[发明专利]一种奥氏体耐热钢及其热处理工艺

说明书

一种奥氏体耐热钢及其热处理工艺，通过调整Si、Ti、C含量，并向合金中加入少量的Nb元素，获得沿晶界分布的颗粒状NbC，并通过热处理将其尺寸限制在较低范围内。按照本发明获得的材料碳化物占晶界比例90％以上，其中NbC主要沿晶界分布，且其尺寸不超过5微米。利用该工艺制备的合金具有良好的组织稳定性，室温硬度180HV以上，并具备良好的抗氧化与抗腐蚀性能，在750℃下氧化500h增重不超过4.0g/m²，750℃水蒸汽氧化1000h增重不超过6.0g/m²，750℃烟气环境(N₂‑15％CO₂‑3.5％O₂‑0.1％SO₂)中500h的腐蚀增重低于25g/m²。

技术领域

本发明属高温用合金钢领域，具体涉及一种奥氏体耐热钢及其热处理工艺，特别适用于高温低应力工况下长期使用的部件，如超超临界机组再热器、乙烯裂解生产中的制氢转化炉管等，同样也可应用于一些温度较低的部件，例如核电机组压水堆蒸汽发生器管热管等。

背景技术

Incoloy 800合金具备较高的Cr含量而具备了良好的抗氧化与抗腐蚀性能，因而在各个行业获得广泛应用，例如其在石化行业中被用作换热管以及对应力腐蚀开裂有较高要求的部件，在核电机组中被用作蒸汽发生器管，在石油加工领域被用作空气冷却换热管等。在这些服役工况条件下，合金表面可形成一层完整致密的氧化铬层，从而使其具备了优异的抗氧化与抗腐蚀能力。

然而，Incoloy 800合金高温力学性能相对较低，因而其在较高温度下的应用已逐渐被新材料所取代。近年来，人们在采用Nb元素替换Incoloy 800合金中的Ti而开发出了23Cr32NiNb合金(ASTM:A 351-03Grade CT 15C)，使材料获得更加优异的高温持久性能以及高温塑性，并已成为制氢转化炉管的首选材料之一。但是，这一材料在使用过程中暴露出组织不稳定的问题。合金中的NbC会与Si元素反应而向G相转变，并最终导致大块的G相存在于材料的晶界处，对合金塑性造成不利影响。并且NbC向G相转变过程中还会伴随着G相与基体界面贫Ni，造成此处强度弱化，对材料的高温力学性能造成进一步的不利影响。

近年来，高温合金中NbC向G相转变已经引起了广泛重视，目前主要采取向合金中加入稳定NbC的元素以延缓其向G相的转变，例如在HP40Nb合金基础上添加少量的Ti，但其对抑制NbC转变的效果尚存在争议。此外也可通过限制合金中Si元素含量的方法抑制G相的形成，例如在Inconel 740合金的基础上将Si含量从0.5％降至0.15％以下，有效抑制了G相的产生，使材料的持久强度性能获得了一定得改善。但是，Si含量的降低也将对于材料在较高温度或水蒸气环境下的抗腐蚀性能带来不利影响。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种奥氏体耐热钢及其热处理工艺，获得一种组织稳定，抗腐蚀性能良好的可适用于高温低应力工况的新型奥氏体耐热钢。

为了实现以上发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种奥氏体耐热钢，该耐热钢各元素质量百分数满足C：≤0.10％，Cr：20～25％，Ni：30～35％，Mn：≤0.7％，Si：≥1.5％，Nb：0.3～0.7％，Mo：≤2.5％，W：1.0～3.5％，Ti：≤0.3％，Al：≤1.0％，B：≤0.005％，Re：≤0.15％，余量为Fe；其中Nb、Ti、C、Si元素的质量百分数还满足如下条件：

(Nb+Ti)/C≤7.0；

(Nb+Ti)/Si≤0.4。

本发明进一步的改进在于，该耐热钢铸态组织由奥氏体与晶界NbC组成，其中NbC主要以杆状形态不连续分布于奥氏体晶界处，且其体积分数不超过5.0％。