一种奥氏体耐热钢及其热处理工艺的制作方法

本发明属高温用合金钢领域，具体涉及一种奥氏体耐热钢及其热处理工艺，特别适用于高温低应力工况下长期使用的部件，如超超临界机组再热器、乙烯裂解生产中的制氢转化炉管等，同样也可应用于一些温度较低的部件，例如核电机组压水堆蒸汽发生器管热管等。

背景技术：

Incoloy 800合金具备较高的Cr含量而具备了良好的抗氧化与抗腐蚀性能，因而在各个行业获得广泛应用，例如其在石化行业中被用作换热管以及对应力腐蚀开裂有较高要求的部件，在核电机组中被用作蒸汽发生器管，在石油加工领域被用作空气冷却换热管等。在这些服役工况条件下，合金表面可形成一层完整致密的氧化铬层，从而使其具备了优异的抗氧化与抗腐蚀能力。

然而，Incoloy 800合金高温力学性能相对较低，因而其在较高温度下的应用已逐渐被新材料所取代。近年来，人们在采用Nb元素替换Incoloy 800合金中的Ti而开发出了23Cr32NiNb合金(ASTM:A 351-03Grade CT 15C)，使材料获得更加优异的高温持久性能以及高温塑性，并已成为制氢转化炉管的首选材料之一。但是，这一材料在使用过程中暴露出组织不稳定的问题。合金中的NbC会与Si元素反应而向G相转变，并最终导致大块的G相存在于材料的晶界处，对合金塑性造成不利影响。并且NbC向G相转变过程中还会伴随着G相与基体界面贫Ni，造成此处强度弱化，对材料的高温力学性能造成进一步的不利影响。

近年来，高温合金中NbC向G相转变已经引起了广泛重视，目前主要采取向合金中加入稳定NbC的元素以延缓其向G相的转变，例如在HP40Nb合金基础上添加少量的Ti，但其对抑制NbC转变的效果尚存在争议。此外也可通过限制合金中Si元素含量的方法抑制G相的形成，例如在Inconel 740合金的基础上将Si含量从0.5％降至0.15％以下，有效抑制了G相的产生，使材料的持久强度性能获得了一定得改善。但是，Si含量的降低也将对于材料在较高温度或水蒸气环境下的抗腐蚀性能带来不利影响。

技术实现要素：

为克服现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种奥氏体耐热钢及其热处理工艺，获得一种组织稳定，抗腐蚀性能良好的可适用于高温低应力工况的新型奥氏体耐热钢。

为了实现以上发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种奥氏体耐热钢，该耐热钢各元素质量百分数满足C：≤0.10％，Cr：20～25％，Ni：30～35％，Mn：≤0.7％，Si：≥1.5％，Nb：0.3～0.7％，Mo：≤2.5％，W：1.0～3.5％，Ti：≤0.3％，Al：≤1.0％，B：≤0.005％，Re：≤0.15％，余量为Fe；其中Nb、Ti、C、Si元素的质量百分数还满足如下条件：

(Nb+Ti)/C≤7.0；

(Nb+Ti)/Si≤0.4。

本发明进一步的改进在于，该耐热钢铸态组织由奥氏体与晶界NbC组成，其中NbC主要以杆状形态不连续分布于奥氏体晶界处，且其体积分数不超过5.0％。

本发明进一步的改进在于，该耐热钢硬度达180HV以上，其在750℃下氧化1000h增重不超过4.0g/m²，750℃水蒸汽氧化1000h增重不超过6.0g/m²，750℃烟气环境中1000h的腐蚀增重低于25g/m²。

一种奥氏体耐热钢的热处理工艺，包括以下步骤：1)按质量百分数计，将C：≤0.10％，Cr：20～25％，Ni：30～35％，Mn：≤0.7％，Si：≥1.5％，Nb：0.3～0.7％，Mo：≤2.5％，W：1.0～3.5％，Ti：≤0.3％，Al：≤1.0％，B：≤0.005％，Re：≤0.15％，余量为Fe；其中Nb、Ti、C、Si元素的质量百分数还满足如下条件：

(Nb+Ti)/C≤7.0；

(Nb+Ti)/Si≤0.4；

进行配料后真空感应炉进行熔炼，获得耐热钢；

2)固溶处理：将耐热钢随炉升温至1150-1220℃并保温1-5h，完成后冷却；

3)时效处理：将固溶后的合金在700-850℃下时效处理10-35h，完成后冷却至室温。

本发明进一步的改进在于，所述升温时随炉升温至1150-1220℃。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中采用空冷。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中采用炉冷。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：通过调整Incoloy 800合金中Si、Ti、C等元素含量，并向合金中加入少量的Nb元素，获得沿晶界分布的颗粒状NbC，并通过热处理进一步调整其尺寸与分布，进而将其发生转变后形成的G相尺寸限制在较小的范围内。通过这一方案制备的合金具备优异的抗氧化与抗腐蚀性能，并且由于限制了大尺寸G相的形成，可以有效改善合金在时效期间脆性增大的现象，并基本消除了由于G相与基体界面贫Ni而带来的界面强度下降等问题，最终获得一种组织稳定，抗腐蚀性能良好的可适用于高温低应力工况的新型奥氏体耐热钢。

本发明中固溶完成后合金中NbC充分溶解，合金晶界处杆状NbC数量急剧减少，确保90％以上的NbC颗粒直径在2微米以内，并且其体积分数降至2.0％以下；合金经过时效处理后，NbC体积分数低于3.0％，其向G相转变比例低于5.0％；在合金晶界形成连续网状Cr₂₃C₆碳化物，其在晶界处所占比例高于90％。此外，Cr₂₃C₆碳化物在晶粒内部也出现大量析出，其尺寸最大不超过5微米。利用该工艺制备的合金具有良好的组织稳定性，室温硬度可达180HV，并具备良好的抗氧化与抗腐蚀性能，在750℃下恒温氧化1000h增重不超过4.0g/m²，750℃水蒸汽氧化1000h增重不超过6.0g/m²，750℃烟气环境(N₂-15％CO₂-3.5％O₂-0.1％SO₂)中500h的腐蚀增重低于25g/m²。本发明制备的材料可在高温低应力工况下长期使用，例如可满足超超临界机组再热器、乙烯裂解生产中的制氢转化炉管等部件对材料的使用性能要求，同样也可应用于一些温度较低的部件，例如核电机组压水堆蒸汽发生器管热管等。

附图说明

图1实施例1中合金铸态组织照片；

图2实施例2中合金铸态组织照片；

图3实施例1中合金固溶态组织照片；

图4实施例1中合金时效态组织照片；

图5实施例2中合金固溶态组织照片；

图6实施例2中合金时效态组织照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明中烟气环境是指：N₂-15％CO₂-3.5％O₂-0.1％SO₂，其中15％为CO₂的体积百分含量，3.5％为O₂的体积百分含量，0.1％为SO₂的的体积百分含量。

实施例1

在Incoloy 800合金成分基础上对进行Nb、Ti、Si、C等元素含量进行调整，并利用真空感应炉对合金进行熔炼，获得的合金按质量百分比包括：C：0.08％，Cr：22％，Mo：0.5％，W：2.5％，Nb：0.4％，Mn：0.5％，Si：1.5％，Ni：32％，B：0.003％，余量为Fe。

图1为合金的铸态组织照片，合金组织由奥氏体与晶界杆状NbC组成。合金在750℃空气、水蒸汽氧化与锅炉烟气环境(N₂-15％CO₂-3.5％O₂-0.1％SO₂)下的增重分别为3.7g/m²、5.4g/m²与21g/m²。

实施例2

在Incoloy 800合金成分基础上对进行Nb、Ti、Si、C等元素含量进行调整，并利用真空感应炉对合金进行熔炼，获得的合金按质量百分比包括：C：0.09％，Cr：22％，Mo：0.5％，W：2.5％，Nb：0.4％，Mn：0.5％，Si：2.0％，Ni：32％，B：0.003％，Al：0.5％，Ti：0.2％，余量为Fe。

图2为合金的铸态组织照片，合金组织由奥氏体与晶界杆状NbC组成。合金在750℃氧化与锅炉烟气环境(N₂-15％CO₂-3.5％O₂-0.1％SO₂)下的增重分别为3.2g/m²、4.9g/m²与19g/m²。

实施例3

对实施例1中合金在1200℃进行2h固溶处理后空冷至室温，随后对其在750℃进行30h时效处理。

图3为合金固溶处理后的组织照片，此时合金主要由奥氏体与晶界处NbC组成。

图4为合金时效后合金的组织照片，NbC并无明显长大现象，并在晶界形成膜状Cr₂₃C₆。合金晶界内部有Cr₂₃C₆明显析出，且其尺寸不大于5微米。

实施例4

对实施例2中合金在1200℃进行2h固溶处理后空冷至室温，随后对其在750℃进行30h时效处理。

图5为合金固溶处理后的组织照片，此时合金主要由奥氏体与晶界处NbC组成。

图6为合金时效后合金的组织照片，NbC并无明显长大现象，并在晶界形成膜状Cr₂₃C₆。合金晶界内部有Cr₂₃C₆明显析出，且其尺寸不大于5微米。

实施例5

该耐热钢各元素质量百分数满足C：0.06％，Cr：20％，Ni：30％，Mn：0.1％，Si：1.7％，Nb：0.3％，Mo：0.1％，W：1.0％，Ti：0.1％，Al：1％，B：0.005％，Re：0.15％，余量为Fe；

该耐热钢铸态组织由奥氏体与晶界NbC组成，其中NbC主要以杆状形态不连续分布于奥氏体晶界处，且其体积分数不超过5.0％。

将上述各元素进行配料后真空感应炉进行熔炼，获得耐热钢；将耐热钢随炉升温至1150℃并保温5h，完成后冷却；再于700℃下时效处理35h，完成后冷却至室温。

实施例6

该耐热钢各元素质量百分数满足C：0.1％，Cr：25％，Ni：35％，Mn：0.3％，Si：1.5％，Nb：0.5％，Mo：2.5％，W：3.5％，Ti：0.2％，Al：0.1％，B：0.001％，Re：0.1％，余量为Fe；

该耐热钢铸态组织由奥氏体与晶界NbC组成，其中NbC主要以杆状形态不连续分布于奥氏体晶界处，且其体积分数不超过5.0％。

将上述各元素进行配料后真空感应炉进行熔炼，获得耐热钢；将耐热钢随炉升温至1170℃并保温3h，完成后冷却；再于800℃下时效处理20h，完成后冷却至室温。

实施例7

该耐热钢各元素质量百分数满足C：0.09％，Cr：23％，Ni：33％，Mn：0.7％，Si：2％，Nb：0.3％，Mo：1.5％，W：1.5％，Ti：0.3％，Al：0.3％，B：0.002％，Re：0.05％，余量为Fe；

该耐热钢铸态组织由奥氏体与晶界NbC组成，其中NbC主要以杆状形态不连续分布于奥氏体晶界处，且其体积分数不超过5.0％。

将上述各元素进行配料后真空感应炉进行熔炼，获得耐热钢；将耐热钢随炉升温至1220℃并保温1h，完成后冷却；再于850℃下时效处理10h，完成后冷却至室温。

本发明在Incoloy 800合金成分基础上进行调整，提高Si元素含量至1.5％以上，并限制Ti元素的加入量，同时向合金中加入少量的Nb元素，使合金在凝固成型后沿晶界分布体积分数不超过5.0％的不连续NbC。在此基础上通过1150-1220℃下1-5h的固溶处理，促进合金晶界处NbC的溶解，将其体积分数限制在2.0％以下，并确保90％以上的NbC颗粒直径在2微米以内。随后在700-850℃温度范围内对合金进行10-35h的时效处理，促进晶界Cr₂₃C₆析出，并确保Cr₂₃C₆占晶界比例在90％以上，进一步限制晶界NbC向G相转变时的长大空间。通过本发明制备的奥氏体合金晶界碳化物呈连续膜状结构且占晶界比例在90％以上，晶粒内部弥散分布二次碳化物颗粒且尺寸不大于5微米。合金中NbC沿晶界呈不连续分布，且其90％以上的NbC颗粒直径在2微米以内。利用该工艺制备的合金具有良好的组织稳定性，室温硬度可达180HV，并具备良好的抗氧化与抗腐蚀性能，在750℃下恒温氧化1000h增重不超过4.0g/m²，750℃水蒸汽氧化1000h增重不超过6.0g/m²，750℃烟气环境(N₂-15％CO₂-3.5％O₂-0.1％SO₂)中500h的腐蚀增重低于25g/m²。