[发明专利]一种奥氏体系耐热钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种奥氏体系钢，特别是涉及一种具有良好高温强度以及蠕变断裂延展性的奥氏体系耐热钢及其制造方法。本发明的奥氏体系耐热钢适合用于锅炉的过热器管、再热器管以及化学工业用反应炉管等使用的钢管、作为耐热耐压部件而使用的钢板、条钢以及锻钢等的原材料。

背景技术

节省能源、以及为保护环境而减少二氧化碳气体的排放量已经成为人类需要共同面对的一个课题。为了实现高效率化，提高蒸汽温度以及压力是电站锅炉的发展趋势。目前超超临界锅炉的蒸汽温度在600℃左右，而计划逐渐要达到650℃以上，甚至更进一步要达到700℃以上。

蒸汽的高温高压化，会使锅炉的过热器管、再热器管和化学工业用反应炉管，以及作为耐热耐压部件的钢板、条钢和锻钢等在实际操作的时候温度上升至700℃以上。因此对于如此恶劣环境下使用的钢，不但要求其具有良好的高温强度以及高温耐腐蚀性，而且要求其经过长时间后仍具有良好的金属组织稳定性、蠕变断裂延展性以及耐蠕变疲劳特征。

奥氏体耐热钢与铁素体耐热钢相比具有良好的高温强度以及高温耐腐蚀性。因此从强度以及耐腐蚀性方面考虑，可以在不能使用铁素体耐热钢的650℃以上的高温范围内使用奥氏体耐热钢。

截至目前，有相当的学者和研究机构进行了大量的可以同时提高高温强度以及高温耐腐蚀性的实验，并且提出了大量不同化学成分的奥氏体系耐热钢，对比成分见表1。

具有代表性的例如SUS347H以及S30432为代表的18Cr-8Ni钢，以S31042、NF709为代表的25Cr-20Ni系钢。添加适量的Nb和N，通过高温蠕变过程中析出弥散的Nb析出相来提高材料的高温蠕变强度。

在CN 1519388A中，通过组合加入极微量的Ti与适量的O以及金属组织的适当化，从而得到一种蠕变强度高，蠕变断裂断面收缩率高的奥氏体耐热钢。

在US 6918968B2专利中，通过添加适量的Cu元素，得到富铜析出相，同时限制P含量、Al含量和O含量，从而提高蠕变强度。

在上述的专利以及CN1340109，US 7731895B2，US 6939415B2等专利文献公开的钢中无一例外地都通过添加适量的C来确保作为高温用奥氏体系不锈钢的拉伸强度和高温蠕变强度，因此现在普遍的奥氏体耐热钢C元素的含量都在0.03％以上，但C元素的添加使得焊接性能下降，更为重要的是，在高温持久服役过程中，由于大量碳化物沿着晶界析出，导致高温蠕变断裂延展性和高温时效冲击韧性大大降低。700℃200小时高温时效后材料的常温冲击韧性由时效前的200J以上迅速降低到20J以下，通过研究发现，这主要是由于沿着晶界析出了大量碳化物，从而降低了材料的冲击韧性。

发明内容

在借鉴上述实际情况的基础上，相对现有钢种，通过限制C含量，减少高温蠕变过程中碳化物在晶界的析出和富集，从而提高其蠕变断裂延展性，同时通过添加适量的Cu元素和硼元素，在高温蠕变过程中析出富铜相和硼析出相，从而弥补低碳导致的高温蠕变强度的损失，得到一种高温蠕变强度和高温蠕变断裂延展性均较好的奥氏体耐热钢。

本发明的目的在于提供一种在700℃温度，负载应力110MPa的条件下，具有优良的高温蠕变断裂强度和高温蠕变断裂延展性，同时在700℃下5000小时时效后具有良好冲击韧性的一种奥氏体耐热钢。

为了实现上述目的，本发明的奥氏体系耐热钢，其化学成分(质量百分比)为：C：0.03以下，Si：0.1-2％，Mn：0.1-3％，P：0.03％以下，S：0.01％以下，Ni：18-25％，Cr：20-28％，Ti：0.002-0.2％，N：0.1-0.4％，Nb：0.1-1％，V：0.02-1％，B：0.0005-0.05％，Cu：0.1-3％，Sol.Al：0.001-0.05％，其余为铁及杂质。