一种复合强化22/15铬镍型高强抗蚀奥氏体耐热钢.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103643171 A (43)申请公布日 2014.03.19 CN 103643171 A (21)申请号 201310719141.4 (22)申请日 2013.12.24 C22C 38/58(2006.01) C22C 38/54(2006.01) C21D 1/18(2006.01) (71)申请人 北京科技大学 地址 100083 北京市海淀区学院路 30 号 (72)发明人 谢锡善 于鸿垚 迟成宇 董建新 (74)专利代理机构 北京金智普华知识产权代理 有限公司 11401 代理人 皋吉甫 (54) 发明名称 一种复合强化 22/15 铬镍型高强抗蚀奥。

2、氏体 耐热钢 (57) 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。

3、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103643171 A CN 103643171 A 1/1 页 2 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。

4、.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。 权 利 要 求 书 CN 103643171 A 2 1/4 页 3 一种复合强化 22/15 铬镍型高强抗蚀奥氏体耐热钢 0001 技术领域 0002 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 0003 电力是保证国民经济可。

5、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。 0004 为超超临界锅炉汽轮机发电机。

6、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。 0005 发明内。

7、容 0006 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， 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。

8、料的综合性能提高。 0007 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。 0008 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 ： 说 明 书 CN 103643171 A 3 2/4 页 4 铬 ： Cr 是提高抗氧化腐。

9、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。

10、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。

11、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 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。

12、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。

13、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。

14、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。 说 明 书 CN 103643171 A 4 3/4 页 5 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。

15、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。 。

16、0025 表 1 为实施例和比较例钢种 （HR3C） 的成分 （质量 %） 0026 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 说 明 书 CN 103643171 A 5 4/4 页 6 0027 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 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。

17、明的一大优点。 0028 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。 0029 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。 说 明 书 CN 103643171 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103643171 A 7 。