奥氏体合金的制作方法
【专利摘要】一种奥氏体合金，其包含(以重量％计)：C：0.01-0.05Si：0.05-0.80Mn：1.5-2Cr：26-34.5Ni：30-35Mo：3-4Cu：0.5-1.5N：0.05-0.15V：≤0.15余量为Fe和不可避免的杂质，其特征在于40≤％Ni+100×％N≤50。
【专利说明】奥氏体合金
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的奥氏体合金。本发明还涉及一种 包含本发明奥氏体合金的燃烧设备的组件。
【背景技术】
[0002] 基于生物质燃烧的发电被认为是可持续的和碳平衡的，并且正变成日益重要的能 源。
[0003] 生物质燃烧的一个问题是，所用的广泛生物质燃料的燃烧产物是腐蚀性的，并且 可能造成生物质发电设备中组件上的沉积。生物质发电设备和常规蒸汽锅炉中特别暴露的 是过热器、再热器和蒸发器。在生物质发电设备中的另一个问题是，组件中的材料由于发电 设备中的高温和高压而开始蠕变。现在，生物质设置在150-200巴的压力下和在500-550°C 的温度下操作。未来，生物质发电设备温度预计会比现在还要高，600-650°C。这将会对发 电设备的结构部件的耐热腐蚀性和抗蠕变强度产生更高的要求。
[0004] 已经尝试增加钢的耐腐蚀性。例如，US 4876065和W0 0190432描述了在油和天然 气行业中被设计用于在腐蚀性环境中使用的钢。
[0005] 研究进一步表明，Mo含量高的奥氏体不锈钢显示良好的耐高温腐蚀性James R. Keisler，Oak ridge National laboratory (橡树岭国家实验室），NACE Corrosion (美国 防腐蚀工程师协会腐蚀）2010,第10081期。
[0006] 然而，这些钢没有表现出在生物质发电设备中适用的所必需的抗蠕变强度。
【发明内容】
[0007] 因此，本发明的目的在于获得一种如下的奥氏体合金，所述合金表现出高耐腐蚀 性和高抗蠕变强度。本发明的另一个目的在于获得包含本发明合金的蒸汽锅炉设备的组 件。
[0008] 根据本发明，通过一种如下的奥氏体合金来实现所述目的，所述奥氏体合金包含 (以重量％计）：
[0009] C ：0. 01-0. 05
[0010] Si ：0. 05-0. 80
[0011] Μη ：1. 5-2
[0012] Cr :26-34. 5
[0013] Ni :30-35
[0014] Mo ：3-4
[0015] Cu :0.5-1. 5
[0016] N :0.05-0. 15
[0017] V 0. 15
[0018] 余量为Fe和不可避免的杂质，其特征在于
[0019] 40 彡％ Ni+100X % N 彡 50。
[0020] 本发明的奥氏体合金具有良好的耐高温腐蚀性，特别是良好的耐火侧腐蚀性。通 过平衡合金中镍和氮的添加以满足条件40 < % Ni+100X % N < 50,在合金中进一步实现 高抗蠕变强度和高延性。良好的耐高温腐蚀性与高抗蠕变强度相结合使得本发明的奥氏体 合金非常适合作为蒸汽锅炉结构部件的材料。本发明的合金特别适用于在高温高压下在腐 蚀条件下操作的生物质发电设备。
[0021] 优选地，所述奥氏体合金满足了要求：40<% Ni+100X % 50。则所述合金表 现出非常好的抗蠕变强度和高延性。当所述材料用于蒸汽锅炉中时，这将是有利的，因为其 允许所述材料在锅炉开启和关闭过程中高热塑性地膨胀和收缩。因此，所述材料能够经受 循环加热和冷却而不开裂。
[0022] 优选地，所述奥氏体合金中二氧化娃（Si)的含量为0. 3-0. 55重量％。因为最低 限度地形成脆的σ相且最低限度地形成含氧夹杂物，从而在合金中实现非常高的抗蠕变 强度。
[0023] 优选地，所述奥氏体合金中碳（C)的含量为0. 01-0. 018重量％，以优化耐腐蚀性。
[0024] 本发明还涉及一种包含本发明奥氏体合金的用于燃烧设备的组件，所述燃烧设备 优选地是生物质发电设备或生物质蒸汽锅炉。
[0025] 所述组件可以例如是过热器或再热器或蒸发器，优选地是此类过热器、再热器或 蒸发器的管，并且其中所述组件当处于操作位置时经受烟道气和高温。作为可选方案，本 发明因此可以被限定为燃烧设备，优选地，生物质发电设备，其包括锅炉，优选地生物质蒸 汽锅炉，其包括布置在锅炉中并在其操作过程中经受所述锅炉所产生的烟道气和热量的组 件，优选过热器管、再热器管或蒸发器管，其中所述组件包含本发明的合金。
[0026] 发明详述
[0027] 本发明的奥氏体合金包含以下合金元素：
[0028] 碳（C)
[0029] 碳是奥氏体稳定化元素，并且因此在本发明合金中的含量应为至少0.01重量％。 碳因形成碳氮化物而对增加材料的抗蠕变强度来说更重要。然而，在存在铬的情况下，碳形 成碳化铬，碳化铬增加了晶间腐蚀的风险。高碳含量还降低焊接性。为了最小化碳化铬的 形成并确保良好的焊接性，碳含量应不超过〇. 05重量％。为了进一步抑制碳化铬的形成， 碳含量应优选在〇. 01-0. 018重量％的范围。
[0030] 硅（Si)
[0031] 硅在钢生产中被用作脱氧元素。然而，高硅含量对焊接性不利。为了确保钢中的氧 含量低并因而夹杂物少，硅含量应为至少〇. 05重量％。然而，硅含量应不超过0. 80重量％ 以确保钢的焊接性。已经发现，当硅含量在〇. 30-0. 55重量％范围内时，本发明的合金实现 非常高的抗蠕变强度。据认为，当硅含量超过0.55重量％时，〇相的形成增加。 〇相降低 本发明合金的延性，因此也降低抗蠕变强度。低于〇. 30重量％的情况下，抗蠕变强度因含 氧夹杂物的形成增加而减少。
[0032]锰（Μη)
[0033] 锰，同Si -样，是脱氧元素，而且它也可有效改进热加工性。需要限制锰的最大含 量以控制本发明合金在室温下的延性和韧性。因此，锰含量应在1. 50-2. 0重量％范围内。
[0034] 铬（Cr)
[0035] 铬是改进耐火侧腐蚀性和抗蒸汽氧化性的有效元素。为了实现足够的耐热腐蚀性 以用作例如生物质燃烧发电设备中的锅炉管，需要至少26%的铬含量。但是，如果铬高于 34. 5%，那么镍含量必须进一步增加，因为较高的Cr含量可以增加金属间相，例如σ相的 形成的风险。因此，铬含量应处于26.0重量％-34. 5重量％的区间。在本发明的情况下， 铬含量在26. 0-29. 0重量％范围内时获得非常好的材料性能，因此所述范围被视为优选范 围或至少更有限的范围，在此范围内，实现本发明的技术效果。
[0036] 镍（Ni)
[0037] 镍是用于如下的目的的必要元素：在本发明合金中确保稳定的奥氏体结构，以使 得如σ相的金属间相的形成被抑制。 〇相是具有铬和钥的硬而脆的金属间相，其在高温下 形成。σ相对钢的延性和伸长率具有负面影响。通过稳定合金中的奥氏体相， 〇相的形成 被最小化。因此，镍对于确保钢的充分的延性的伸长率是重要的。镍还对本发明合金的耐 蚀性具有正面影响，因为它促进钝化Cr氧化膜的形成，该钝化Cr氧化膜抑制进一步氧化物 生长、sc.结垢。在本发明的合金中，镍的含量应至少为30重量％，以保证结构稳定性、耐 腐蚀性和延性。然而，镍是相对昂贵的合金元素，为了保持低的生产成本，应限制镍的含量。 镍还降低氮在合金中的溶解度，因此，镍的含量应不超过35重量％。
[0038] 钥（Mo)
[0039] 在本发明合金中包含钥以改进锅炉管火侧的耐热腐蚀性。添加 Mo还改进了本发 明合金对一般腐蚀的耐性。然而，Mo是昂贵的元素并促进〇相析出，从而导致钢的韧性劣 化。为了确保良好的耐热腐蚀性，在所述钢材中钥的含量应为至少3重量％。钥的上限为 4重量％，以避免σ相的析出。
[0040] 铜（Cu)
[0041] 添加铜可以通过析出在基质中精细而均匀地析出的富铜相而改进抗蠕变强度。然 而，过量的铜导致加工性降低。高量的铜也可能导致延性和韧性降低。因此，本发明合金中 铜的含量应处于〇. 5-1. 5重量％的区间中。在本发明的情况下，铜含量在0. 8-1. 2重量％ 范围内时，获得特别好的结果，因此，至少出于这个原因，所述范围被认为是优选的范围或 至少更有限的范围，在所述范围内，实现本发明的技术效果。
[0042] 氮（N)
[0043] 氮对奥氏体结构具有很强的稳定作用，因此降低了 〇相的形成。这对钢的延性具 有积极作用。在本发明合金中，氮的主要作用是，它与碳一起形成呈碳氮化物形式的析出 物。小的碳氮化物粒子通常在钢的晶界处析出并且阻止位错在钢晶粒内扩展。这极大地增 加了钢的抗蠕变性。本发明合金中氮的含量应为至少〇. 05重量％，以确保稳定的奥氏体结 构，并且形成足量的碳氮化物。然而，如果氮以高含量存在，那么可能出现氮化物的大的初 级析出物，这些析出物降低本发明合金的延性和韧性。因此，在本发明合金中的氮含量应限 制至0. 15重量％。
[0044] 钒（V)
[0045] 添加钒、钛或铌有助于通过MX相的析出而改进蠕变断裂强度。然而，过量钒可降 低焊接性和热加工性。因此本发明合金中钒含量可允许为< 0. 15重量％。
[0046]磷（P)和硫（S)
[0047] 磷和硫通常在本发明合金的原材料中以杂质形式包括在内，并可能造成大量焊接 裂纹。因此，磷应不超过0.035%。硫应不超过0.005%。
[0048] 要求：40 彡％ Ni+100X % N 彡 50
[0049] 在本发明合金中，镍含量和氮含量应该被平衡以满足要求：40 Ni+100X % 50。已经表明，在此区间内，实现非常好的抗蠕变强度和延性。据信，良好的抗蠕变强 度是镍与氮的协同效应的结果。优选地，镍含量和氮含量应该被平衡以满足要求：40 < % Ni+100X % N < 45。
[0050] 如上所述，氮形成碳氮化物，所述碳氮化物通过增加合金中的蠕变应变而提升抗 蠕变强度。然而，抗蠕变强度受任何脆性相，例如σ相的负面影响。添加镍和氮二者抑制 了钢中σ相的形成，从而增加合金的断裂伸长率或延性。这将降低应力集中和可能的裂纹 萌生和扩展。因此，这导致抗蠕变强度增加。
【专利附图】
【附图说明】
[0051] 图1 :合金组成表。
[0052] 图2 :显示本发明合金和对比合金在600°C下蠕变试验的结果的图。
[0053] 图3 :显示本发明合金和对比合金在650°C下蠕变试验的结果的图。【具体实施方式】 实施例
[0054] 以下将参照具体的实施例描述本发明合金。
[0055] 通过常规炼钢方法制备十炉钢（steel heat)。各炉钢的组成列于表1中。制备所 述十炉钢所根据的常规冶金工艺如下：
[0056] 利用A0D法烙炼-热乳-挤压-冷乳（cold pilgring)(冷变形）-固溶退火-水 淬。空心棒材在热挤压后随后进行冷轧（cold pilgred)，冷变形在40%至80%之间，随后 视尺寸在1050至1180°C的温度下进行固溶退火。下表列示详细信息。
[0057]
【权利要求】
1. 一种奥氏体合金，其包含（以重量％计）： C ：0. 01-0. 05 Si ：0. 05-0. 80 Μη ：1. 5-2 Cr :26-34. 5 Ni :30-35 Mo ：3-4 Cu ：0. 5-1. 5 N :0. 05-0. 15 V 0. 15 余量为Fe和不可避免的杂质，其特征在于 40 彡％ Ni+100X % N 彡 50。
2. 根据权利要求1所述的奥氏体合金，其中 40 彡％ Ni+100X % N 彡 45。
3. 根据任一权前述利要求所述的奥氏体合金，其中 Si :0· 3-0. 55。
4. 根据任一权前述利要求所述的奥氏体合金，其中 C ：0. 01-0. 018〇
5. -种燃烧设备的组件，其特征在于所述组件包含根据权利要求1 一 4中的任一项所 述的奥氏体合金。
6. 根据权利要求5所述的燃烧设备的组件，其中所述组件是过热器或再热器或蒸发 器。
【文档编号】C22C38/58GK104066862SQ201380006041
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年1月16日 优先权日:2012年1月18日
【发明者】柴国才, 扬·赫格贝里, 索非亚·阿克松, 乌尔班·福斯伯格 申请人:山特维克知识产权股份有限公司