在高的使用溫度下具有出色的蠕變強度以及抗氧化性和抗腐蝕性的奧氏體鋼合金的制作方法
【專利說明】在高的使用溫度下具有出色的蠕變強度以及抗氧化性和抗 腐蝕性的奧氏體鋼合金
[0001] 本發(fā)明涉及根據(jù)專利權利要求1的奧氏體鋼合金，其在高的使用溫度下具有出色 的蠕變強度以及抗氧化性和抗腐蝕性，以及涉及根據(jù)權利要求8的由該鋼合金制造的工 件。
[0002] 本發(fā)明特別涉及適用于至大約750°C的蒸汽溫度的耐熱的用于制造管材、板材或 者作為鍛造材料例如用于新一代高效電廠中的無縫過熱器管的奧氏體材料。在所述條件 下，對材料的要求是足夠的蠕變強度與良好的在水蒸汽中的抗氧化性和在煙氣和灰分存在 時的抗腐蝕性的結合。
[0003] 為了減少在電廠中的CO2-排放和并且為了提高效率，用始終具有較高蒸汽溫度和 壓力的蒸汽鍋爐進汽。因此，為了提高在發(fā)電廠設備中生產(chǎn)能源時的效率，對提高鍋爐內的 蒸汽溫度至最高700°C和更高以及提高鍋爐內蒸汽壓力的要求日以增加。
[0004] 特別在近年來進行了將迄今約為600°C的蒸汽溫度提高至650°C或者更高并且進 一步提尚至700°C或者更尚的實驗。
[0005] 在上述溫度級別中對在所述高的工作溫度下的熱交換器管的特殊要求是尤其與 高的在水蒸汽中的抗氧化性和在煙氣和灰分存在時的抗腐蝕性相結合的足夠的蠕變強度。
[0006] 例如在電廠中使用的具有高的蠕變強度和抗腐蝕性的高溫材料通常基于鐵素體、 鐵素體/馬氏體或者奧氏體的鐵基合金或者基于鎳基合金。
[0007] 與奧氏體鋼相比，富含鉻的鐵素體鋼明顯較廉價并且同時還具有較高的導熱系數(shù) 和較低的熱膨脹系數(shù)。此外，富含鉻的鐵素體鋼也還具有高的抗氧化性，這對于例如在加熱 器或者鍋爐中的熱蒸汽應用是有利的。
[0008] 然而，當在高的抗氧化性和抗腐蝕性的同時需要高的高溫強度即蠕變強度時，僅 還可以考慮奧氏體鋼或者鎳基合金。
[0009] 由于與奧氏體鋼相比，鎳基合金非常昂貴，市場渴求尤其是用于在至大約750°C的 高使用溫度下也能提供所需的蠕變性能和抗腐蝕性能的管材或者管道的奧氏體鐵基合金 材料。例如對于100 MPa的負荷必須達到在700°C下IO5小時的蠕變強度而無斷裂。
[0010] 已知的用于至大約620°C或者650°C的應用溫度的材料是具有例如8-15%Cr-含量 的鐵素體/馬氏體鋼。這種材料大多具有另外的昂貴的合金添加物或者此外不適合在高于 620°C的溫度范圍使用。
[0011] 例如從DE 60 2004 002 492 T2中已知用于具有至700°C和更高的蒸汽溫度的蒸 汽鍋爐中的奧氏體鋼。在該鋼的情況中，尤其通過以給出的極限添加鈦和氧實現(xiàn)抗蠕變性。 然而，該鋼的缺點在于，在水蒸汽中的抗氧化性尚且不足以及在上述高的使用溫度下缺乏 對煙氣腐蝕的耐受性。
[0012] 本發(fā)明的目的在于提供奧氏體鋼的合金，其在至大約750°C和更高的使用溫度下 也可靠地滿足上述對蠕變強度以及抗氧化性和抗腐蝕性的要求。
[0013] 另一個目的在于，提供由所述鋼合金制成的工件，例如無縫的或者焊接的管材、板 材、鍛件和鑄件或者工具鋼。
[0014] 所述的第一個目的通過權利要求1的特征實現(xiàn)。有利的擴展方案是從屬權利要求 的主題。本發(fā)明的工件通過權利要求8提供。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的教導，推薦具有下列化學組成(重量％)的鋼合金： 0· 02 彡 C 彡 0· 15 % 0· 1 彡 Si 彡 2. 0 % 25 ^ Cr ^ 33 % 22 ^ Ni ^ 38 % 1彡Mo彡6 % 0· 4 彡 Nb 彡 1. 5% B ^ 0.0120% 0· 01 彡 N 彡 0· 2 % Mn ^ 2 % Co 彡 5% W ^ 2% Al ^ 0.05% Cu 彡 5% Ti ^ 0. 5% Ta ^ 0. 5% V^O. 5% P ^ 0. 05 % S 彡 0· 05 % 余量為鐵，其具有冶煉所致的雜質以及總計最多1 %的任選加入的稀土和反應性元素 如 Ce、Hf、La、Re、Sc 和 / 或 Y。
[0016] 本發(fā)明的奧氏體耐高熱合金具有出色的蠕變性能，以及好的在水蒸汽中的抗氧化 性和在煙氣中的抗腐蝕性。
[0017] 本合金的設計從根本上有別于已知合金的設計。
[0018] 奧氏體基材對位錯懦變的增強在最高650°C溫度的已知奧氏體材料的情況中足以 通過晶界上的M 23Cf^P在晶界上和晶粒內的細粒的碳化物和氮化物實現(xiàn)。在更高溫度下不 能確保足夠的蠕變性能。
[0019] 在實驗中看出，在至大約750°C的高溫下對于已知奧氏體材料在蠕變條件下的 強度失效而言，本質的是晶界由于在那里析出σ-相和與此相關聯(lián)的起穩(wěn)定化作用的 (stabilisierend)碳化物的溶解造成的弱化。此外，晶粒中析出的σ -相的粗化在最初好 的蠕變性能之后導致強度的快速下降。
[0020] 作為本發(fā)明的重要之處已認識到，僅能通過避免以上描述的晶界弱化效果和在晶 粒中析出的σ -相的粗化效果，來實現(xiàn)高溫下蠕變強度以及抗氧化性和抗腐蝕性的改善。
[0021] 因此，作為本發(fā)明的重要方面，本合金利用在晶粒中析出的細粒的σ-相作為強 化組分并結合M 23C6組分以及其它在晶粒中和在晶界上析出的細粒的特別是鈮的碳化物、碳 氮化物和氮化物來提高蠕變強度。
[0022] 在抑制晶界上的〇 -相析出的同時在晶粒內額外地析出〇 -相以及對所有析出類 型的粗化穩(wěn)定化導致最高750°C的出色的蠕變強度。
[0023] 實驗研宄顯示，根據(jù)以上提及的分析，在例如以1200°C /15分鐘用水淬火的固 恪退火之后，產(chǎn)生具有初級（primjir)銀碳氮化物（Nb(C，N))的奧氏體基質的微觀結構。 在700 °C或者740°C熱處理4000 h之后或者在蠕變實驗中，在晶粒中形成精細分布的 σ -相-析出物以及小的MX類型的碳氮化物析出物，其中M基本上是鈮。在最長近20000 h的測試時間中未能觀察到〇-相的粗化。在圖1中示意性示出退火或者蠕變測試后本發(fā) 明合金的微觀結構。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明，在所述限值中通過有針對性相互協(xié)調地加入合金元素鉻、鉬和硅以 及碳、鈮和氮實現(xiàn)所述性能組合。在表1中列出了研宄的材料。出于對比目的而研宄的、非 本發(fā)明的鋼用"X"標記。
[0025] 表1 :所研宄的合金的組成(重量％)
【主權項】
1. 奧氏體鋼合金，其在至大約750°C的高的使用溫度下具有出色的蠕變強度以及抗氧 化性和抗腐蝕性，其具有下列化學組分(重量％): C0. 02-0. 15% Si0. 1-2. 0% Cr25-33% Ni22-38% Mo1-6% Nb0. 4-1. 5% B^ 0.0120% N0. 01-0. 2% Mn彡 2% Co彡 5%ff彡2% A1 ^ 0.05% Cu彡 5% Ti彡 0? 5% Ta彡 0? 5% V^ 0. 5% P^ 0.05% S^ 0.05% 余量為鐵，其具有冶煉所致的雜質以及總和為最高1 %的任選加入的稀土和反應性元 素如Ce、Hf、La、Re、Sc和 / 或Y。
2. 根據(jù)權利要求1的鋼合金，其特征在于，所述鋼具有下列組分(重量％): Cr26-30% Ni25-35% B^ 0.010%〇
3. 根據(jù)權利要求1的鋼合金，其特征在于，所述鋼具有下列組分(重量％): C0. 05-0. 12% Si0. 1-1% Cr27-30% Ni25-35% Mo2-5% Nb0. 4-1. 0% B最多 0? 0090% N0. 05-0. 12%〇
4. 根據(jù)權利要求1至3任一項的鋼合金，其特征在于，硼的最低含量為0. 0010重量％。
5. 根據(jù)權利要求1至4任一項的鋼合金，其特征在于，保持下列合金含量以穩(wěn)定 〇 -相：Mo重量％+Cr重量％+Si重量％彡29。
6. 根據(jù)權利要求1至5任一項的鋼合金，其特征在于，為形成足量的Nb(C，N)同時穩(wěn)定 M23C6，保持下列合金含量：1. 5彡Nb重量°v(N重量％+C重量％)彡10。
7. 根據(jù)權利要求1至6任一項的鋼合金，其特征在于，在使用條件下，在操作溫度下，所 述鋼的微觀結構在晶界上具有仏3(： 6和其它碳化物、碳氮化物和氮化物的析出相和在晶粒內 具有析出的相和碳化物、碳氮化物和氮化物。
8. 由根據(jù)權利要求1至7至少一項的鋼合金制造的無縫或者焊接的鋼管、鋼板或者通 過鍛造或鑄造制造的工件或者工具鋼，其特別在高于620°C的使用溫度下具有出色的蠕變 強度以及抗氧化性和抗腐蝕性。
【專利摘要】本發(fā)明涉及奧氏體鋼合金，其在至大約750℃的高的使用溫度下具有出色的蠕變強度以及抗氧化性和抗腐蝕性，并具有特定的化學組成，以及涉及由這樣的鋼合金制造的無縫或焊接的鋼管、鋼板或者通過鍛造或鑄造制造的工件或者工具鋼，其特別在高于620℃的使用溫度下具有出色的蠕變強度以及抗氧化性和抗腐蝕性。
【IPC分類】C22C38-42
【公開號】CN104718306
【申請?zhí)枴緾N201380037377
【發(fā)明人】J.門茨, M.施皮格爾, J.康拉德, P.施拉文
【申請人】薩爾茨吉特曼內斯曼不銹管有限責任公司
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2013年6月27日
【公告號】DE102012014068B3, EP2872664A1, US20150203944, WO2014008881A1