一種高持久強度奧氏體耐熱鋼的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于耐熱鋼技術領域，特別是提供了一種奧氏體耐熱鋼，適用于電站中在 高溫高壓或和汽腐蝕環境中的鍋爐用鋼管。
【背景技術】
[0002] 我國經濟高速發展，資源和能源已成為制約發展的瓶頸。提高蒸汽參數與發展大 容量機組相結合是提高常規火電廠效率及降低單位容量造價最有效的途徑，因此發展超臨 界和超超臨界火電機組對降低成本，節省煤炭資源、減少污染具有重大而長遠的意義。超臨 界及超超臨界機組的發展與耐熱鋼材料的發展是密切相關的。要實現更高蒸汽參數下機組 的可靠運行，必須研究開發適應于高蒸汽參數的強度更高、性能更可靠的耐熱鋼。
[0003] 在現有的技術中，工作在高溫高壓或蒸汽腐蝕環境中的鍋爐材料，可分為Ξ大類： 鐵素體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼W及儀基合金。鐵素體系耐熱鋼雖然具有導熱系數大且膨脹 系數小的優點，但是當蒸汽溫度超過65(TC，鐵素體耐熱鋼組織穩定性變差，性能急劇下 降，不能適應更高蒸汽參數的部件的制造。儀基合金成本較高，只能用于溫度更高的先進超 超臨界機組。因此，具有高溫組織穩定性好、高溫強度、高溫持久強度特征的奧氏體系耐熱 鋼受到重視并得到了發展。隨著電站鍋爐參數的不斷提高，要求高溫承壓件具備更高的高 溫持久強度，抗蒸汽氧化和耐煙氣腐蝕性能。S30432是由日本住友金屬株式會社和Ξ菱重 工共同開發的較為成功的奧氏體耐熱鋼，主要用作過熱器和再熱管道，由于電站材料長期 暴露于高溫高壓蒸汽環境中，對該類材料的抗高溫蒸汽腐蝕和高溫持久強度提出了更高要 求。為提高電廠運行的安全性，一般使過熱器和再熱器管壁厚度較大，運不但導致換熱效率 降低，而且還會因為奧氏體鋼的膨脹系數大引發其它問題。因此，提高S30432鋼高溫性能， 是函待解決的問題。
[0004] S30432鋼是在TP304H的基礎上，通過降低Μη含量上限，加入約3%的銅、0.45 %妮和 微量的氮獲得。該鋼被納入ASME Code Case 2328-1，該標準要求成分(**%)為：。0.07- 0.13〇/〇，Si : ^ 0.3〇/〇，Μη < 1〇/〇，P < 0.045〇/〇，S < 0.03〇/〇，A1 < 0.02〇/〇，吐：17~19〇/〇，Ni : 7.5~10.5〇/〇， Cu: 2.5~3.5%，抓:0.2~0.6%，N: 0.05~0.12%，Fe:余量。該鋼在服役運行時產生細小彌散的富 銅相，Nb(C，N)、M23C6和Nb化N，從而達到高溫強度、高溫塑性及抗高溫氧化的最佳組合。但 是，運種鋼經過高溫長期服役或長時時效后，析出相發生長大，持久強度降低。其中，粗大的 Z相(NbCrN)是由于持久和時效過程中Cr擴散至MX型析出相中形成，使得持久強度減弱。因 此，設法抑制富銅相和Nb(C，N)的長大、抑制粗大的Z相(NbCrN)的形成對改善S30432鋼的持 久強度十分有效。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的在于提供一種具有更高持久強度的奧氏體耐熱鋼材料。
[0006] 根據本發明的目的，本發明所提出的具有更高持久強度的奧氏體耐熱鋼材料，是 WS30432奧氏體耐熱鋼為基礎，通過調整優化S30432鋼的成分，增添合適的合金元素，使其 提高高溫持久強度，其化學成分如下： 本發明的化學成分重量百分含量為:C: 0.07~0.13〇/〇，Si ^0.3〇/〇，Μη。〇/〇，P < 0.045〇/〇，S < 0.03%,Α1<0.02%,Cr：17-19%,Ni:7.5-10.5%,V：0.05-0.50%,Cu：2.5-3.5%,Nb:0.2-0.6%, N:0.05~0.12%，Mo:0.10~0.50%，Fe:余量。
[0007] 根據上述目的本發明采用在S30432耐熱鋼的基礎上，通過添加 V和Mo元素，調整 Mn、Ni、Al的成分范圍，實現了顯著提高高溫持久強度的目的。
[0008] 奧氏體耐熱鋼通常采用固溶強化、沉淀強化和晶界強化Ξ種強化方式。上述發明 技術方案的工藝原理是通過V元素固溶強化、V元素促使細小析出相析出的析出強化、Mo元 素抑制MX相長大，Mn、Ni、Al元素抑制富銅相的長大共同作用。
[0009] 固溶V為了降低位錯能將會偏聚在亞晶界。由于V的擴散速度非常慢，堆積的位錯 被強烈地釘扎在亞晶界處，位錯增殖速率高，對位錯的滑移、攀移及亞晶界的遷移阻礙作用 更強，繼而起到強化作用。
[0010] 由于細小的析出相數量增加，運些細小的析出相對位錯和李晶界有強烈的釘扎作 用，長時間蠕變后仍能有效的鎖固位錯的攀移，從而很好的提高高溫強度。
[00川高溫保溫狀態下，由于Mo偏聚到碳氮化物/奧氏體界面，阻止了 C、N、師和V原子從 奧氏體基體向碳氮化物中擴散，所W碳氮化物在整個過程中并未發生明顯的長大。
[0012] 另外，通過調整胞、化、41、的成分范圍，抑制富銅相的長大。富銅團簇中除加夕1'， Μη和Ni在團簇內部W及和基體金屬的界面處發生明顯的富集。因此，當富銅相長大時，必 然要排斥Mn、Ni和A1原子，使得富銅相長大緩慢。
[0013] 根據上述目的和工藝原理本發明的技術方案為:在S30432奧氏體耐熱鋼化學成分 的基礎上，添加少量的V和Mo元素，調整Μη、化、A1的成分范圍，在相同的熱處理工藝下，新的 耐熱鋼的高溫持久強度可W顯著提高。
[0014] 本發明與現有技術相比，添加少量的V、Mo元素，調整Mn、Ni、Al的成分范圍，成本提 高不大，但高溫持久強度顯著提高。
【附圖說明】
[0015] 圖1為現有技術鋼種序號1#的透射電鏡圖。
[0016] 圖2為本發明實施例序號3#的透射電鏡圖。
[0017] 圖3為現有技術鋼種序號1#在650°C持久后17化后的掃描電鏡圖。
[001引圖4為現有技術鋼種序號1#在650°C持久后66化后的掃描電鏡圖。
[0019] 圖5為本發明實施例序號3#在650°C持久后36化后的掃描電鏡圖。
[0020] 圖6為本發明實施例序號3#在650°C持久后1004h后的掃描電鏡圖。
[0021] 圖7為本發明實施例序號3#在650°C持久后36化后Z相的透射電鏡圖。
[0022] 圖8為本發明實施例序號3#在650°C持久后1004h后Z相的透射電鏡圖。
[0023] 圖9為本發明實施例序號3#在650°C持久后1004h后Z相的暗場像圖。
[0024] 圖10為本發明實施例序號3#在650°C持久后1004h后，析出相Z相的衍射斑點圖。
【具體實施方式】
[0025] 試驗料選用在S30432奧氏體不誘鋼化學成分標準的基礎上，添加0.18%的V，0.32% 的Mo，調整Mn、Ni、A1的成分范圍，采用化學成分見表1。上述列表中序號3#為本發明實施例， 2#為在現有技術上添加 Mo元素的鋼種，1#為現有技術的鋼種。
[0026] 實施例1: 分別從1#和2#鋼所制鋼管上切取高溫持久試樣，分別在650°C280Mpa、65(rC220Mpa條 件下進行持久實驗。實驗結果如表2所示，可W看出相同應力下2#鋼例斷裂時間更長，說明 添加 Mo元素能夠增加持久強度。
[0027] 實施例2 分別從1#和3#鋼所制鋼管上切取高溫持久試樣，分別在650°C280Mpa、65(rC250Mpa條 件下進行持久實驗。實驗結果如表3所示，可W看出相同應力下本發明實施例斷裂時間更 長，說明發明實施例的持久強度得到了顯著的提升。
[0028] 實施例與現有技術持久前的透射電鏡圖對比見圖1和圖2,本發明實施例和現有技 術中都發現了一些細小的析出相，但本發明實施例中沿李晶界和位錯線上析出了大量尺寸 更細小的析出相(如圖2中箭頭）。
[0029] 實施例與現有技術持久后掃描電鏡圖對比見圖3~圖6,本發明實施例析出相數量 更多。
[0030] 實施例持久后Z相透射電鏡圖見圖7~圖10,實施例持久后Z相衍射斑點標定圖見圖 10。觸須狀Z相(如圖中箭頭)彌散分布于李晶界和位錯線上，由暗場像圖9可W看出：運種觸 須狀Z相是由細小的顆粒釘扎位錯鏈接而成。觸須狀Z相十分細小，供應態時的Z相較少，且 尺寸僅為6nm，持久1004h后，觸須狀Z相增多，尺寸長大至8.6 nm。說明Z相持久過程中長大 十分緩慢，比較穩定。因此，在S30432鋼中添加 V元素后，一旦在固溶熱處理和接下來的冷卻 中避免了V(C，N)的形成。細小的觸須狀Z相要比V(C，N)優先析出。運些細小的Z相對位錯和 李晶界有強烈的釘扎作用，長時間蠕變后仍能有效的鎖固位錯的攀移，從而很好的提高持 久強度。
【主權項】
1. 一種高持久強度奧氏體耐熱鋼，其特征在于，該耐熱鋼化學成分的重量百分含量為： C：0.07-0.13%, Si ^0.3%,Mn <1%,P < 0.045%,S < 0.03%,Α1< 0.02%,Cr：17~19%,Ni：7.5~ 10.5%，￥:0.05~0.50%，〇1:2.5~3.5%，他：0.2~0.6%，10.05~0.12%，]\1〇 :0.10~0.50%，卩6:余 量。
【專利摘要】一種高持久強度奧氏體耐熱鋼，屬于耐熱鋼技術領域。化學成分重量百分含量為：C：0.07~0.13%，Si≦0.3%，Mn≤1%，P≤0.045%，S≤0.03%，Al≤0.02%，Cr：17~19%，Ni：7.5~10.5%，V：0.05~0.50%，Cu：2.5~3.5%，Nb：0.2~0.6%，N：0.05~0.12%，Mo：0.10~0.50%，Fe：余量。優點在于，與現有技術相比，調整Mn、Ni、Al的成分范圍，添加少量的V、Mo元素，成本提高不大，但持久強度顯著提高。
【IPC分類】C22C38/44, C22C38/04, C22C38/42, C22C38/48, C22C38/02, C22C38/46, C22C38/06
【公開號】CN105671453
【申請號】CN201610163262
【發明人】朱麗慧, 李彬彬, 翟國麗, 王起江, 周任遠
【申請人】上海大學
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年3月19日