一种复合强化22/15铬镍型高强抗蚀奥氏体耐热钢

摘要

一种复合强化22/15铬镍型高强抗蚀奥氏体耐热钢，成分质量%为0.02-0.10%C，20-25%Cr，12-18%Ni，2-5%Cu，0.2-1.0%Nb，0.2-0.8%N，＜1%Si，＜2%Mn，＜0.03%S，＜0.03%P，0.001-0.008%B，余量为Fe。本发明在22/15铬镍型奥氏体钢中合理配比C，N，Nb，Cu等多种强化元素来形成时效析出纳米级的Nb(C,N)型MX相，NbCrN相和富Cu相的多相复合强化优异效果。本发明纳米析出相强化的22/15铬镍型高强抗蚀奥氏体型耐热钢不仅具有比25/20铬镍型SA312-TP310NbN（HR3C）钢稍低铬、镍含量的经济性，并且比HR3C钢具有更高的高温持久强度的优点，又克服了HR3C钢在高温长期时效后冲击韧性显著降低的缺点。

权利要求

1.一种复合强化22/15铬镍型高强抗蚀奥氏体耐热钢，其特征在于，化学成分为：

0.02-0.10%C，20-25%Cr，12-18%Ni，2-5%Cu，0.2-1.0%Nb，0.2-0.8%N，＜ 1%Si， ＜ 2%Mn，＜0.03%S，＜0.03%P，0.001-0.008%B，余量为Fe，其热处理工艺是固溶处理，即在1150℃保温30min后水淬。

说明书

一种复合强化22/15铬镍型高强抗蚀奥氏体耐热钢

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料领域，涉及一种超超临界电站锅炉用多种纳米析出相复合强化的22/15铬镍型高强抗蚀奥氏体耐热钢。

背景技术

[0002] 电力是保证国民经济可持续发展的一个重要能源支柱。当前我国的总发电量约80%来自燃煤火力电站。要提高发电厂热效率达到节能减排（CO2及其它有害气体）保护环境已是我国重要的基本国策之一。为了达到这个目的，大力开展高蒸汽参数的超超临界发电机组已是世界燃煤电厂发展的重要方向。我国于2006年12月第一台600℃超超临界燃煤发电机组投入运行，各项指标均已达到国际先进标准。此后我国大力发展600℃超超临界机组，至今已超过100台机组投产，在世界超超临界燃煤发电机组总量上占绝对优势。发展
600℃超超临界发电机组的必要条件是使用优质高强抗蚀奥氏体型耐热钢。

[0003] 为超超临界锅炉—汽轮机发电机组提供600℃高参数蒸汽锅炉中温度最高的关键部件是过热器和再热器管道。目前广泛采用的是以单一的NbC或Nb（CN）即MX纳米相析出强化的18/10型铬镍奥氏体耐热钢TP347H，以及用纳米富Cu相和MX两种相析出强化的Super304H奥氏体耐热钢和用纳米MX和NbCrN两种析出相析出强化的25/20铬镍型奥氏体耐热钢HR3C。在这三种目前广泛使用商用钢种中Super304H具有最高的持久强度，HR3C钢具有最好的抗氧化腐蚀性能。但是，HR3C钢在高温长期时效后会产生冲击韧性急剧下降的严重缺点，迫切需要改进。

发明内容

[0004] 本发明目的是为了满足电站锅炉过热器/再热器的实际服役条件，即同时获得具有优良的高温持久强度和优良的抗氧化腐蚀性能，同时为了解决长期时效后冲击性能下降的问题，

[0005] 在600℃等级超超临界电站锅炉过热器/再热器管道用材料中，TP347H、Super304H及HR3C耐热钢是现阶段用量最大的三种商用耐热钢。但是TP347H高温强度相对较低；Super304H尽管具有优良的高温强度但是其抗氧化腐蚀性能略低，而HR3C在这三种材料中尽管抗氧化腐蚀性能较好，但HR3C的冲击韧性及高温强度略低。本发明通过加入Cu，Nb，N等合金元素，使材料的综合性能提高。

[0006] 本发明的超超临界锅炉用高强抗蚀奥氏体型耐热钢，其特征在于具有如下的化学成分（质量%）：C 0.02-0.10，Cr 20-25，Ni 12-18，Cu 2-5，Nb 0.2-1.0，N 0.2-0.8，Si＜1，Mn＜2，S＜0.03，P＜0.03，0.001-0.008%B，余量为Fe。其热处理工艺是固溶处理，即在1150℃保温30min后水淬。

[0007] 本发明高强耐热22/15型铬镍奥氏体耐热钢的成分特点考虑了如下因素：

[0008] 铬：Cr是提高抗氧化腐蚀性能的主要元素，在蒸汽氧化的条件下可以形成富Cr的致密氧化层，保护材料不被进一步氧化，因此应保证Cr含量在20%以上；同时Cr能与C、N元素形成碳化物、氮化物或者碳氮化物，可以在晶内析出，起到第二相强化的效果，亦可在晶界析出，起到钉扎晶界的作用，使材料获得良好的强度。

[0009] 镍：Ni是保证形成奥氏体的重要元素与Cr元素配合以保持高的抗氧化腐蚀性能，考虑到一定的经济因素，Ni保持在15%左右。由此形成22/15铬镍型基体比25/20铬镍型奥氏体钢HR3C略低的铬和镍的含量。

[0010] 铜：Cu是在铬镍奥氏体钢中形成纳米富Cu相析出强化的一个非常重要的元素，由于大量富Cu相的弥散分布均匀析出强化而造成优异的强化效果。采用18/10铬镍Super304H奥氏体钢中析出富Cu相强化的优点而引入22/15型高铬镍奥氏体钢中也能产生富Cu相析出强化既是本发明的一个特色也是本发明钢种的一个优点。

[0011] 铌：Nb具有一定的固溶强化作用但主要是与C和N形成稳定细小的纳米时效析出Nb（C，N）即MX相而产生良好的强化效果。Nb（C，N）型MX相时效析出强化是本发明钢种中一种不可缺少的纳米级稳定强化相。

[0012] 氮：N与碳有类似的作用，是一种间隙原子，如上所述与Nb形成稳定细小的纳米析出相Nb（C，N）型MX相。N在本发明中的又一特点是与Nb和Cr形成NbCrN型另一种纳米级的时效析出强化相，NbCrN相具有良好的热稳定性，可以提高材料的高温强度，这也是本发明组织设计中的一个特点。

[0013] 硅：Si是钢中一种不可避免的常存杂质元素，过高的Si含量会促进脆性的σ相形成或富Si的G相在晶界析出，因此本发明要求将Si控制在1%以下。

[0014] 锰：Mn也是钢中的一种不可避免的常存杂质元素。虽然Mn也有一定稳定奥氏体的作用，但对塑性并不利，本发明要求将Mn控制在2%以下。

[0015] 硫：S是钢中一种有害杂质元素，特别是对热塑性不利，因为S偏聚晶界，降低晶界结合力，致使高温持久强度降低。本发明要求S控制在0.03%以下尽可能低的含量。

[0016] 磷：P是钢中一种有害杂质元素，会产生一定的脆性。P也是偏聚晶界的不利杂质元素。本发明要求P控制在0.03%以下尽可能低的含量。

[0017] 硼：B是一种强化晶界有效的微量有利元素。硼偏聚晶界一方面能控制晶界M23C6碳化物的形貌，另一方面硼有强化晶界的作用而增加钢的持久强度。但是过量的B会产生过多的硼化物共晶反而削弱晶界结合力。因此，B的加入要适量，本发明中B的含量要控制在0.001-0.008%范围内。

[0018] 碳：C在这类奥氏体钢中是一个重要的强化元素。一方面是稳定奥氏体组织，另一方面会形成Nb（C，N）型纳米级MX相析出强化，本发明要求C控制在0.02-0.10%范围内。

[0019] 本发明是综合了上述三个商用钢种各自的优缺点而设计出一种新型优质高强抗蚀22/15铬镍型奥氏体耐热钢。其优点是比25/20型铬镍奥氏体HR3C钢的铬镍量略低但又比18/10铬镍型的TP347H和Super304H的铬镍量为高以保持足够的抗氧化腐蚀性能。并采用三种纳米相MX，NbCrN和富Cu相共同析出复合强化的优点，又添加适量的B以控制晶界M23C6碳化物的行为。据此改进了HR3C钢不仅具有良好的抗氧化/腐蚀性能而且也达到了高持久强度的优点和克服高温长期时效后冲击韧性显著降低的缺点。

附图说明

[0020] 图1为三种纳米析出相（a）MX相，（b）富Cu相和（c）NbCrN相的高分辨电镜照片。

[0021] 图2为三种纳米析出相MX相，富Cu相和NbCrN相同时析出的高分辨电镜照片。

具体实施方式

[0022] 现将本发明用实施例来作详细描述。实施例是对本发明实施方式及过程的一种描述，并不对本发明的范围有任何限制。

[0023] 根据本发明的成分范围，对本发明奥氏体耐热钢做了多组实施例。实施之一是说明在22/15型高铬镍奥氏体钢（新1）中加Cu确证可以形成纳米级富Cu相析出强化。

[0024] 实施例中以MX，NbCrN和富Cu相等多相复合强化的22/15型新型铬镍奥氏体耐热钢（新 2），将与仅有MX和NbCrN析出强化的25/20型商用铬镍奥氏体钢HR3C的高温持久性能和高温长期时效后的冲击韧性做对比而显现出新钢种长的高温持久寿命的优点和高的冲击韧性特色。

[0025] 表1为实施例和比较例钢种（HR3C）的成分（质量%）

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[0027] 表2为本发明新钢种22/15铬镍型高强抗蚀奥氏体耐热钢与TP347H，Super304H和HR3C钢650℃持久性能对比

[0028]

[0029] 表3为本发明新钢种与HR3C钢经650℃/1000h长期时效后冲击功（J）的比较[0030]

[0031] 对比表2中本发明新钢种与现有三种商用钢种TP347H，Super304H和HR3C在650℃240MPa条件下的持久试验数据，表明本发明新钢种具有非常优异的长寿命持久数据，这是本发明的一大优点。

[0032] 对比表3中本发明新钢种与现有商用25/20铬镍型HR3C钢经650℃/1000h长期时效后的冲击韧性数据，表明在本发明新钢种经高温长期时效后仍能保持相当高的冲击韧性，而克服了HR3C钢在高温长期时效后冲击韧性急剧降低的一大缺点。

[0033] 在本发明的成分范围内，实施例中还冶炼了不同Cu含量的22/15型铬镍奥氏体钢。新3与新2相比，其余成分基本一致，而将Cu含量提高至4.33%。Cu元素与Ni元素的二元合金相图是无限互溶的，同时根据热力学计算，其平衡相中仍包括三种纳米级强化相富Cu相，MX相和NbCrN相；其中富Cu相的含量有所升高。与新2合金相比，在高温长期时效过程中仍会析出三种纳米尺寸的析出相富Cu相，MX相和NbCrN相，因此新3合金在长期时效过程中也具有优良的高温强度和良好的冲击韧性。