一种高持久强度奥氏体耐热钢的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于耐热钢技术领域，特别是提供了一种奥氏体耐热钢，适用于电站中在 高溫高压或和汽腐蚀环境中的锅炉用钢管。
【背景技术】
[0002] 我国经济高速发展，资源和能源已成为制约发展的瓶颈。提高蒸汽参数与发展大 容量机组相结合是提高常规火电厂效率及降低单位容量造价最有效的途径，因此发展超临 界和超超临界火电机组对降低成本，节省煤炭资源、减少污染具有重大而长远的意义。超临 界及超超临界机组的发展与耐热钢材料的发展是密切相关的。要实现更高蒸汽参数下机组 的可靠运行，必须研究开发适应于高蒸汽参数的强度更高、性能更可靠的耐热钢。
[0003] 在现有的技术中，工作在高溫高压或蒸汽腐蚀环境中的锅炉材料，可分为Ξ大类： 铁素体耐热钢、奥氏体耐热钢W及儀基合金。铁素体系耐热钢虽然具有导热系数大且膨胀 系数小的优点，但是当蒸汽溫度超过65(TC，铁素体耐热钢组织稳定性变差，性能急剧下 降，不能适应更高蒸汽参数的部件的制造。儀基合金成本较高，只能用于溫度更高的先进超 超临界机组。因此，具有高溫组织稳定性好、高溫强度、高溫持久强度特征的奥氏体系耐热 钢受到重视并得到了发展。随着电站锅炉参数的不断提高，要求高溫承压件具备更高的高 溫持久强度，抗蒸汽氧化和耐烟气腐蚀性能。S30432是由日本住友金属株式会社和Ξ菱重 工共同开发的较为成功的奥氏体耐热钢，主要用作过热器和再热管道，由于电站材料长期 暴露于高溫高压蒸汽环境中，对该类材料的抗高溫蒸汽腐蚀和高溫持久强度提出了更高要 求。为提高电厂运行的安全性，一般使过热器和再热器管壁厚度较大，运不但导致换热效率 降低，而且还会因为奥氏体钢的膨胀系数大引发其它问题。因此，提高S30432钢高溫性能， 是函待解决的问题。
[0004] S30432钢是在TP304H的基础上，通过降低Μη含量上限，加入约3%的铜、0.45 %妮和 微量的氮获得。该钢被纳入ASME Code Case 2328-1，该标准要求成分(**%)为：。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。该钢在服役运行时产生细小弥散的富 铜相，Nb(C，N)、M23C6和Nb化N，从而达到高溫强度、高溫塑性及抗高溫氧化的最佳组合。但 是，运种钢经过高溫长期服役或长时时效后，析出相发生长大，持久强度降低。其中，粗大的 Z相(NbCrN)是由于持久和时效过程中Cr扩散至MX型析出相中形成，使得持久强度减弱。因 此，设法抑制富铜相和Nb(C，N)的长大、抑制粗大的Z相(NbCrN)的形成对改善S30432钢的持 久强度十分有效。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种具有更高持久强度的奥氏体耐热钢材料。
[0006] 根据本发明的目的，本发明所提出的具有更高持久强度的奥氏体耐热钢材料，是 WS30432奥氏体耐热钢为基础，通过调整优化S30432钢的成分，增添合适的合金元素，使其 提高高溫持久强度，其化学成分如下： 本发明的化学成分重量百分含量为: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] 根据上述目的本发明采用在S30432耐热钢的基础上，通过添加 V和Mo元素，调整 Mn、Ni、Al的成分范围，实现了显著提高高溫持久强度的目的。
[0008] 奥氏体耐热钢通常采用固溶强化、沉淀强化和晶界强化Ξ种强化方式。上述发明 技术方案的工艺原理是通过V元素固溶强化、V元素促使细小析出相析出的析出强化、Mo元 素抑制MX相长大，Mn、Ni、Al元素抑制富铜相的长大共同作用。
[0009] 固溶V为了降低位错能将会偏聚在亚晶界。由于V的扩散速度非常慢，堆积的位错 被强烈地钉扎在亚晶界处，位错增殖速率高，对位错的滑移、攀移及亚晶界的迁移阻碍作用 更强，继而起到强化作用。
[0010] 由于细小的析出相数量增加，运些细小的析出相对位错和李晶界有强烈的钉扎作 用，长时间蠕变后仍能有效的锁固位错的攀移，从而很好的提高高溫强度。
[00川高溫保溫状态下，由于Mo偏聚到碳氮化物/奥氏体界面，阻止了 C、N、师和V原子从 奥氏体基体向碳氮化物中扩散，所W碳氮化物在整个过程中并未发生明显的长大。
[0012] 另外，通过调整胞、化、41、的成分范围，抑制富铜相的长大。富铜团簇中除加夕1'， Μη和Ni在团簇内部W及和基体金属的界面处发生明显的富集。因此，当富铜相长大时，必 然要排斥Mn、Ni和A1原子，使得富铜相长大缓慢。
[0013] 根据上述目的和工艺原理本发明的技术方案为:在S30432奥氏体耐热钢化学成分 的基础上，添加少量的V和Mo元素，调整Μη、化、A1的成分范围，在相同的热处理工艺下，新的 耐热钢的高溫持久强度可W显著提高。
[0014] 本发明与现有技术相比，添加少量的V、Mo元素，调整Mn、Ni、Al的成分范围，成本提 高不大，但高溫持久强度显著提高。
【附图说明】
[0015] 图1为现有技术钢种序号1#的透射电镜图。
[0016] 图2为本发明实施例序号3#的透射电镜图。
[0017] 图3为现有技术钢种序号1#在650°C持久后17化后的扫描电镜图。
[001引图4为现有技术钢种序号1#在650°C持久后66化后的扫描电镜图。
[0019] 图5为本发明实施例序号3#在650°C持久后36化后的扫描电镜图。
[0020] 图6为本发明实施例序号3#在650°C持久后1004h后的扫描电镜图。
[0021] 图7为本发明实施例序号3#在650°C持久后36化后Z相的透射电镜图。
[0022] 图8为本发明实施例序号3#在650°C持久后1004h后Z相的透射电镜图。
[0023] 图9为本发明实施例序号3#在650°C持久后1004h后Z相的暗场像图。
[0024] 图10为本发明实施例序号3#在650°C持久后1004h后，析出相Z相的衍射斑点图。
【具体实施方式】
[0025] 试验料选用在S30432奥氏体不诱钢化学成分标准的基础上，添加0.18%的V，0.32% 的Mo，调整Mn、Ni、A1的成分范围，采用化学成分见表1。上述列表中序号3#为本发明实施例， 2#为在现有技术上添加 Mo元素的钢种，1#为现有技术的钢种。
[0026] 实施例1: 分别从1#和2#钢所制钢管上切取高溫持久试样，分别在650°C280Mpa、65(rC220Mpa条 件下进行持久实验。实验结果如表2所示，可W看出相同应力下2#钢例断裂时间更长，说明 添加 Mo元素能够增加持久强度。
[0027] 实施例2 分别从1#和3#钢所制钢管上切取高溫持久试样，分别在650°C280Mpa、65(rC250Mpa条 件下进行持久实验。实验结果如表3所示，可W看出相同应力下本发明实施例断裂时间更 长，说明发明实施例的持久强度得到了显著的提升。
[0028] 实施例与现有技术持久前的透射电镜图对比见图1和图2,本发明实施例和现有技 术中都发现了一些细小的析出相，但本发明实施例中沿李晶界和位错线上析出了大量尺寸 更细小的析出相(如图2中箭头）。
[0029] 实施例与现有技术持久后扫描电镜图对比见图3~图6,本发明实施例析出相数量 更多。
[0030] 实施例持久后Z相透射电镜图见图7~图10,实施例持久后Z相衍射斑点标定图见图 10。触须状Z相(如图中箭头)弥散分布于李晶界和位错线上，由暗场像图9可W看出：运种触 须状Z相是由细小的颗粒钉扎位错链接而成。触须状Z相十分细小，供应态时的Z相较少，且 尺寸仅为6nm，持久1004h后，触须状Z相增多，尺寸长大至8.6 nm。说明Z相持久过程中长大 十分缓慢，比较稳定。因此，在S30432钢中添加 V元素后，一旦在固溶热处理和接下来的冷却 中避免了V(C，N)的形成。细小的触须状Z相要比V(C，N)优先析出。运些细小的Z相对位错和 李晶界有强烈的钉扎作用，长时间蠕变后仍能有效的锁固位错的攀移，从而很好的提高持 久强度。
【主权项】
1. 一种高持久强度奥氏体耐热钢，其特征在于，该耐热钢化学成分的重量百分含量为： 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。
【专利摘要】一种高持久强度奥氏体耐热钢，属于耐热钢技术领域。化学成分重量百分含量为：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。优点在于，与现有技术相比，调整Mn、Ni、Al的成分范围，添加少量的V、Mo元素，成本提高不大，但持久强度显著提高。
【IPC分类】C22C38/44, C22C38/04, C22C38/42, C22C38/48, C22C38/02, C22C38/46, C22C38/06
【公开号】CN105671453
【申请号】CN201610163262
【发明人】朱丽慧, 李彬彬, 翟国丽, 王起江, 周任远
【申请人】上海大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年3月19日