一種高持久強(qiáng)度奧氏體耐熱鋼的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于耐熱鋼技術(shù)領(lǐng)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(huán)境中的鍋爐用鋼管。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，資源和能源已成為制約發(fā)展的瓶頸。提高蒸汽參數(shù)與發(fā)展大 容量機(jī)組相結(jié)合是提高常規(guī)火電廠效率及降低單位容量造價(jià)最有效的途徑，因此發(fā)展超臨 界和超超臨界火電機(jī)組對降低成本，節(jié)省煤炭資源、減少污染具有重大而長遠(yuǎn)的意義。超臨 界及超超臨界機(jī)組的發(fā)展與耐熱鋼材料的發(fā)展是密切相關(guān)的。要實(shí)現(xiàn)更高蒸汽參數(shù)下機(jī)組 的可靠運(yùn)行，必須研究開發(fā)適應(yīng)于高蒸汽參數(shù)的強(qiáng)度更高、性能更可靠的耐熱鋼。
[0003] 在現(xiàn)有的技術(shù)中，工作在高溫高壓或蒸汽腐蝕環(huán)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(dǎo)熱系數(shù)大且膨脹 系數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)蒸汽溫度超過65(TC，鐵素體耐熱鋼組織穩(wěn)定性變差，性能急劇下 降，不能適應(yīng)更高蒸汽參數(shù)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(jìn)超 超臨界機(jī)組。因此，具有高溫組織穩(wěn)定性好、高溫強(qiáng)度、高溫持久強(qiáng)度特征的奧氏體系耐熱 鋼受到重視并得到了發(fā)展。隨著電站鍋爐參數(shù)的不斷提高，要求高溫承壓件具備更高的高 溫持久強(qiáng)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(fā)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(huán)境中，對該類材料的抗高溫蒸汽腐蝕和高溫持久強(qiáng)度提出了更高要 求。為提高電廠運(yùn)行的安全性，一般使過熱器和再熱器管壁厚度較大，運(yùn)不但導(dǎo)致?lián)Q熱效率 降低，而且還會因?yàn)閵W氏體鋼的膨脹系數(shù)大引發(fā)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(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)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%，F(xiàn)e:余量。該鋼在服役運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生細(xì)小彌散的富 銅相，Nb(C，N)、M23C6和Nb化N，從而達(dá)到高溫強(qiáng)度、高溫塑性及抗高溫氧化的最佳組合。但 是，運(yùn)種鋼經(jīng)過高溫長期服役或長時(shí)時(shí)效后，析出相發(fā)生長大，持久強(qiáng)度降低。其中，粗大的 Z相(NbCrN)是由于持久和時(shí)效過程中Cr擴(kuò)散至MX型析出相中形成，使得持久強(qiáng)度減弱。因 此，設(shè)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(qiáng)度十分有效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有更高持久強(qiáng)度的奧氏體耐熱鋼材料。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所提出的具有更高持久強(qiáng)度的奧氏體耐熱鋼材料，是 WS30432奧氏體耐熱鋼為基礎(chǔ)，通過調(diào)整優(yōu)化S30432鋼的成分，增添合適的合金元素，使其 提高高溫持久強(qiáng)度，其化學(xué)成分如下： 本發(fā)明的化學(xué)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%，F(xiàn)e:余量。
[0007] 根據(jù)上述目的本發(fā)明采用在S30432耐熱鋼的基礎(chǔ)上，通過添加 V和Mo元素，調(diào)整 Mn、Ni、Al的成分范圍，實(shí)現(xiàn)了顯著提高高溫持久強(qiáng)度的目的。
[0008] 奧氏體耐熱鋼通常采用固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化Ξ種強(qiáng)化方式。上述發(fā)明 技術(shù)方案的工藝原理是通過V元素固溶強(qiáng)化、V元素促使細(xì)小析出相析出的析出強(qiáng)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(cuò)能將會偏聚在亞晶界。由于V的擴(kuò)散速度非常慢，堆積的位錯(cuò) 被強(qiáng)烈地釘扎在亞晶界處，位錯(cuò)增殖速率高，對位錯(cuò)的滑移、攀移及亞晶界的遷移阻礙作用 更強(qiáng)，繼而起到強(qiáng)化作用。
[0010] 由于細(xì)小的析出相數(shù)量增加，運(yùn)些細(xì)小的析出相對位錯(cuò)和李晶界有強(qiáng)烈的釘扎作 用，長時(shí)間蠕變后仍能有效的鎖固位錯(cuò)的攀移，從而很好的提高高溫強(qiáng)度。
[00川高溫保溫狀態(tài)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(kuò)散，所W碳氮化物在整個(gè)過程中并未發(fā)生明顯的長大。
[0012] 另外，通過調(diào)整胞、化、41、的成分范圍，抑制富銅相的長大。富銅團(tuán)簇中除加夕1'， Μη和Ni在團(tuán)簇內(nèi)部W及和基體金屬的界面處發(fā)生明顯的富集。因此，當(dāng)富銅相長大時(shí)，必 然要排斥Mn、Ni和A1原子，使得富銅相長大緩慢。
[0013] 根據(jù)上述目的和工藝原理本發(fā)明的技術(shù)方案為:在S30432奧氏體耐熱鋼化學(xué)成分 的基礎(chǔ)上，添加少量的V和Mo元素，調(diào)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(qiáng)度可W顯著提高。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，添加少量的V、Mo元素，調(diào)整Mn、Ni、Al的成分范圍，成本提 高不大，但高溫持久強(qiáng)度顯著提高。
【附圖說明】
[0015] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)鋼種序號1#的透射電鏡圖。
[0016] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例序號3#的透射電鏡圖。
[0017] 圖3為現(xiàn)有技術(shù)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(xiàn)有技術(shù)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(fā)明實(shí)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(fā)明實(shí)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(fā)明實(shí)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(fā)明實(shí)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(fā)明實(shí)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(fā)明實(shí)施例序號3#在650°C持久后1004h后，析出相Z相的衍射斑點(diǎn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 試驗(yàn)料選用在S30432奧氏體不誘鋼化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，添加0.18%的V，0.32% 的Mo，調(diào)整Mn、Ni、A1的成分范圍，采用化學(xué)成分見表1。上述列表中序號3#為本發(fā)明實(shí)施例， 2#為在現(xiàn)有技術(shù)上添加 Mo元素的鋼種，1#為現(xiàn)有技術(shù)的鋼種。
[0026] 實(shí)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(jìn)行持久實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可W看出相同應(yīng)力下2#鋼例斷裂時(shí)間更長，說明 添加 Mo元素能夠增加持久強(qiáng)度。
[0027] 實(shí)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(jìn)行持久實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可W看出相同應(yīng)力下本發(fā)明實(shí)施例斷裂時(shí)間更 長，說明發(fā)明實(shí)施例的持久強(qiáng)度得到了顯著的提升。
[0028] 實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)持久前的透射電鏡圖對比見圖1和圖2,本發(fā)明實(shí)施例和現(xiàn)有技 術(shù)中都發(fā)現(xiàn)了一些細(xì)小的析出相，但本發(fā)明實(shí)施例中沿李晶界和位錯(cuò)線上析出了大量尺寸 更細(xì)小的析出相(如圖2中箭頭）。
[0029] 實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)持久后掃描電鏡圖對比見圖3~圖6,本發(fā)明實(shí)施例析出相數(shù)量 更多。
[0030] 實(shí)施例持久后Z相透射電鏡圖見圖7~圖10,實(shí)施例持久后Z相衍射斑點(diǎn)標(biāo)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(cuò)線上，由暗場像圖9可W看出：運(yùn)種觸 須狀Z相是由細(xì)小的顆粒釘扎位錯(cuò)鏈接而成。觸須狀Z相十分細(xì)小，供應(yīng)態(tài)時(shí)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(wěn)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(xì)小的觸須狀Z相要比V(C，N)優(yōu)先析出。運(yùn)些細(xì)小的Z相對位錯(cuò)和 李晶界有強(qiáng)烈的釘扎作用，長時(shí)間蠕變后仍能有效的鎖固位錯(cuò)的攀移，從而很好的提高持 久強(qiáng)度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高持久強(qiáng)度奧氏體耐熱鋼，其特征在于，該耐熱鋼化學(xué)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(qiáng)度奧氏體耐熱鋼，屬于耐熱鋼技術(shù)領(lǐng)域?；瘜W(xué)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%，F(xiàn)e：余量。優(yōu)點(diǎn)在于，與現(xiàn)有技術(shù)相比，調(diào)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(qiáng)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?zhí)枴緾N201610163262
【發(fā)明人】朱麗慧, 李彬彬, 翟國麗, 王起江, 周任遠(yuǎn)
【申請人】上海大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年3月19日