合金锭；合金锭的组成成分按重量百分比计为，19-25％的Ni，20-25％的Cr，1.0-6.0％的Co，≤0.2％的Mn，0.2-0.8％的Nb，0-0.5％的V，≤1.0％的Si，0.1-0.3％的N，0.10-0.25％的C，0.001-0.003％的B，0.01-0.03％的P，余量为Fe；
步骤2，将合金锭在1150-1200℃均匀化20-30小时；
步骤3，将均匀化后的合金锭在1000-1150℃进行热变形处理；
步骤4，将热变形后的合金在1180-1240℃进行10-40分钟固溶热处理，然后水冷得到高碳奥氏体耐热钢。
优选的，步骤4中制备得到的高碳奥氏体耐热钢，基体为无序面心立方结构的奥氏体，主要强化相为MX、Z相和M23C6，晶粒尺寸为30-90μm，在700℃和180MPa时的持久寿命不低于1300h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过合金化元素的优化设计，增加了奥氏体耐热钢中的碳含量到0.1-0.25％，提高了其高温持久性能，同时获得了优异的韧性。本发明的奥氏体耐热钢持久强度高，冲击韧性高；基体为无序面心立方结构的奥氏体(γ)，MX相、Z(CrNbN)相和M23C6是主要的强化相；与现有技术比较，其加工性能和材料成本相当，但具有更优异的组织结构稳定性、高温持久强度和冲击韧性，适用于制造在高温、高压、超超临界水蒸汽和腐蚀性烟气环境下服役的部件，如650℃及以上超超临界火电机组锅炉的过热器和再热器。
本发明中的高碳有利于改善MX相的形态及分布，同时增加了MX相的体积分数；合金中含有较高的Cr，以提高抗蒸汽氧化和抗烟气腐蚀能力；V、Nb可形成碳化物、氮化物以及碳氮化物强化相，以提高合金的高温强度；B、P可以降低晶界处碳化物的粗化速率，还可以降低晶界界面能，提高晶界结合强度，从而改善合金韧性；Co可以降低基体的层错能，提高合金的高温强度，同时Co会促进MX相的析出；合金成分的优化使得合金同时具有高强度和高韧性，以及优异的组织结构稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的高碳奥氏体耐热钢的组织特征。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1和2
1.合金的成分。
表1给出的是本发明实施例1和2的化学成分组成。试验用合金1#和2#是本发明实施例1和2的高碳奥氏体耐热钢的合金，为了和商用的HR3C合金进行比较，表中也列出了HR3C的成分。
表1本发明实施例与比较例(HR3C)的化学成分(重量％，余量为Fe)
2.合金的熔炼和热变形。
按重量百分比将19-25％的Ni，20-25％的Cr，1.0-6.0％的Co，≤0.2％的Mn，0.2-0.8％的Nb，0-0.5％的V，≤1.0％的Si，0.1-0.3％的N，0.10-0.25％的C，0.001-0.003％的B，0.01-0.03％的P，余量为Fe，加入到真空感应炉中熔炼，浇注成合金锭。
将合金锭在1150-1200℃均匀化20-30小时，然后将均匀化后的合金锭在1000-1150℃进行热变形(热锻或热轧)，总变形量60-80％，最后一道次变形量不低于20％。实施例1#和2#合金的热加工性能与HR3C相当。
3.合金的热处理。
将热变形后的合金在1180-1240℃进行10-40分钟固溶热处理，然后水冷，得到高碳奥氏体耐热钢。
4.合金的组织结构特征。
合金的晶粒尺寸范围为30-90μm，实施例1中合金的典型组织特征如图1所示。MX相和M23C6为主要的强化相，服役过程中会析出Z相，也有强化作用。
5.合金的力学性能。
5.1持久性能。
实施例合金1#和2#在700℃和180MPa时的持久性能，均大幅度高于HR3C的指标。表明实施例合金具有优异的高温持久强度。
表2实施例合金与HR3C的持久性能
*HR3C的持久性能取自日本住友金属公布的数据。
5.2冲击韧性。
实施例合金1#-2#在650℃热暴露2000小时后，其室温冲击韧性如表3所示。实施例1#合金的冲击韧性稍低，为76J/cm2，高于HR3C的(<30J/cm2)1倍以上。实施例2#合金的冲击韧性是HR3C的3倍以上。表明本发明的合金具有优异的冲击韧性。
表3实施例合金与HR3C在650℃热暴露2000小时后的室温冲击性能
综上所述，本发明的高碳奥氏体耐热钢与现在商用的HR3C相比，其热加工性能和成本相当，但高温持久强度大幅度提高，同时具有优异的组织稳定性和高韧性，克服了HR3C合金的不足。本发明的奥氏体耐热钢适用于制作650℃及以上在高温、高压、超超临界水蒸汽和腐蚀烟气条件下工作的部件，如650℃及以上超超临界燃煤发电机组(A-USC)中的过热器和再热器等。
实施例3-6
表4给出的是本发明实施例3、4、5和6的化学成分组成。试验用合金3#-6#是本发明实施例3、4、5和6的高碳含量奥氏体合金。
表4本发明实施例3-6的化学成分(重量％，余量为Fe)
合金 3# 4# 5# 6#
Ni 23 22 25 19
Cr 22 23 20 25
Co 6.0 1.0 5.0 3.0
Mn 0 0.05 0.1 0.2
Nb 0.6 0.2 0.8 0.4
V 0.25 0.1 0.5 0
Si 0.1 0.6 0.75 0.5
N 0.15 0.25 0.3 0.1
C 0.10 0.15 0.25 0.20
B 0.001 0.002 0.003 0.001
P 0.02 0.03 0.02 0.01

Claims (10)

1.一种高碳奥氏体耐热钢，其特征在于，所述高碳奥氏体耐热钢的成分按重量百分比计包括，Ni 19-25％，Cr 20-25％，Co 1.0-6.0％，Mn≤0.2％，Nb 0.2-0.8％，V 0-0.5％，Si≤1.0％，N 0.1-0.3％，C 0.10-0.25％，B 0.001-0.003％，P 0.01-0.03％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述高碳奥氏体耐热钢，其特征在于：所述的Ni的重量百分比为19-22％。
3.根据权利要求1所述高碳奥氏体耐热钢，其特征在于：所述的Cr的重量百分比为22-25％。
4.根据权利要求1所述高碳奥氏体耐热钢，其特征在于：所述的Co的重量百分比为1.0-5.0％。
5.根据权利要求1所述高碳奥氏体耐热钢，其特征在于：所述的Nb的重量百分比为0.2-0.6％；所述的V的重量百分比为0-0.25％。
6.根据权利要求1所述高碳奥氏体耐热钢，其特征在于：所述的Si的重量百分比为≤0.75％；所述的N的重量百分比为0.15-0.25％；所述的Mn的重量百分比为≤0.1％。
7.根据权利要求1所述高碳奥氏体耐热钢，其特征在于：所述的C的重量百分比为0.15-0.25％。
8.根据权利要求1所述高碳奥氏体耐热钢，其特征在于：所述的B的重量百分比为0.001-0.002％。
9.一种高碳奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，依照合金成分及烧损量配备原材料，并将原材料在真空环境下熔炼并浇注成合金锭；合金锭的组成成分按重量百分比计为，19-25％的Ni，20-25％的Cr，1.0-6.0％的Co，≤0.2％的Mn，0.2-0.8％的Nb，0-0.5％的V，≤1.0％的Si，0.1-0.3％的N，0.10-0.25％的C，0.001-0.003％的B，0.01-0.03％的P，余量为Fe；
步骤2，将合金锭在1150-1200℃均匀化20-30小时；
步骤3，将均匀化后的合金锭在1000-1150℃进行热变形处理；
步骤4，将热变形后的合金在1180-1240℃进行10-40分钟固溶热处理，然后水冷得到高碳奥氏体耐热钢。
10.根据权利要求9所述的高碳奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于：步骤4中制备得到的高碳奥氏体耐热钢，基体为无序面心立方结构的奥氏体，主要强化相为MX、Z相和M23C6，晶粒尺寸为30-90μm，在700℃和180MPa时的持久寿命不低于1300h。
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