[发明专利]一种添加纳米粒子的含铜强化钢及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种奥氏体型高强度、高韧性的添加纳米粒子的含铜强化钢及其制备方法，所制备的含铜强化钢是超超临界电站锅炉的过热器、再热器管道的首选材料。

背景技术

为了提高火力发电的热效率，减少CO₂排放，大力发展高参数、大容量的超超临界(USC)电站已是世界电力工业发展的一个重要趋势。而我国电站中常用的低合金铁素体钢、9％-12％Cr型马氏体钢及通常的18/8型奥氏体钢，无论在高温强度或者抗氧化性能方面都已无法满足要求，只有发展既具有良好的高温性能，又具有相对较低成本的新型奥氏体耐热钢才能满足超超临界电站对高温材料的需求。经过多年的研究和开发，目前已经有多种奥氏体耐热钢被开发出来并得到了应用，其中主要利用富铜相并辅以MX相和M₂₃C₆碳化物析出相强化的18Cr9Ni3CuNbN(超级304H钢)奥氏体型高强度耐热钢的高温强度钢，抗氧化、焊接和加工性能均良好，目前已作为超超临界电站锅炉的过热器、再热器管道的首选材料而在全世界范围内被广泛使用。

现已证实超级304H钢中最主要的强化相是富铜纳米相。由于纯净钢中碳、氮含量极低，传统的微合金化元素的作用无法得到充分发挥。因此在材料合金化设计时，需要选择不依赖碳、氮的强化元素。铜是一种不需要C、N元素，即可在钢中产生强烈析出强化效果的合金元素。同时，它的析出相具有良好的塑性，从而保证了钢在具有高强度的同时具有高塑性。除此之外，它还能提高钢的抗腐蚀和焊接性能，所以，Cu在高纯净钢中是非常理想的强化元素。

在钢中加入铜，可以提高钢的耐蚀性、强度，改善焊接性、提高抗疲劳性、成型性与机加工性等。虽然铜在钢中具有许多优良的作用，但当铜在钢中的含量达到一定数量时，在钢加热到一般的热加工温度时，会产生明显的热脆倾向，因此，钢中铜的加入受到限制，长期以来它在结构钢中只用作抗腐蚀元素。但当钢中铜含量低于0.6wt％时，无明显的强化作用，只有铜的含量大于0.75wt％时，其强化作用才能显现。随着现代冶金技术的进步，钢材合金成分控制精度大大提高，杂质元素含量明显下降，钢质越来越纯净，含铜合金化钢热加工后，经过时效处理，细小而弥散分布的析出物能使强度水平大幅度提高，同时高纯净的基体和高塑性的析出物颗粒保证了钢的高强韧性。此外，可通过特定的热处理与析出行为的配合来细化钢的组织，以进一步提高钢材性能。

杨岩、程世长等研究了铜含量对超级304H钢持久性能的影响，对铜在钢中的作用机理进行了探讨。他们用真空感应炉的二次熔炼工艺获得钢锭，然后加热到1100℃锻成14mm x14mm的方坯和直径15mm的圆棒，通过固溶及时效工艺，进行持久强度和持久塑性的测试。结果表明：随铜含量的增加，钢的持久强度增加，在4wt.％时强度和塑性均达到最高。钢中的主要强化相为富铜相、M₂₃C₆、MC、M₆C。在时效过程中，固溶于奥氏体基体的铜以细小弥散球状的富铜相形式析出，形成富铜强化相。日本住友金属公司认为超级304H钢的铜含量应该在2.5％-3.5wt.％，最佳值为3.0％。李岩、宋波等等指出含MnS的Fe-8.13％Cu合金在1600℃淬火时，硫化锰能够为铜提供异质形核核心，形成铜外包硫化锰的复合夹杂物。

刘正东及程世长等人申请了发明专利《蒸汽温度超超临界火电机组用钢及制备方法》，申请号2012105744451，提出了一种蒸汽温度超超临界火电机组用钢及制备方法，属于耐热钢技术领域。优点在于，可用于650℃蒸汽参数超超临界火电机组的G115钢及其大口径锅炉管制备，室温力学性能、冲击性能、高温力学性能和持久性能均远远高于GB5310和ASME标准中的P92钢。

目前已有的材料及制备技术中，存在的主要问题是：由于富铜纳米相在基体中分布不均匀，也不能有效控制纳米相的析出，不能均匀制备高强度、抗氧化、焊接和加工性能均良好的强化钢。因此，需要开发一种具有异质形核的高温强度钢及其制备方法。

发明内容

本发明提供了一种添加纳米粒子的含铜强化钢及制备方法，具有异质形核的高温强化钢适合冷热加工成零部件、锻件、铸件等，应用广泛。

本发明采用的技术方案如下：