CN1340109A - 耐热性奥氏体不锈钢 - Google Patents

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Abstract

一种耐热性奥氏体不锈钢,它在高温下具有高的强度,良好的蒸汽氧化耐性,良好的炉面腐蚀耐性和足够的结构稳定性,适用于在高温下操作的锅炉,具有下述组成(以重量计):0.04－0.10%碳(C),不超过0.4%硅(Si),不超过0.6%锰(Mn),20－27%铬(Cr),22.5－32%镍(Ni),不超过0.5%钼(Mo),0.20－0.60%铌(Nb),0.4－4.0%钨(W),0.10－0.30%氮(N),0.002－0.008%硼(B),低于0.05%铝(Al),元素镁(Mg)和钙(Ca)中的至少一种,其量为Mg低于0.010%且Ca低于0.010%,剩余量为铁和不可避免的杂质。

Description

耐热性奥氏体不锈钢
                发明领域
本发明的目的是提供一种耐热性奥氏体不锈钢，它在高温下强度高，具有良好的蒸汽氧化耐性，良好的炉面腐蚀耐性和足够的结构稳定性。
本发明还涉及由这种在高温下强度高，具有良好的蒸汽氧化耐性，良好的炉面腐蚀耐性和足够的结构稳定性的耐热性奥氏体不锈钢制成的锅炉的结构元件。
                发明背景
奥氏体不锈钢已广泛地用作例如发电厂的过热器和再热器。为了提高效率和满足环境需要，要求发电厂在更高温度和更高压力下操作。结果，用于这类装置的材料需要在蠕变强度和腐蚀耐性方面具有提高的性能，常规奥氏体不锈钢如AISI347、AISI316和AISI310不能满足这些更高要求。为了满足发电厂内这些趋于更苛刻的操作条件的要求，已经并一直进行着各种开发研究。
一般说来，使碳氮化物沉淀以及通过加入钼和钨使固体溶液硬化，可以有效地提高高温下奥氏体不锈钢的强度。此外，通过将大量铜加入到奥氏体不锈钢中，也已提高了其强度。铬是用于提高高温合金中氧化和腐蚀耐性的重要元素。而且，由于用氮取代镍，因此在一些业已开发的合金中为了确保结构上稳定的奥氏体结构所需的镍含量已得到降低。
一般很难获得具有高度蠕变破裂强度且还具有可接受的结构稳定性的抗腐蚀材料，甚至当用氮替换一部分昂贵的镍时。为了抑制在长期暴露之后易碎相如σ相形成，在该材料中需要相当高量的镍，同时需要大量铁氧体形成元素如铬、钨和铌。为了使腐蚀耐性高而加入铬，为了使蠕变破裂强度高而加入钨和铌。为将其它促进σ相的元素如硅和钼含量降低，同时为了提高其结构稳定性还加入除镍之外的一些元素。
                发明简述
本发明提供了一种在高温下长时间具有高的蠕变破裂强度、良好的蒸汽氧化耐性和炉面腐蚀耐性和足够的结构稳定性的合金。
本发明的奥氏体不锈钢包括(以重量计)0.04-0.10％碳(C)，不超过0.4％硅(Si)，不超过0.6％锰(Mn)，20-27％铬(Cr)，22.5-32％镍(Ni)，不超过0.5％钼(Mo)，0.20-0.60％铌(Nb)，0.4-4.0％钨(W)，0.10-0.30％氮(N)，0.002-0.008％硼(B)，低于0.05％铝(Al)，元素镁(Mg)和钙(Ca)中的至少一种，其量为Mg低于0.010％且Ca低于0.010％，剩余量为铁和不可避免的杂质。任选可以包括2.0-3.5％铜(Cu)和/或0.5％-3％钴(Co)和/或0.02-0.1％钛(Ti)。
在本发明的一个实施方式中，奥氏体不锈钢具有主要由上面列出的构成元素组成的组成。
在本发明的另一实施方式中，奥氏体不锈钢具有由上面列出的构成元素组成的组成。
                发明详述
下面描述按照本发明的一个优选实施方式形成的合金的构成元素。所列百分数以重量计。
碳：
碳是有效地赋予高温钢所需的适宜拉伸强度和蠕变破裂强度的组分。然而，如果加入过量的碳，将使合金的韧性降低并可能破坏其焊接性。为此，碳含量限定为0.04％-0.10％，优选0.06-0.08％。
硅：
硅有效地作为脱氧剂，它还用于改善氧化耐性。然而，过量的硅将破坏其焊接性，为了防止因长期暴露于发电厂中的环境之后形成σ相而破坏延展性和韧性，硅含量不应超过0.4％，优选大大低于0.2％。
锰：
锰为一脱氧元素，并且还能有效地改善热加工性。然而，为了防止蠕变破裂强度、延展性和韧性的降低，锰含量不应大于0.6％。
磷和硫：
磷和硫对焊接性有害，并且可能加速脆化。因此，磷和硫含量分别不应超过0.03％和0.005％。
铬：
铬为一提高炉面腐蚀耐性和蒸汽氧化耐性的有效元素。就这方面而言，为了达到足够耐性，要求铬含量为至少20％。然而，如果铬含量超过27％，为了生产稳定的奥氏体结构并抑制高温下长时间之后σ相的形成，还必需增加镍含量。基于这些考虑，铬含量限制在20％-27％，优选22-25％。
镍：
镍是为了实现确保稳定的奥氏体结构的目的的主要元素。奥氏体结构的稳定性主要取决于铁氧体稳定剂如铬、硅、钨、钛和铌、以及奥氏体稳定剂如镍、碳和氮的相对量。为了抑制高温下长时间之后σ相的形成，特别是在要求确保高温腐蚀耐性和高蠕变破裂强度的高铬、钨和铌含量下，镍含量应至少为22.5％，优选高于25％。此外，在特定铬含量下，增加的镍含量抑制氧化物生长速度并增加形成连续氧化铬层的趋势。然而，为了将生产成本保持在一合理水平，镍含量不应超过32％。基于上面情况，镍含量限制在22.5％-32％
钨和铝：
加入钨，主要通过将固体溶液固化而提高高温强度，需要最少0.4％才能达到该效果。然而，钼和钨都加速σ相形成，并且还会降低炉面腐蚀。钨被认为比钼更能有效地提高强度。为此，钼含量保持低，不超过0.5％，优选低于0.02％。然而，为了保持足够的加工性，钨含量不应超过4.0％，因此钨含量限制在0.4％-4.0％，优选1.8％-3.5％。
钴：
钴为一稳定奥氏体的元素。加入钴可以通过强化固体溶液和抑制长时间暴露于高温下之后σ相形成来提高高温强度。然而，为了使生产成本保持在一合理水平，如果添加的话，钴含量应在0.5％-3.0％。
钛：
为了通过将碳氮化物、碳化物和氮化物沉淀提高蠕变破裂强度，可以加入钛。然而，过量的钛可以降低焊接性和加工性。为此，如果添加的话，钛含量限定在0.02％-0.10％。
铜：
为了产生细微且均匀地沉淀于基质中的富铜相，可以加入铜，这样可能对蠕变破裂强度的提高有利。然而，过量的铜导致加工性降低。基于这些考虑，铜含量限制在2.0％-3.5％。
铝和镁：
在加工过程中铝和镁能有效地脱氧。然而，过量的铝可能使σ相的沉淀加速，并且过量的镁可能对焊接性有害。为此，铝含量选择为至少0.003％，但不超过0.05％，并且镁含量选择为低于0.01％。
钙：
在生产过程中钙可以有效地脱氧。如果添加的话，选择钙含量不超过0.01％。
铌：
通常认为铌有利于通过使碳氮化物和氮化物沉淀而提高蠕变破裂强度。然而，过量的铌可以降低焊接性和加工性。基于这些考虑，铌含量限制在0.20％-0.60％，优选0.33-0.50％。
硼：
硼有利于提高蠕变破裂强度，部分原因是形成细微分散的M23(C，B)6并强化了颗粒边界。硼还可能对提高热加工性有利。然而，过量的硼可能对焊接性有害。基于这些考虑，硼含量限制在0.002％-0.008％。
氮：
氮，以及碳，已知可提高高温强度、蠕变破裂强度并稳定奥氏体相。然而，如果加入过量氮，将降低合金的韧性和延展性。为此，氮含量限制在0.10％-0.30％，优选0.20-0.25％。
制备包括本发明合金的物品的例证方法：
在制备本发明的合金时，可以通过任意常规方法制备熔融合金，这些方法包括电弧炉、氩-氧-脱碳作用(AOD)和真空诱导熔融法。然后可以将该熔融物连续地铸塑成钢坯，或者铸塑成锭，经轧制和/或锻制，然后通过热挤塑制成无缝钢管。然后可以将钢冷轧和/或拉伸并经过如1150-1250℃的高温溶液处理。这些管可以有利地用作过热炉的组分。
为了更全面地理解本发明，提供以下实施例。
                实施例
表1显示了在实验室高频炉中制备的本发明的一些合金的化学组成。制备所有这些合金的试验样品并在700℃下进行蠕变破裂试验。表2显示了在185MPa和165MPa下以蠕变破裂时间表示的蠕变破裂试验结果。
具有高氮、铌、钨、钴和铜含量的高镍合金显示出最好的蠕变性能(合金编号605105)。而且，高氮含量对蠕变破裂强度是很重要的(合金编号605105、605107和605112)。具有高含量的钨和钴的合金具有较好的蠕变性能。将高镍含量合金和高氮含量合金比较(合金编号605105和605107)，证实具有较高含量的钨和钴的合金性能较好。而且，高含量的钴可能对较好的蠕变性能有利。比较高钨合金(合金编号605108和605113)，显示具有较高含量钴的合金具有较好的蠕变强度。
表3显示了使用能够达到较高合金纯度的真空诱导熔融法以实验室熔融物制备的本发明的一些合金的化学组成。该表3还显示了在165MPa和140MPa下在700℃以蠕变破裂时间(以小时计)表示的蠕变破裂试验结果。这些试验还在进行着，但是将迄今为止的结果显示在该表中。
表1化学组成[wt％]。剩余量为Fe和杂质。
合金编号     C    Si    Mn    Cr    Ni    W    Co    Cu    Nb    Bppm     N
  605119    0.072   0.09   0.52   22.8   24.9   2.00   0.99   0.42    31    0.14
  605099    0.074   0.07   0.54   23.1   25.1   1.06   0.03   0.41    30    0.16
  605100    0.074   0.04   0.49   25.1   24.9   1.02   1.03   0.41    27    0.16
  605101    0.074   0.04   0.48   25.1   24.9   1.99   0.06   0.42    27    0.16
  605104    0.072   0.06   0.50   24.1   24.8   1.51   0.49   0.41    28    0.15
  605105    0.076   0.07   0.22   24.6   26.3   1.90   1.50    2.5   0.49    29    0.24
  605107    0.076   0.10   0.25   24.2   27.1   0.60   0.03    2.4   0.48    29    0.26
  605108    0.076   0.08   0.22   24.3   26.4   2.00   0.02    2.4   0.49    30    0.15
  605112    0.078   0.09   0.22   24.5   26.3   0.54   1.50    2.5   0.42    30    0.22
  605113    0.076   0.07   0.22   24.4   26.3   2.00   1.40    2.4   0.43    32    0.15
表2 在700℃下的蠕变破裂时间
   合金编号       185MPa       165Mpa
  破裂时间[小时]   破裂时间[小时]
    605119         643        1085
    605099         472         665
    605100         606         982
    605101         758        1103
    605104         565        1052
    605105        1024        1631
    605107         771        1306
    605108         454         760
    605112         657        1170
    605113         479         884
表3.本发明的一些合金的化学组成[wt％]和
700℃和165MPa与140MPa下的蠕变破裂试验
合金编号 C Si Mn Cr Ni W Co Ti Cu Nb B[ppm] N    165MPa破裂时间[小时]    140MPa破裂时间[小时]
   830202    1    0.075   0.20   0.50   23.9   26.6   2.2    0.0   ＜0.005    3.0   0.33    40    0.22    1753   ＞3252
   830159    2    0.079   0.23   0.51   22.6   25.1   3.5    0.0   ＜0.005    3.0   0.34    37    0.22   ＞2132   ＞3228
   830161    3    0.079   0.27   0.52   22.5   25.0   2.2    0.0   ＜0.005    3.0   0.42    39    0.21   ＞2316   ＞3180
   830191    4    0.076   0.19   0.52   24.0   26.5   2.2    1.5   ＜0.005    3.0   0.47    44    0.23   ＞2316   ＞3180
   830186    5    0.076   0.20   0.47   22.6   25.1   2.2    0.0     0.042    0.0   0.34    46    0.21   ＞2268   ＞3104
尽管结合本发明的优选实施方式描述了本发明，但是应理解为，本领域技术人员可以在不背离附加权利要求书中定义的本发明的精神和范围的情况下进行非特异性描述的添加、删除、改进和替换。

Claims (9)

1、一种奥氏体不锈钢合金，它在高温下长时间内具有高的蠕变破裂强度，良好的蒸汽氧化耐性，良好的炉面腐蚀耐性和足够的结构稳定性，该合金包括以下组成，以重量计：
    0.04-0.10％碳；
    不超过0.4％硅；
    不超过0.6％锰；
    20-27％铬；
    22.5-32％镍；
    不超过0.5％钼；
    0.20-0.60％铌；
    0.4-4.0％钨；
    0.10-0.30％氮；
    0.002-0.008％硼；
    低于0.05％铝；
    镁和钙中至少一种，其量低于0.010％；剩余量为铁和正常炼钢杂质。
2、权利要求1的合金，含有下列物质中的至少一种：2-3.5％Cu、0.5-3％Co、0.02-0.1％Ti。
3、权利要求1-2的合金，含有22-25％Cr。
4、权利要求1-2的合金，含有25-28％Ni。
5、权利要求1-2的合金，含有1.8-3.5％W。
6、权利要求1-2的合金，含有0.33-0.50％Nb。
7、权利要求1-2的合金，含有0.20-0.25％N。
8、高温下使用的锅炉的结构元件，由权利要求1-7任一项所述的合金制成。
9、用于高温下的锅炉的无缝钢管，由权利要求1-7任一项所述的合金制成。
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