CN1268776C - 奥氏体系不锈钢 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有良好高温强度、高温延展性以及热加工性能的奥氏体不锈钢，以质量%计，由如下组分组成，C：超过0.05%且0.15%以下，Si：2%以下，Mn：0.1～3%，P：0.04%以下〔P≤1/(11×Cu)〕，S：0.0 1%以下，Cr：超过20%小于28%，Ni：超过15%且55%以下，Cu：超过2%且6%以下，Nb：0.1～0.8%，V：0.02%～1.5%，sol.Al：0.001～0.1%〔Sol.Al≤0.4×N〕，N：超过0.05%且0.3%以下，以及O：0.006%〔O≤1/(60×Cu)〕以下，余量为Fe以及杂质。

Description

奥氏体系不锈钢
技术领域
本发明涉及作为发电用锅炉、化学工业用设备等中的钢管，耐热耐压部件的钢板，棒钢，锻钢品等而使用的奥氏体系不锈钢，特别是涉及蠕变强度、蠕变断裂延展性和热加工性优异的奥氏体系不锈钢。
背景技术
以前，在高温环境下所使用的锅炉或者化学设备等中使用的装置的材料，使用的是SUS304H，SUS316H，SUS321H，SUS347H等18-8系奥氏体不锈钢。但是，近年来，在如此的高温环境下装置的使用条件变得越来越来恶劣，随之对所用材料性能的要求也变得严格。因此以前所使用的18-8系奥氏体不锈钢的高温强度，尤其是蠕变强度显著不足。在这种情况下，提出了通过适量添加各种元素来改善奥氏体不锈钢的高温强度。
例如在专利文献1～3中，通过组合添加适量较为廉价的Cu、Nb以及N，得到极大改善了高温强度的奥氏体系不锈钢。该钢在高温下使用时Cu在奥氏体母相中整合(coherently)析出、同时Nb以NbCrN复合氮化物的形式析出。由于这些析出物具有非常有效地破坏错位移动的作用，因而可以提高奥氏体系不锈钢的高温强度。
但是，例如在火力发电用锅炉领域，最近正在推行将蒸汽温度提高到650℃～700℃的计划(此时使用部件的温度远远超过700℃)等。在上述专利文献1～3中所提出的奥氏体系不锈钢其各种性能并不是很好。即这些添加了Cu、Nb、N的钢，作为可耐于最近所要求的高温高压使用环境的材料是不够理想，其高温强度以及耐腐蚀性不足，存在尤其是在800℃以上的高温下经长时间使用后其韧性不是很好的问题。进一步，与以前的18-8系奥氏体不锈钢相比，添加Cu、Nb、N钢的热加工性能差，希望其可以尽快得到改善。
作为热加工性能得到一定程度改善的钢，例如专利文献4中提出了通过加入Mg、Y、La、Ce、Nd中的一种以上金属，得到提高了热加工性能的钢，在专利文献5以及6中提出了，通过控制P、S量，进一步对应Cu、S的含量加入适量的Mn、Mg、Ca或者Y、La、Ce、Nd，得到热加工性能提高的钢。另外在专利文献7中，公开了除了控制S：0.001％以下，O：0.005％以下之外加入B，进一步对应S、O的含量加入适量的Mg或者Ca，利用满乃斯曼-芯棒式无缝管轧机方式等热压延制管法制得改善了制管性的钢。
但是这些钢中的任何一种均没有很好地改善热加工性能，尤其是没有很好地改善在1200℃以上高温下的加工性。一般在利用热加工性能差的材料制造无接头管时，较多的是利用热挤出法制管，但由于加工产生的热，材料内部的温度相对于加热温度进一步上升，因此如果在1200℃以上的加工性不充分，会断成两截或者产生内部缺陷。在满乃斯曼-芯棒式无缝管轧机方式等的由穿孔机进行的穿孔工序中也一样。
专利文献1
特许第2137555号公报
专利文献2
特开平7-138708号公报
专利文献3
特开平8-13102号公报
专利文献4
特开平9-195005号公报
专利文献5
特开2000-73145号公报
专利文献6
特开2000-328198号公报
专利文献7
特开2001-49400号公报
发明内容
本发明就是为了解决上述所存在的问题，目的在于提供一种可以提高奥氏体系不锈钢的蠕变强度以及蠕变断裂延展性，同时可以显著改善其热加工性能尤其是改善在1200℃以上的高温延展性的钢。
本发明人为了实现该目的进行专心研究，得到如下发现。
(a)为了提高蠕变强度，以组合添加有Cu、Nb以及N的奥氏体不锈钢作为基础材料比较有效。
(b)根据Cu的含量可以适当地控制P以及O含量，对于显著提高破裂延展性以及热加工性能、尤其是在1200℃以上的高温延展性很有效。
(c)根据N的含量，来控制Al的含量，可以有效地改善蠕变强度。
(d)添加V不仅可以有效改善蠕变强度，尤其可以有效改善在800℃以上的高温下经长时间使用后的韧性。
本发明就是在上述发现的基础上完成的，本发明的要点在于下述的奥氏体系不锈钢。
一种奥氏体系不锈钢，其特征在于，以质量％计，含有C：超过0.05％小于0.15％，Si：2％以下，Mn：0.1～3％，P：0.04以下，S：0.01％以下，Cr：超过20％小于28％，Ni：超过15％且55％以下，Cu：超过2％且6％以下，Nb：0.1～0.8％，V：0.02％～1.5％，sol.Al：0.001～0.1％，N：超过0.05％且0.3％以下以及O：0.006％以下，余量为Fe以及杂质，而且满足式(1)到(3)。其中(1)～(3)式中各元素记号是指各元素的含量(质量％)。
P≤1/(11×Cu)              …(1)
Sol.Al≤0.4×N            …(2)
O≤1/(60×Cu)              …(3)
另外，上述的奥氏体系不锈钢，代替一部分Fe，也可以含有从第一组元素(Co：0.05～5％，Mo：0.05～5％，W：0.05～10％，Ti：0.002～0.2％，B：0.0005～0.05％，Zr：0.0005～0.2％，Hf：0.0005～1％，Ta：0.01～8％，Re：0.01～8％，Ir：0.01～5％，Pd：0.01～5％，Pt：0.01～5％以及Ag：0.01～5％)中选出的一种以上，和/或从第二组元素(Mg：0.0005～0.05％，Ca：0.0005～0.05％，Y：0.0005～0.5％，La：0.0005～0.5％，Ce：0.0005～0.5％，Nd：0.0005～0.5％以及Sc：0.0005～0.5％)中选出的一种以上。但是在含有Mo以及W的时候，必须满足下式(4)。
Mo+(W/2)≤5                 …(4)
具体实施方式
下面对本发明奥氏体系不锈钢的化学组成的范围以及其限定理由进行说明。另外下面说明中所述的各元素含量“％”均指“质量％”。
1、本发明钢的化学组成
C：超过0.05％且0.15％以下
C为在高温环境下使用所必须的而且是确保拉伸强度以及蠕变强度的有效且重要的元素。但是C的含量在0.05％以下时不能很好地发挥其效果。另一方面当其含量超过0.15％时，在固溶状态下由于只增加未固溶碳化合物的量，因而不但不会提高其高温强度而且还会破坏韧性等机械性能以及焊接性能。因此，C的含量设定为超过0.05％且在0.15％以下。另外，对于C的含量优选的是在0.13％以下，最优选的是在0.11％以下。
Si：2％以下
加入的Si是作为脱氧元素，另外也是提高抗氧化性·耐水蒸汽氧化性等的有效元素。但当Si含量超过2％时会促进σ相等金属间化合物相的析出以及大量氮化物的析出，在高温下由于会破坏组织的稳定性，因此会引起韧性以及延展性的下降。另外焊接性以及热加工性能也会下降。因此Si的含量设定在2％以下。在注重韧性以及延展性时优选的是在1％以下，更为优选的是在0.5％以下。在用其他元素可以很好地进行脱氧时也可以不加Si，在注重脱氧作用、抗氧化性、耐水蒸气氧化性等时，较好的是含有0.05％以上的Si。最优选的Si含量是在0.1％以上。
Mn：0.1～3％
Mn与Si同样具有钢液的脱氧作用，同时可以使钢中所不可避免存在的S作为硫化合物固着，从而改善热加工性能。为了可以很好地得到这些效果Mn含量必须在0.1％以上。但当其含量超过3％时，会助长σ相等金属间化合物相的析出，从而使组织稳定性、高温强度以及机械性能劣化。因此Mn的含量为0.1～3％。Mn含量优选的为0.2～2％，最为优选的为0.2～1.5％。
P：0.04％以下
P为钢中所不可避免含有的杂质，会使热加工性能显著下降。因此规定其含量在0.04％以下。尤其由于与Cu之间的相互作用使得蠕变断裂延展性、热加工性能、尤其是1200℃以上的高温延展性进一步降低，因此P的含量与Cu含量之间的关系必须满足下式(1)所示的范围。
P≤1/(11×Cu)             …(1)
S：0.01％以下
S与P一样是一种会显著降低热加工性能的杂质，也是提高切削性以及焊接性的有效元素。从防止热加工性能降低的观点来说希望S的含量尽可能少，在本发明的钢中根据Cu的含量可以适当调节P含量以及O含量等，可以改善其热加工性能。因此，S含量允许到0.01％。特别地在必须重视热加工性能时在0.005％以下，进一步希望是在0.003％以下。
Cr：大于20％小于28％
Cr是确保抗氧化性、耐水蒸汽氧化性、耐高温腐蚀性等的重要元素，同时也是形成Cr类碳氮化物从而赋予钢强度的元素。但是若要满足在650～700℃以上的高温环境下所必须具备的耐腐蚀性以及高温强度，18-8系奥氏体不锈钢尚不能满足要求，必须要添加超过20％的Cr。虽然Cr含量越多耐腐蚀性越强，但是含量在28％以上时奥氏体组织不稳定，较易生成σ相等金属间化合物、α-Cr相，从而损害韧性以及高温强度。因此Cr含量超过20％但小于28％。
Ni：超过15％且55％以下
Ni是确保稳定的奥氏体组织的必要元素，但其最合适的含量要根据钢中所含的Cr、Mo、W、Nb等铁素体生成元素以及C、N等奥氏体生成元素的含量而定。如上所述本发明的钢中必须含超过20％的Cr，相对Cr的含量当Ni含量在15％以下时奥氏体单相组织化较困难。另外，在这种情况下，经过较长时间后奥氏体组织变得不稳定会析出σ相等的脆化相，从而会使高温强度、韧性明显劣化，因此不能用作耐热耐压部件。但当Ni含量超过55％时其效果达到饱和因而不经济。因此Ni含量超过15％但在55％以下。
Cu：超过2％但6％以下
Cu在高温下使用时会形成细微的Cu相从奥氏体母相中整合析出，是可大幅提升蠕变强度的最重要且特性元素之一。为了发挥效果，其含量必须超过2％。但是Cu含量超过6％时，蠕变强度的上升效果不仅达到饱和而且会使蠕变断裂延展性以及热加工性能下降。因此Cu含量超过2％但在6％以下。优选的含量范围为2.5～4％。
Nb：0.1～0.8％
Nb可以形成细微的NbCrN等碳氮化合物，在提高蠕变断裂强度的同时可以抑制在最终加工后固溶热处理时的粗粒化，也有助于提高蠕变断裂延展性，与Cu以及N一起均为重要的元素。但是其含量在小于0.1％时得不到很好的效果，在超过0.8％时随着焊接性以及未固溶氮化物的增加不但会使机械性能劣化，而且会使热加工性能尤其是在1200℃以上的高温延展性显著下降。因此，Nb含量设定在0.1～0.8％。Nb的优选含量范围为0.2～0.6％。
V：0.02～1.5％
已知V是一种可以形成(Nb，V)CrN、V(C，N)等碳氮化物，可以提高高温强度以及蠕变强度的有效元素，但在本发明中添加Nb是除为了提高高温强度之外，同时也是为了提高特别是在800℃以上高温下经长时间使用后的韧性。如本发明在含Cu的钢中，V的提高高温强度、韧性的效果被认为是，V促进Cu相的细微析出、有助于抑制其粗大化以及抑制晶粒边界M23C6粗大化，同时在晶粒边界上作为V(C，N)析出、提高晶粒边界覆盖率等。但是在V的含量小于0.02％时得不到上述效果，超过1.5％时由于耐高温腐蚀性以及脆化相的析出会引起延展性、韧性的恶化。因此V的含量设定在0.02～1.5％。优选的范围是0.04～1％。
Sol.Al(酸可溶性Al)：0.001～0.1％
添加Sol.Al元素作为钢液的脱氧剂，在本发明中根据N含量，严格规定Sol.Al含量。为了发挥其效果含量必须在0.001％以上。但是当其含量超过0.1％时，在高温下使用时会促进σ相等金属间化合物的析出，使韧性、延展性、高温强度降低。因此Sol.Al含量设定在0.001～0.1％。优选Sol.Al的含量是在0.005～0.05％，更为优选的是在0.01～0.03％。
此外，根据N的含量必须把Sol.Al的含量规定在满足下式(2)所示的范围。这样，可以抑制N作为不赋予高温强度的AlN而被消耗，从而充分确保可有效提高高温强度的(Nb，V)CrN复合氮化物的析出量。
Sol.Al≤0.4×N     …(2)
N：超过0.05％且0.3％以下
N元素是代替一部分高价Ni而可有效地确保奥氏体组织稳定性的元素，作为侵入型固溶元素有助于固溶强化，从而有效提高拉伸强度。此外，N可以形成细微的NbCrN等氮化物，通过提高高温强度、蠕变强度以及抑制粗粒化，确保蠕变断裂延展性，是与Cu、Nb一样不可或缺的最重要的元素之一。为了发挥其效果含量必须超过0.05％。但是当N含量超过0.3％时会增加未固溶的氮化物，在高温下使用的过程中会析出大量的氮化物，因此会损害延展性、韧性以及焊接性。因此，N的含量是超过0.05％且在0.3％以下。优选的范围为0.06～0.27％。
O：0.006％以下
O元素是作为杂质，在钢中不可避免地含有的元素，会明显降低钢的热加工性能。特别是在含有Cu的本发明的钢中，由于O与Cu之间的相互作用会使蠕变断裂延展性以及热加工性能、尤其使在1200℃以上的高温延展性进一步降低，因此对O的含量进行严格规定非常重要。因此规定O含量在0.006％以下，而且与Cu含量的关系必须满足下式(3)。
O≤1/(60×Cu)    …(3)
本发明的一种奥氏体系不锈钢，是具有上述化学组成、其余为Fe以及杂质的钢。另外，本发明的另外一种奥氏体系不锈钢，代替一部分Fe，含有从第一组元素(Co：0.05～5％，Mo：0.05～5％，W：0.05～10％，Ti：0.002～0.2％，B：0.0005～0.05％，Zr：0.0005～0.2％，Hf：0.0005～1％，Ta：0.01～8％，Re：0.01～8％，Ir：0.01～5％，Pd：0.01～5％，Pt：0.01～5％以及Ag：0.01～5％)中选出的一种以上。含该第一组元素的钢，为高温强度更加良好的的钢。下面说明这些元素的范围以及其限定原因。
Co：0.05～5％
在本发明的钢中也可以添加Co，其同Ni一样是稳定奥氏体组织、有助于提高蠕变强度的重要元素。但是在含量小于0.05时产生不了效果，而当含量超过5％时效果已经达到饱和因而不经济。因此，在含Co时，其含量较理想的是在0.05～5％。
Mo：0.05～5％，W：0.05～10％
Mo以及W元素由于可以有效提高高温强度、蠕变强度，因此也可以加入到本发明的钢中。其中任何一种元素的含量在0.05％以上时可以明显得到上述效果。但是当Mo的含量超过5％时或者W含量超过10％时，强度的提高效果达到了饱和同时还会劣化组织稳定性、热加工性能。因此，含有这些元素时，其含量的上限，单独含Mo时为5％，单独含W时为10％，在组合添加Mo以及W时，其含量希望满足下式(4)。
Mo+(W/2)≤5        …(4)
Ti：0.002～0.2％
由于Ti元素可以形成碳氮化物从而可以提高高温强度，因此也可以加入到本发明的钢中。要明显地得到其效果含量要在0.002％以上，但当其含量过剩时，担心由于未固溶氮化物会使机械性能下降或者由于微细氮化物减小会使高温强度下降。因此在含Ti时其含量希望在0.002～0.2％。
B：0.0005～0.05％
B以碳氮化合物或者以B单体的形式存在于晶粒边界中，在高温使用过程中会促进碳氮化合物的细微分散析出，通过强化晶粒边界从而抑制晶粒边界滑动以此来改善蠕变强度。当含量在0.0005％以上时其效果尤其显著，但当含量超过0.05％时会使焊接性恶化。因此在含B时其含量优选的是在0.0005～0.05％，更为优选的是在0.001～0.01％。B含量最好是在0.001～0.05％之间。
Zr：0.0005～0.2％
元素Zr有助于晶粒边界的强化从而提高高温强度以及蠕变强度的同时，固着S从而改善热加工性能。当Zr含量在0.0005％以上时效果非常显著，但当其含量超过0.2％时会恶化延展性、韧性等机械性能。因此，在含有Zr时其含量优选的是在0.0005～0.2％，更为优选的是在0.01～0.1％。Zr含量最好是在0.01～0.05％。
Hf：0.0005～1％
Hf是主要有助于强化晶粒边界提高蠕变强度的元素。当其含量在0.005％以上时效果非常显著，但当其含量超过1％时会损害加工性以及焊接性。因此在含Hf时，其含量优选的是在0.005～1％。更为优选的是在0.01～0.8％，最为优选的是在0.02～0.5％。
Ta：0.01～8％
Ta在形成碳氮化合物的同时作为固溶强化元素可以提高高温强度、蠕变强度。当含量在0.01％以上时这些效果尤其显著，但是当含量超过8％时会损害加工性能以及机械性能。因此在含Ta时其含量优选是在0.01～8％。进一步优选的是在0.1～7％，最为优选的是在0.5～6％。
Re：0.01～8％
Re主要作为固溶强化元素提高高温强度、蠕变强度。Re的含量在0.01％时其效果显著，但当其含量超过8％时会损害其加工性能以及机械性质。因此，在含Re的情况下，其含量优选的是在0.01～8％。更为优选的是在0.1～7％，最为优选的是在0.5～6％。
Ir、Pd、Pt、Ag：0.01～5％
Ir、Pd、Pt以及Ag在奥氏体母相中固溶，有助于固溶强化，同时还改变奥氏体母相的晶格参数，从而提高在母相中整合析出的Cu相的长时间稳定性。另外，根据添加量其一部分形成细微金属间化合物，提高高温强度、蠕变强度。当这些元素的含量在0.01％以上时效果显著，但是当含量超过5％时会损害加工性能以及机械性能而经济性也下降。因此在含这些元素时其含量优选的是在0.01～5％。进一步优选的是在0.05～4％，最为优选的是在0.1～3％。
本发明的另外一种奥氏体系不锈钢，具有上述化学组成，并代替一部分Fe，含有从第二组元素(Mg：0.0005～0.05％，Ca：0.0005～0.05％，Y：0.0005～0.5％，La：0.0005～0.5％，Ce：0.0005～0.5％，Nd：0.0005～0.5％以及Sc：0.0005～0.5％)中的一种以上。含第二组元素的钢，具有更加良好的热加工性能。下面，说明这些元素的范围以及限定理由。
Mg：0.0005～0.05％，Ca：0.0005～0.05％
Mg以及Ca的任何一种均可以把会阻碍热加工性能的S以硫化物固着，从而可以有效地改善钢的热加工性能。任何一种元素的含量在0.0005％以上时，上述效果较为显著，但当其含量超过0.05％时，会损害钢质，而且会降低热加工性能、延展性。因此在含Mg和/或Ca时，其中任何一种元素的含量优选的是在0.0005～0.05％，更为优选的是在0.001～0.02％。最为优选的是在0.001～0.01％。
Y、La、Ce、Nd、Sc：0.0005～0.5％
Y、La、Ce、Nd以及Sc的任何一种均可以使S以硫化物形式固着，改善钢的热加工性能，同时改善钢表面的Cr2O3保护膜的密合性，尤其改善在反复进行氧化时的抗氧化性。另外，这些元素也有助于晶粒边界的强化因而可以提高蠕变断裂强度、蠕变断裂延展性。任何一种元素的含量在O.0005％以上时上述效果显著。但是，当这些元素的含量超过0.5％时，氧化物等夹杂物变多，会损害加工性能、焊接性。因此，在含有这些元素时任何一种元素的含量优选的是在0.0005～0.5％，更为优选的是在0.001～0.3％。最为优选的是在0.002～0.15％。
在上述规定了成分的本发明钢，可以广泛适用于要求高温强度以及耐腐蚀性的钢管、钢板、棒钢、锻钢品等用途中。
2.本发明钢的析出物
如果具有以上化学组成，并调整制造方法，在高温下使用本发明的钢时会析出(Nb，V)CrN复合氮化物以及在晶粒边界上析出V(C，N)碳氮化合物。这些析出物，会改善本发明钢的蠕变断裂强度、蠕变断裂延展性以及在800℃以上高温下长时间使用后的韧性。以面密度计当(Nb，V)CrN复合氮化物的析出量在4个/μm2以上、V(C，N)碳氮化合物的析出量在8个/μm2以上时，这些效果很显著，因此在高温下使用时希望它们可以在该范围内析出。析出的(Nb，V)CrN氮化物主要呈方形或者珠状，析出的V(C，N)碳氮化合物主要呈球状或者圆盘状。尤其是V(C，N)碳氮化合物的场合，如果尺寸过大，会降低位错(dislocation)的粘着力，因此希望析出的直径大小在50nm以下。
这里，(Nb，V)CrN复合氮化物是也被称作Z相均复合氮化物，其结晶构造为正方形，在单位晶格内存在的(Nb，V)、Cr以及N的比例为1∶1∶1。另外V(C，N)氮碳化合物，形成NaCl型的立方形晶体碳化物(VC)或者立方形晶体氮化物(VN)，或者碳原子与氮原子一部分相互置换形成立方形晶体碳氮化合物。该碳化物以及氮化物具有如下结晶构造：金属原子致密堆迭形成面心立方晶格，而C原子或者N原子占据八面体晶格间位置。
另外，可以使用透过电子显微镜在10000倍以上观察组织，测定这些析出物的析出量，也可以通过计数由电子衍射图区分开来的各种析出物得到。优选在5视场以上进行观察。
3、本发明钢的制造方法
在制造本发明的钢时优选使用如下的方法。
首先，将具有上述化学组成的钢块熔炼之后，直接铸造或者锻造、分解压延形成钢坯，进行热挤出或者热压延等热加工。热加工前的加热温度较为理想的是在1160℃以上、1250℃以下。热加工的结束温度理想的是在1150℃以上，加工结束后为了抑制粗大碳氮化合物的析出，较好的是以0.25℃/秒(到50℃)以上的极快冷却速度下进行冷却。
在热加工结束之后，可以进行最终热处理，根据需要也可以进行冷加工。在冷加工前必须进行中途热处理，使碳氮化合物固溶，较好的是在热加工前的加热温度或者热加工结束温度中较低一方以上的温度下进行。冷加工优选的是赋予其10％以上的应变，另外也可以进行两次以上的冷加工。
最终产品热处理的温度在1170～1300℃的范围内，优选的是在比热加工结束温度或者上述中途热处理温度高10℃以上的温度下进行。从耐腐蚀性方面考虑，本发明的钢未必要制成细粒钢，但制成细粒钢时可以在比热加工结束温度或者上述中途热处理温度低10℃以上的温度下进行最终热处理。为了抑制粗大碳氮化合物的析出，较好的是以0.25℃/秒(到50℃)以上的极快冷却速度下进行冷却。
在注重蠕变断裂延展性时，可以使用组成被调整为Nb以及Cu的含量比[Nb/Cu]达到0.05～0.2的钢，调整热处理温度以及冷却速度，使最终热处理后的未固溶Nb量在0.04×Cu～0.085×Cu(质量％)的范围内。
实施例
在高频真空熔解炉中，将具有表1以及表2所示化学组成的钢熔炼，制成外径180mm的50kg钢锭。另外表中1～38为本发明的钢，A～O为比较钢。
                                  表1
  分类   钢No.                                                               化学组成(质量％、余部：Fe和杂质)   P上限   Al上限   O上限
  C   Si   Mn   P   S   Cr   Ni   Cu   Nb   V   Al   N   O   其他
  本发明钢   1   0.059   0.39   1.17   0.015   0.002   24.8   24.8   3.30   0.42   0.07   0.008   0.21   0.003   0.028   0.084   0.005
  2   0.060   0.41   1.23   0.026   0.002   25.2   24.7   3.31   0.44   0.06   0.009   0.22   0.002   0.027   0.088   0.005
  3   0.089   0.39   1.22   0.017   0.002   24.8   29.9   2.95   0.45   0.11   0.015   0.20   0.002   0.031   0.080   0.006
  4   0.093   0.38   1.27   0.016   0.002   24.7   29.7   2.92   0.41   0.12   0.017   0.23   0.005   0.031   0.092   0.006
  5   0.126   0.37   1.27   0.017   0.002   24.2   38.6   3.03   0.34   0.25   0.013   0.10   0.003   0.030   0.040   0.006
  6   0.130   0.39   1.20   0.018   0.003   25.1   38.8   2.98   0.33   0.27   0.033   0.09   0.004   0.031   0.036   0.006
  7   0.066   0.39   0.41   0.016   0.003   23.3   19.6   2.82   0.44   0.04   0.011   0.19   0.005   0.032   0.076   0.006
  8   0.074   0.42   0.42   0.013   0.003   23.6   19.9   2.79   0.45   0.82   0.010   0.20   0.005   0.033   0.080   0.006
  9   0.070   0.46   0.38   0.014   0.0005   23.2   20.1   2.96   0.44   0.23   0.013   0.20   0.005   0.0041B，0.0035Ca   0.031   0.080   0.006
  10   0.061   0.47   1.19   0.008   0.002   20.3   18.4   2.14   0.47   0.44   0.015   0.17   0.005   0.31Mo，1.63W   0.042   0.068   0.008
  11   0.056   0.44   1.27   0.007   0.003   21.2   15.8   3.41   0.35   0.46   0.009   0.26   0.003   0.67Mo，1.33W   0.027   0.106   0.005
  12   0.058   0.41   1.22   0.018   0.002   24.6   20.5   2.82   0.71   0.15   0.015   0.06   0.004   0.032   0.024   0.006
  13   0.058   0.42   1.30   0.017   0.002   27.4   25.8   3.70   0.46   0.17   0.018   0.22   0.003   3.56Co   0.025   0.088   0.005
  14   0.056   0.41   1.22   0.017   0.003   25.2   29.9   3.76   0.48   0.27   0.015   0.21   0.003   2.88Mo   0.024   0.084   0.004
  15   0.059   0.43   1.28   0.016   0.002   24.4   35.3   3.80   0.44   0.22   0.025   0.18   0.002   3.25W   0.024   0.072   0.004
  16   0.070   0.41   1.18   0.015   0.003   24.9   24.4   3.73   0.44   0.26   0.017   0.23   0.002   0.05Ti   0.024   0.093   0.004
  17   0.061   0.44   1.18   0.017   0.002   24.9   25.9   3.84   0.45   0.16   0.014   0.24   0.003   0.0049B   0.024   0.096   0.004
  18   0.057   0.44   1.17   0.016   0.003   24.6   20.0   3.75   0.47   0.23   0.018   0.26   0.003   0.03Zr   0.024   0.104   0.004
  19   0.069   0.39   1.26   0.018   0.003   25.3   23.7   3.90   0.43   0.41   0.017   0.24   0.003   0.0038Mg   0.023   0.094   0.004
  20   0.057   0.37   1.29   0.017   0.003   25.3   19.6   3.71   0.42   0.20   0.013   0.25   0.003   0.0029Ca   0.025   0.102   0.004
  21   0.060   0.41   1.24   0.016   0.002   25.0   19.8   3.67   0.47   1.25   0.014   0.27   0.004   0.04Y   0.025   0.106   0.005
  22   0.059   0.43   1.19   0.017   0.002   25.0   20.1   3.66   0.46   0.26   0.019   0.26   0.002   0.06La   0.025   0.106   0.005
  23   0.057   0.41   2.16   0.017   0.002   24.9   19.6   3.63   0.42   0.27   0.014   0.24   0.003   0.02Ce   0.025   0.096   0.005
  24   0.055   0.38   1.25   0.016   0.002   24.8   20.4   3.73   0.45   0.30   0.012   0.27   0.002   0.04Nd   0.024   0.108   0.004
  25   0.031   0.50   1.19   0.015   0.002   25.5   21.8   3.69   0.42   0.31   0.014   0.26   0.003   0.08Sc   0.025   0.104   0.005
  26   0.056   0.42   1.20   0.016   0.002   25.2   20.1   3.74   0.44   0.29   0.014   0.26   0.002   0.21Hf   0.024   0.105   0.004
  27   0.058   0.40   1.17   0.016   0.003   25.1   41.7   3.77   0.45   0.30   0.015   0.12   0.003   1.2Ta   0.024   0.048   0.004
注：″Al″是指sol.Al(酸可溶性Al)
″P上限、″Al上限″以及″O上限″各自为由式(1)、式(2)以及式(3)所得的值。
                                          表2
  分类   钢No.                                                           化学组成(质量％、余部：Fe和杂质)   P上限   Al上限   O上限
  C   Si   Mn   P   S   Cr   Ni   Cu   Nb   V   Al   N   O   其他
  本发明钢   28   0.057   0.39   1.21   0.016   0.002   25.5   48.6   3.83   0.48   0.16   0.015   0.10   0.002   3.3Re   0.024   0.040   0.004
  29   0.056   0.42   1.26   0.015   0.002   25.2   44.9   3.84   0.47   0.09   0.015   0.13   0.002   1.49Ir   0.024   0.052   0.004
  30   0.059   0.45   1.18   0.015   0.003   24.9   52.5   3.67   0.45   0.26   0.018   0.08   0.002   1.13Pd   0.025   0.032   0.005
  31   0.062   0.41   1.05   0.016   0.002   24.8   40.3   3.66   0.38   0.21   0.016   0.10   0.002   0.52Pt   0.025   0.040   0.005
  32   0.060   0.40   1.14   0.014   0.002   25.3   48.5   3.58   0.44   0.23   0.018   0.07   0.002   2.10Ag   0.025   0.028   0.005
  33   0.059   0.42   1.17   0.014   0.002   25.1   29.8   3.73   0.44   0.18   0.016   0.21   0.002   0.0039B，1.38W   0.024   0.084   0.004
  34   0.060   0.40   1.22   0.014   0.003   25.5   29.7   3.79   0.45   0.20   0.017   0.20   0.003   0.02Zr，0.98W，0.0035Ca   0.024   0.080   0.004
  35   0.059   0.36   1.13   0.015   0.003   25.5   25.0   3.78   0.46   0.18   0.013   0.23   0.002   1.43Co，0.15Nd   0.024   0.092   0.004
  36   0.056   0.37   1.15   0.015   0.002   25.2   34.5   3.84   0.42   0.27   0.012   0.19   0.003   4.50W，0.08Y   0.024   0.076   0.004
  37   0.061   0.40   1.21   0.013   0.002   24.7   31.7   3.90   0.45   0.26   0.016   0.21   0.002   3.17Mo，0.76Hf   0.023   0.084   0.004
  38   0.055   -   0.85   0.014   0.001   23.8   20.4   2.88   0.20   0.51   0.013   0.18   0.002   0.032   0.072   0.006
  比较钢   A   0.062   0.42   1.13   0.030*   0.002   24.9   25.0   3.24   0.43   0.07   0.012   0.22   0.003   0.028   0.088   0.005
  B   0.060   0.41   1.20   0.036*   0.002   24.8   24.9   3.29   0.43   0.08   0.010   0.20   0.003   0.028   0.080   0.005
  C   0.061   0.38   1.21   0.023*   0.002   25.2   25.0   4.66   0.43   0.07   0.008   0.21   0.002   0.020   0.084   0.004
  D   0.091   0.39   1.24   0.016   0.002   25.0   29.8   2.90   0.45   0.11   0.014   0.21   0.008*   0.031   0.084   0.006
  E   0.090   0.39   1.18   0.018   0.002   25.3   30.1   2.95   0.44   0.09   0.015   0.22   0.010*   0.031   0.088   0.006
  F   0.091   0.36   1.19   0.015   0.002   25.1   29.9   4.82   0.42   0.12   0.014   0.22   0.005*   0.019   0.088   0.003
  G   0.121   0.41   1.20   0.015   0.003   25.1   38.7   3.02   0.36   0.30   0.038*   0.09   0.003   0.030   0.036   0.006
  H   0.122   0.37   1.21   0.015   0.002   25.2   38.5   3.10   0.31   0.27   0.055*   0.10   0.004   0.029   0.040   0.005
  I   0.129   0.38   1.20   0.018   0.002   25.1   38.6   3.05   0.35   0.28   0.031*   0.06   0.003   0.030   0.024   0.005
  J   0.069   0.38   0.40   0.014   0.003   22.5   20.0   3.01   0.44   0.01*   0.011   0.21   0.003   0.030   0.084   0.006
  K   0.072   0.41   0.41   0.014   0.003   23.2   19.6   2.94   0.45   0.0005*   0.009   0.19   0.004   0.031   0.076   0.006
  L   0.070   0.40   0.43   0.016   0.0004   22.8   19.8   3.02   0.46   0.0004*   0.012   0.21   0.005   0.0043B，0.0040Ca   0.030   0.084   0.006
  M   0.059   0.41   1.21   0.007   0.002   20.5   18.5   1.81*   0.46   0.46   0.012   0.18   0.004   0.35Mo，1.70W   0.050   0.072   0.009
  N   0.041*   0.46   1.29   0.005   0.002   20.8   16.0   3.38   0.37   0.47   0.011   0.25   0.003   0.70Mo，1.39W   0.027   0.100   0.005
  O   0.060   0.39   1.20   0.017   0.001   24.9   20.8   2.79   0.75   0.16   0.014   0.04*   0.004   0.033   0.016   0.006
注：″Al″是指sol.Al(酸可溶性Al)。
″P上限、″Al上限″以及″O上限″各自为由式(1)、式(2)以及式(3)所得的值。
″*″是指超出本发明规定的范围。
利用下述方法由得到的钢锭制造各种试验片。作为用来评价高温延展性的试样，通过热锻造将上述钢锭制成厚度40mm的钢板后、通过机械加工制成圆棒拉伸试验片(直径10mm，长130mm)。作为供给蠕变断裂实验的试验片，是通过热锻造将上述的钢锭制成厚15mm的板材，经软化热处理后，冷压延至10mm，在1230℃保持15分钟后，经水冷的材料通过机械加工制得圆棒试验片(直径6mm，标距30mm)。另外，本发明的钢7与钢8以及比较钢J与K，是将经水冷的材料在800℃经过3000小时的时效后，作为用来评价其韧性的试验片，每个条件下制作两个V型缺口(notch)试样(厚5mm×宽10mm×长55mm，缺口高2mm)。
高温延展性，是使用上述的圆棒拉伸试验片(直径10mm、长度130mm)，加热至1220℃后保持3分钟，进行应变速度为5/sec的高速拉伸试验，从试验后的断裂面求得拉深率。当该温度下的拉深率在60％以上时，可知在进行热挤出等热加工时不会产生特别大的问题，以拉深率在60％以上作为良好热加工性能的判断基准。
蠕变断裂强度，是使用上述的圆棒试验片(直径6mm，标距30mm)，在750℃以及800℃的大气中进行蠕变断裂实验，把得到的断裂强度利用拉森一密勒参数(Larson Miller parameter)法回归后求得750℃、105h的断裂强度。另外，蠕变断裂延伸率，是利用上述圆棒试验片(直径6mm，标距30mm)，在750℃下施加130MPa负荷进行蠕变断裂实验，测定其断裂延伸率。
时效后的韧性，是使用上述由在800℃下经过3000小时时效后的材料制得的V型缺口试验片(厚5mm×宽10mm×长55mm，缺口高2mm)，将各试验片冷却到0℃以后进行摆锤式冲击实验，求得两个试验片的平均值作为冲击值。
本发明钢析出物的析出量是按照以下方法测定，即，由在750℃温度下负载了130MPa负荷的蠕变断裂材料的平行部分采取试验片，使用透过显微镜在10000倍以上观察组织，根据电子线衍射图计数区分开来的各种析出物。在5视场下进行观察，其平均值作为析出量。
得到的结果如表3以及表4所示。
                                          表3
  分类   钢No.            析出量 拉深率(％)   蠕变断裂强度(MPa)   蠕变断裂延伸率(％)   摆锤式冲击值(J/cm2)
  (Nb，V)CrN(个/μm2)  V(C，N)(个/μm2)
本发明钢   1   9  21   88.1   71.2   31.9   -
  2   10  24   70.4   71.0   27.1   -
  3   13  48   90.1   73.1   33.6   -
  4   12  51   78.0   73.6   31.1   -
  5   6  25   82.5   75.1   30.9   -
  6   6  28   88.3   75.8   32.2   -
  7   9  22   85.2   70.2   34.0   88
  8   15  162   83.5   78.5   29.1   105
  9   9  71   95.1   79.5   31.9   -
  10   12  95   89.8   80.5   32.2   -
  11   14  108   93.2   80.2   35.3   -
  12   9  42   72.0   70.9   27.3   -
  13   12  56   84.9   80.4   32.9   -
  14   12  74   81.6   80.5   31.0   -
  15   10  48   79.5   81.1   26.8   -
  16   13  76   83.7   80.0   30.4   -
  17   12  60   80.7   79.8   28.4   -
  18   15  82   79.2   79.7   31.2   -
  19   13  102   92.1   75.1   24.7   -
  20   13  66   93.0   75.4   30.2   -
  21   21  268   90.8   78.8   27.7   -
  22   14  87   95.2   74.6   29.5   -
  23   13  74   90.1   74.9   31.8   -
  24   14  94   93.6   75.0   33.8   -
  25   14  80   92.6   75.1   29.1   -
  26   12  88   88.5   79.8   30.7   -
  27   9  44   78.1   80.2   26.9   -
                                          表4
  分类   钢No.            析出量 拉深率(％)   蠕变断裂强度(MPa)   蠕变断裂延伸率(％)   摆锤式冲击值(J/cm2)
  (Nb，v)CrN(个/μm2)   V(C，N)(个/μm2)
  本发明钢   28   7   17   75.5   80.5   27.0   -
  29   8   12   76.4   81.2   30.3   -
  30   7   23   78.4   81.4   27.8   -
  31   8   14   77.2   80.5   28.6   -
  32   8   13   76.5   80.8   29.0   -
  33   11   51   84.1   80.1   31.7   -
  34   11   53   92.0   80.4   31.7   -
  35   12   61   93.5   80.2   29.6   -
  36   10   56   92.6   80.9   28.1   -
  37   12   68   84.9   80.4   31.3   -
  38   9   54   81.6   72.5   30.0   -
  比较钢   A   11   34   55.6   71.4   9.0   -
  B   10   28   32.3   70.9   5.5   -
  C   10   29   51.3   72.5   7.0   -
D 11 49 54.0 73.2   8.2   -
  E   13   47   39.2   72.8   4.6   -
  F   10   49   50.3   74.9   8.9   -
  G   7   35   88.7   68.4   32.8   -
  H   7   25   90.9   66.2   32.0   -
I 6 22 91.2 67.5   31.9   -
  J   4   3   86.6   63.1   30.4   51
  K   3   2   84.8   61.7   31.4   40
  L   3   2   94.2   62.8   35.5   -
  M   12   85   91.0   68.0   32.3   -
  N   10   51   91.1   69.8   36.0   -
  O   3   5   75.7   66.8   25.9   -
如表3以及表4所示，比较钢A～C任何一种，其P含量均超过式(1)所规定的范围。特别对于比较钢A以及B，除了P之外的化学组成几乎与本发明钢1以及2相同，比较钢C的P含量几乎与本发明钢2相同，但是任何一种比较钢其拉深值以及蠕变断裂延伸率值均比较低。因此，这些比较钢的蠕变断裂延展性以及热加工性能都不是很好。
对于比较钢D以及E任何一种，其O含量均超过式(3)所规定的范围，尤其是比较钢E，除了O以外其它化学组成与本发明钢4几乎相同，但是其拉深值以及蠕变断裂延伸率值均较低。因此对于这些比较钢其蠕变断裂延伸性以及热加工性能也都不是很好。
在比较钢G～I中的任何一种，其sol.Al含量并没有满足式(2)所规定的范围，除了sol.Al之外其它化学组成几乎与本发明钢5以及6相同，但是其蠕变断裂强度值较低。
比较钢J、K以及L中的任何一种，其V的含量在本发明规定的范围以下，除了V之外其它化学组成与本发明钢7以及8几乎相同，但是其蠕变断裂强度值较低。另外比较例J以及K的摆锤式冲击值比本发明例7以及8的要低，由此可见，在不加V时，时效后的韧性显著下降。另外比较例L为专利文献7中所公开的范围内的钢。
比较钢M、N以及O，其各自的Cu含量、C含量以及N含量均在本发明规定的范围以下，其他化学组成分别与本发明的钢10、11以及12几乎相同。这些比较例的蠕变断裂强度与本发明相比也较差。
另一方面，本发明钢1～8、12以及38，其蠕变断裂强度、蠕变断裂延展性、热加工性能任何一样均良好。另外，含有第一组元素和/或第二组元素中的一种以上的本发明钢9～11以及13～37，其热加工性能、蠕变断裂强度均得到进一步改善。
利用本发明，通过组合添加Cu、Nb以及N，可以得到具有优良高温强度的奥氏体系不锈钢，可以极大地改善热加工性能以及实现进一步的高强度化，提高在高温下经长时间使用后的韧性，作为650℃～700℃以上高温下的耐热耐压部件，有助于设备高效率化等，同时还可以削减制造成本且其波及效果也极大。

Claims (4)

1、一种奥氏体系不锈钢，其特征在于：以质量％计，含有C：超过0.05％且0.15％以下，Si：2％以下，Mn：0.1～3％，P：0.04％以下，S：0.01％以下，Cr：超过20％小于28％，Ni：超过15％且55％以下，Cu：超过2％且6％以下，Nb：0.1～0.8％，V：0.02％～1.5％，sol.Al：0.001～0.1％，N：超过0.05％且0.3％以下，以及O：0.006％以下，余量为Fe以及杂质，而且满足式(1)到(3)，其中(1)～(3)式中各元素记号是指该元素的含量(质量％)，
P≤1/(11×Cu)                 …(1)
Sol.Al≤0.4×N                …(2)
O≤1/(60×Cu)                 …(3)。
2、根据权利要求1所述的奥氏体系不锈钢，其特征在于：代替一部分Fe，以质量％计，进一步含有Co：0.05～5％，Mo：0.05～5％，W：0.05～10％，Ti：0.002～0.2％，B：0.0005～0.05％，Zr：0.0005～0.2％，Hf：0.0005～1％，Ta：0.01～8％，Re：0.01～8％，Ir：0.01～5％，Pd：0.01～5％，Pt：0.01～5％以及Ag：0.01～5％中的一种以上，而且满足式(1)到(4)，其中(1)～(4)式中各元素记号是指该元素的含量(质量％)，
P≤1/(11×Cu)                …(1)
Sol.Al≤0.4×N               …(2)
O≤1/(60×Cu)                …(3)
Mo+(W/2)≤5                  …(4)。
3、根据权利要求1所述的奥氏体系不锈钢，其特征在于：代替一部分Fe，以质量％计，进一步含有Mg：0.0005～0.05％，Ca：0.0005～0.05％，Y：0.0005～0.5％，La：0.0005～0.5％，Ce：0.0005～0.5％，Nd：0.0005～0.5％以及Sc：0.0005～0.5％中的一种以上，而且满足式(1)到(3)，其中(1)～(3)式中各元素记号是指该元素的含量(质量％)，
P≤1/(11×Cu)              …(1)
Sol.Al≤0.4×N             …(2)
O≤1/(60×Cu)              …(3)。
4、一种奥氏体系不锈钢，其特征在于：代替一部分Fe，以质量％计，进一步含有Co：0.05～5％，Mo：0.05～5％，W：0.05～10％，Ti：0.002～0.2％，B：0.0005～0.05％，Zr：0.0005～0.2％，Hf：0.0005～1％，Ta：0.01～8％，Re：0.01～8％，Ir：0.01～5％，Pd：0.01～5％，Pt：0.01～5％，以及Ag：0.01～5％中的一种以上，以及含有Mg：0.0005～0.05％，Ca：0.0005～0.05％，Y：0.0005～0.5％，La：0.0005～0.5％，Ce：0.0005～0.5％，Nd：0.0005～0.5％以及Sc：0.0005～0.5％中的一种以上，而且满足式(1)到(4)，其中(1)～(4)式中各元素记号是指该元素的含量(质量％)，
P≤1/(11×Cu)                …(1)
Sol.Al≤0.4×N               …(2)
O≤1/(60×Cu)                …(3)
Mo+(W/2)≤5                  …(4)。
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