專(zhuān)利名稱(chēng)：在提高的使用溫度下具有優(yōu)異蠕變強(qiáng)度和耐氧化性的鐵素體鋼的合金鋼的制作方法
在提高的使用溫度下具有優(yōu)異蠕變強(qiáng)度和耐氧化性的鐵素
體鋼的合金鋼說(shuō)明書(shū)本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1所述的合金鋼，其在提高的使用溫度下是具有優(yōu)異 蠕變強(qiáng)度和耐氧化性的鐵素體鋼。本發(fā)明更特別地涉及這種合金鋼的無(wú)縫管或焊接管，這種鋼管例如用作在超過(guò) 620 V到約750 V溫度范圍內(nèi)的加熱器或發(fā)電廠鍋爐中的換熱器管。例如，在發(fā)電廠中使用的具有高蠕變強(qiáng)度和耐腐蝕性的高溫材料通常要么基于鐵 素體、鐵素體/馬氏體或奧氏體的鐵基合金，要么基于鎳基合金。換熱器管的較低溫階段中 的特殊要求特別與低的熱膨脹相關(guān)。不能使用奧氏體材料，因?yàn)槠錈崤蛎浽谒龅臏囟确秶鷥?nèi)過(guò)高。在提高的溫度下， 迄今為止可獲得的鐵素體/馬氏體材料也不能用于鍋爐內(nèi)，因?yàn)槠淙渥儚?qiáng)度和耐熱性與不 足耐腐蝕性的結(jié)合不再滿足需要。鎳含量大于50重量％的鎳基合金呈現(xiàn)出耐腐蝕和耐熱性性能的足夠組合。這些 鋼由此極其昂貴，且加工成無(wú)縫管還存在問(wèn)題。迄今為止，由對(duì)熱膨脹要求低的奧氏體鋼制成的管用作發(fā)電廠鍋爐中的部件。這 里的缺點(diǎn)是合金化成本高(Ni高達(dá)30% )、可加工性差和導(dǎo)熱能力低。富鉻的鐵素體鋼與奧氏體不銹鋼相比明顯更加廉價(jià)，同時(shí)還具有更高的導(dǎo)熱系數(shù) 和更低的熱膨脹系數(shù)。此外，富鉻的鐵素體鋼還具有高耐氧化性，這對(duì)于例如與加熱器或鍋 爐中的熱蒸汽一起使用是有利的。但如果以涂層(氧化皮或氧化層)形成構(gòu)成氧化物膜，那么這些氧化物膜在鍋爐 溫度和/或鍋爐壓力變化時(shí)會(huì)脫離，且固定在鋼管內(nèi)并將其堵塞。因此，除了所要求的蠕變強(qiáng)度和耐熱性外，抑制蒸汽氧化成為所要緊迫解決的問(wèn)
題之一。為提高發(fā)電廠中能量產(chǎn)生的效率，將鍋爐內(nèi)的蒸汽溫度提高到高于620°C并也提 高蒸汽壓力的要求日益增長(zhǎng)。市場(chǎng)上因此需要用于管或管道的鐵素體鐵基合金，所述合金在高于620°C的更高 使用溫度下也顯示出所需的蠕變強(qiáng)度和耐腐蝕性。例如，在該溫度下對(duì)于lOOMI^a負(fù)荷暴露 應(yīng)達(dá)到105小時(shí)的蠕變強(qiáng)度而無(wú)開(kāi)裂。對(duì)于高達(dá)約620°C和650°C的使用溫度可供使用的鋼分別是Cr含量例如為8-15% 的鐵素體/馬氏體鋼。相應(yīng)的鋼公開(kāi)于例如文獻(xiàn)DE 199 41 411 Al、DE 692 04 123 T2、 US2006/0060270 Al、DE 601 10 861 T2 和 DE 696 08 744 T2。其中所公開(kāi)的合金化概念 大多涉及昂貴的合金化添加劑或還不適合在高于620 V的溫度范圍內(nèi)使用。為提高蠕變強(qiáng)度而基于非共格的MX或M2X析出物的概念(DE 199 41 411 Al、DE 601 10 861 T2、US 2006/0060270 Al)具有多個(gè)缺點(diǎn)。所述的析出相不能以足夠的體積份數(shù)制得，因?yàn)榻饘?例如Ti、Nb或V)以及非金屬成分(C或N)含量的提高不僅提高相份數(shù)，而且還提高了相的固溶溫度。由此析出物的 產(chǎn)生溫度高于合理的熱處理溫度，且還部分高于合金的固相線溫度。因?yàn)楫a(chǎn)生析出物的溫度與其尺寸直接相關(guān)，所以要么獲得相當(dāng)?shù)腕w積份數(shù)的有效 增強(qiáng)顆粒(< 1 % )，要么獲得對(duì)蠕變強(qiáng)度無(wú)效的高體積份數(shù)的粗顆粒(> 1 μ m)。MX和M2X 顆粒優(yōu)選在晶粒內(nèi)部析出。可期待，在> 630°C的使用溫度下，晶界蠕變的影響與由位錯(cuò)引 起的蠕變相比得到提高。因此，晶界處增強(qiáng)相的貧乏要求特別重要的評(píng)價(jià)。此外，非共格析出物比共格析出物更傾向于變得更粗，因?yàn)橐环矫娼缑婺芰孔鳛?使界面最小化的驅(qū)動(dòng)力高于對(duì)于共格顆粒的，而另一方面容易擴(kuò)散的元素如C和N是這些 顆粒的成分。為提高鐵素體或馬氏體鋼的蠕變強(qiáng)度而使用金屬間相的其它常規(guī)合金化方案(DE 698 08 744 T2)基于昂貴的合金化材料。為調(diào)節(jié)金屬間相與結(jié)構(gòu)LlO或L12的足夠高的體積分?jǐn)?shù)，需要極其昂貴且迄今僅 以少量可使用的合金化元素Pt和Pd的份數(shù)為1重量％。WO 03/029505中所公開(kāi)的合金是對(duì)名為Kanthal的!^eCrAl合金的改善，其例如用 于高于1000°C溫度下工作的加熱元件。這些合金具有高的鉻和鋁含量，以有效地將電能轉(zhuǎn) 變成熱。高鉻和鋁含量的組合導(dǎo)致具有高于16%鉻含量和高于4%鋁含量的合金甚至在 高于750°C的溫度下仍完全為鐵素體。這些鋼不適用于發(fā)電廠用途；此外，高于16%的鉻含 量在軋制無(wú)縫管時(shí)在典型的加工溫度(900-1200°C )下使變形能力變差。這種變差的變形 特征在軋制期間會(huì)導(dǎo)致裂紋形成。由此，這些合金不適合制造管或金屬片。US 633^36B1僅記載了將由粉末冶金產(chǎn)生的金屬間化合物合金用于制造基于 Fe-Al系統(tǒng)的金屬片并含有金屬間相!^e3Al、Fe2Al5, FeAl3> FeAl、FeAlC, Fe3AlC和這些相的 組合。其中不含無(wú)序相例如鐵素體。所述的 ^Α1-Β2相在這些文獻(xiàn)中僅作為基體使用。這 種金屬間化合物合金的粉末冶金制造不適合大規(guī)模制造管和金屬片。本發(fā)明的目的在于，提供一種用于在使用溫度下為鐵素體的成本有效的鋼用合金 鋼，其在高達(dá)約750°C的使用溫度下也可靠滿足蠕變強(qiáng)度和耐氧化性的所述要求。另一目的在于，提供一種由這種合金鋼制造的工件，例如熱軋無(wú)縫管或焊管、金屬 片、鑄造工件或工具鋼。采用權(quán)利要求1的特征實(shí)現(xiàn)主要目的。有利的實(shí)施方案記載在從屬權(quán)利要求中。 在權(quán)利要求7中提供了依據(jù)本發(fā)明的工件。按照本發(fā)明的教導(dǎo)，提出一種具有下列化學(xué)組成(以重量％計(jì))的合金鋼C ^ 1. 0%Si ^ 1. 0%Mn ^ 1. 0%P 最大 0.05%S 最大 0.01%2 ^ Al ^ 12%2 ^ Cr < 16%
2 < Ni < 10% 禾口 / 或2 ^ Co ^ 10%而2 彡 Ni+Co 彡 15%且0. IlX [% Cr]+2. 07X [% Al]彡 0. 95X ([% Ni] + [% Co])N 最大 0.0200%余量的鐵以及與熔煉相關(guān)的雜質(zhì)，-具有任選添加的V、Ti、Ta、Zr和Nb中一種或多種元素，-具有任選添加的Mo和W中的一種或兩種元素，-具有任選添加的Hf、B、Se、Y、1^、Sb、La和&中的一種或多種元素，其總含量在 < 0. 的范圍內(nèi)，條件是鋼組織含有基于鉻穩(wěn)定(Ni、Co)Al-B2金屬間有序相的均勻分布的共格析 出物。依據(jù)本發(fā)明的合金化概念根本不同于常規(guī)的合金化概念。依據(jù)新的革新方法，在 使用溫度高達(dá)約750°C下為完全鐵素體的合金因用鉻穩(wěn)定的(Ni、Co)Al-B2的金屬間有序 相的納米顆粒的共格細(xì)分布的析出物而獲得了其優(yōu)異的蠕變強(qiáng)度和腐蝕特性。析出物與鐵素體基體共格，并且無(wú)論是是晶粒內(nèi)部還是靠近晶界處，都均勻和精 細(xì)地分布在組織內(nèi)。這種合金鋼的優(yōu)點(diǎn)是明顯降低的成本，而且金屬間(Ni、Co)Al-B2相的 共格析出物與常規(guī)的合金化概念相比在高于620°C和甚至高于650°C -約750°C的溫度下明 顯提高了蠕變強(qiáng)度。該概念(本發(fā)明基于此)取消用于產(chǎn)生金屬間化合物增強(qiáng)相的昂貴且難于獲得的 元素。具有B2組織的(Ni、Co)Al相與常規(guī)奧氏體鋼相比需要明顯更低的Ni和Co含量。Fe-Cr-Al (NiXo)系內(nèi)B2相的特定性質(zhì)是，其對(duì)于(Ni、Co)Al的獨(dú)特固相溶解度 間隙，這可通過(guò)Cr含量得到控制。因此，通過(guò)改變Cr、Al和Ni或Co的含量，可以有針對(duì)性地調(diào)節(jié)在使用溫度下的高 體積份數(shù)和有利于該過(guò)程的固溶溫度。在下表中列出了不同的實(shí)驗(yàn)熔體(VS)。鋼內(nèi)高于8mol% (VS2)的B2相含量由于相關(guān)的粘滯性降低和鋼的劣等可機(jī)加工 性而是不利的，并因此應(yīng)避免。由于鐵素體晶格內(nèi)B2相的共格，可以實(shí)現(xiàn)非常精細(xì)和均勻的析出物分布。小的界 面能量還對(duì)提高的粗度產(chǎn)生小的驅(qū)動(dòng)力(

圖1)。
權(quán)利要求
1.合金鋼，其特別在<750°c的使用溫度下是具有優(yōu)異蠕變強(qiáng)度和耐腐蝕性的鐵素體 鋼，包括下列化學(xué)成分(以重量％計(jì))C ^ 1. 0% Si ^ 1. 0% Mn 彡 1. 0% P最大0. 05% S最大0. 01% 2彡Al彡12% 3 ^ Cr < 16% 2彡Ni彡10%和/或 2彡Co彡10% 而2彡Ni+Co彡15%和0. IlX [% Cr]+2. 07X [% Al]彡 0. 95X ([% Ni] + [% Co]) N 最大 0. 0200%余量的鐵以及與熔煉相關(guān)的雜質(zhì)，-具有任選添加的V、Ti、Ta、Zr和Nb中的一種或多種元素， -具有任選添加的Mo和W中的一種或兩種元素-具有任選添加的肚工工^丫一工以！^和^ 中的一種或多種元素，總含量在<0. 1% 的范圍內(nèi)，條件是鋼組織含有基于鉻穩(wěn)定的(Ni，Co)Al-B2金屬間有序相的均勻分布的共格析出物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金鋼，其特征在于析出物的顆粒尺寸平均小于500nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的合金鋼，其特征在于析出物的顆粒尺寸平均小于50nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的合金鋼，其特征在于任選的附加合金化元素具有下列 百分比最大0. 3%的V， 最大0. 的Ti， 最大1.0%的Ta， 最大0. 05%的& ， 最大0.2%的Nb， 最大1.0%的Mo， 最大2.0%的W。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的合金鋼，其特征在于C含量為最大0.5%，Si含量為 最大0. 4%和Mn含量為最大0. 5 %。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的合金鋼，其特征在于鋼內(nèi)的B2相的最大百分比為 8mol%。
7.無(wú)縫或焊接鋼管、鋼片材或由鑄造生產(chǎn)的工件或工具鋼，其特別在<750°C的使用 溫度下具有優(yōu)異的蠕變強(qiáng)度和耐腐蝕性，由根據(jù)權(quán)利要求1-6至少一項(xiàng)所述的合金鋼制造。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在使用溫度下，特別是在≤750℃的使用溫度下具有優(yōu)異蠕變強(qiáng)度和耐腐蝕性的鐵素體鋼的合金鋼，包含下列化學(xué)成分(重量％)C≤1.0％；Si≤1.0％；Mn≤1.0％；P最大0.05％；S最大0.01％；2≤Al≤12％；3≤Cr＜16％；2≤Ni≤10％和/或2≤CO≤10％，其中2≤Ni+Co≤[％Cr]+2.07×[％Al]≥0.95×([％Ni]+[％Co])；N最大0.0200％；余量為鐵以及與熔煉有關(guān)的雜質(zhì)，包括V、Ti、Ta、Zr和Nb中一種或多種元素；包括元素Mo和W中的一種或兩種；包括Hf、B、Se、Y、Te、Sb、La和Zr一種或多種元素，總含量在＜0.1％的范圍內(nèi)，條件是鋼組織含有基于鉻穩(wěn)定(Ni，Co)Al-B2金屬間有序相的均勻分布的共格析出物。
文檔編號(hào)C22C38/52GK102137948SQ200980128791
公開(kāi)日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月23日
發(fā)明者A·施耐德, B·哈恩, C·斯塔利布拉斯, J·康拉德 申請(qǐng)人:V&M德國(guó)有限公司