本發(fā)明涉及一種奧氏體耐熱鋼，尤其涉及一種高持久強(qiáng)度抗蒸汽腐蝕的奧氏體耐熱鋼，屬于奧氏體不銹鋼技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電力對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要性不言而喻，而我國(guó)當(dāng)前總發(fā)電量的80%來(lái)自燃煤火力電站。在這樣的技術(shù)背景下，燃煤火力電站的建設(shè)維護(hù)等工作顯得尤為重要。為了提高燃煤的轉(zhuǎn)化效率，耐高熱的系統(tǒng)建設(shè)就成為了重要的突破口，尤其體現(xiàn)在600℃超超臨界鍋爐用高溫材料的研究。我國(guó)于2006年12月第一臺(tái)600℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。此后我國(guó)大力發(fā)展600℃超超臨界機(jī)組，至今已超過(guò)100臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)，在世界超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組總量上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
目前廣泛使用的三種耐熱不銹鋼分別是tp347h、super304h和hr3c。tp347h為18cr-9ni-nb，super304h為18cr-9ni-3cu-0.5nb-n，hr3c為25cr-20ni-nb-n。在650℃下累積試驗(yàn)105小時(shí)，tp347h、super304h和hr3c的持久強(qiáng)度分別為89.6mpa、104mpa和98.1mpa。super304h在650℃下的持久強(qiáng)度最好，但是在抗氧化腐蝕性能上并不是最優(yōu)的；hr3c在650℃下的持久強(qiáng)度雖然只有98.1mpa，但它的抗氧化腐蝕性能在這三者中是最好的。也就是說(shuō)要設(shè)計(jì)出一種既具有高溫下的高持久強(qiáng)度、又具有高耐腐蝕性的奧氏體耐熱不銹鋼是非常困難的。
授權(quán)公告號(hào)為cn103643171b的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，公開(kāi)了一種復(fù)合強(qiáng)化22/15鉻鎳型高強(qiáng)抗蝕奧氏體耐熱鋼。它的化學(xué)成分為：cr20~25wt%,ni12~18wt%,cu2~5wt%,n0.2~0.8wt%,c0.02~0.10wt%,nb0.2~1.0wt%,si＜1wt%,mn＜2wt%,s＜0.03wt%,p＜0.03wt%,b0.001~0.008wt%,余量為fe。該鋼種具有良好的長(zhǎng)期高溫時(shí)效后的沖擊韌性，能用作600℃等級(jí)超超臨界鍋爐過(guò)熱器/再熱器的管道材料；但是在更高等級(jí)的高效超超臨界機(jī)組上不能適用。
當(dāng)前，更高設(shè)計(jì)參數(shù)31mpa，600℃/620℃/620℃的高壓鍋爐已經(jīng)問(wèn)世。中國(guó)電力顧問(wèn)集團(tuán)公司準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)35mpa等級(jí)（32-38mpa），650℃等級(jí)（630-670℃）的新型高效超超臨界機(jī)組。這將更大程度地提高火力發(fā)電時(shí)燃煤的轉(zhuǎn)化效率。而高持久強(qiáng)度抗蒸汽腐蝕的奧氏體耐熱鋼就成為了需要重點(diǎn)突破的耐熱材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決上述技術(shù)問(wèn)題，從而提供一種高持久強(qiáng)度抗蒸汽腐蝕的奧氏體耐熱鋼。該奧氏體耐熱鋼用作蒸汽輸送管的材料，在650℃35mpa的高溫高壓蒸汽環(huán)境下正常工作，并使該蒸汽輸送管保持良好的沖擊韌性。
本發(fā)明解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案如下：
一種高持久強(qiáng)度抗蒸汽腐蝕的奧氏體耐熱鋼，包括以下成分：cr21~24.5wt%,ni10~16.5wt%,cu2.5~4.0wt%,nb0.2~1.0wt%,mo0.15~0.6wt%,v0.10~0.45wt%,以及不可避免的雜質(zhì)，余量為fe。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述奧氏體耐熱鋼還包括以下成分：n0.18~0.45wt%,c0.04~0.12wt%。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述奧氏體耐熱鋼還包括以下成分：mn＜1.5wt%。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述奧氏體耐熱鋼還包括以下成分：b0.001~0.008wt%。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述奧氏體耐熱鋼還包括稀土元素，稀土含量0.01~0.080wt%。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述不可避免的雜質(zhì)包括：si＜0.8wt%,s＜0.015wt%,p＜0.035wt%,bi＜0.025wt%,as＜0.025wt%,pb＜0.025wt%,sn＜0.025wt%,sb＜0.025wt%。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述奧氏體耐熱鋼的組成為：cr22~24.5wt%,ni12~16.5wt%,cu2.7~4.0wt%,n0.20~0.40wt%,c0.04~0.09wt%,nb0.2~0.8wt%,v0.10~0.35wt%,si＜0.7wt%,mn＜1.2wt%,s＜0.010wt%,p＜0.030wt%,mo0.15~0.5wt%,b0.001~0.006wt%,bi＜0.020wt%,as＜0.020wt%,pb＜0.020wt%,sn＜0.020wt%,sb＜0.020wt%,余量為fe。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述奧氏體耐熱鋼的組成為：cr22~23.5wt%,ni14~16.5wt%,cu2.7~4.0wt%,n0.20~0.35wt%,c0.06~0.09wt%,nb0.3~0.6wt%,v0.10~0.30wt%,si＜0.6wt%,mn＜1.0wt%,s＜0.008wt%,p＜0.028wt%,mo0.20~0.50wt%,b0.002~0.006wt%,bi＜0.018wt%,as＜0.018wt%,pb＜0.018wt%,sn＜0.018wt%,sb＜0.018wt%,余量為fe。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述奧氏體耐熱鋼的組成為：cr22~23.5wt%,ni14.5~16wt%,cu2.7~3.7wt%,n0.20~0.30wt%,c0.06~0.07wt%,nb0.40~0.50wt%,v0.15~0.25wt%,si0.3~0.6wt%,mn0.5~0.8wt%,s＜0.005wt%,p＜0.025wt%,mo0.3~0.4wt%,b0.002～0.004wt%,bi＜0.015wt%,as＜0.015wt%,pb＜0.015wt%,sn＜0.015wt%,sb＜0.015wt%,余量為fe。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，bi、as、pb、sn、sb五項(xiàng)元素總和＜0.05wt%。
在不銹鋼的形成過(guò)程中，有兩種相反的力量同時(shí)作用：鐵素體元素不斷形成鐵素體，奧氏體元素不斷形成奧氏體。最終的晶體結(jié)構(gòu)取決于兩類(lèi)添加元素的相對(duì)量。本發(fā)明上述技術(shù)方案中，在成分設(shè)計(jì)方面主要考慮了如下因素：
鎳：鎳在不銹鋼中的主要作用是改變鋼的晶體結(jié)構(gòu)，形成奧氏體晶體結(jié)構(gòu)，從而改善塑性、韌性等。普通碳鋼的晶體結(jié)構(gòu)稱(chēng)為鐵素體，呈體心立方（bcc）結(jié)構(gòu)，加入鎳，促使晶體結(jié)構(gòu)從體心立方（bcc）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎剑╢cc）結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為奧氏體。因此鎳是保證形成奧氏體的重要元素。
鉻：是鐵素體形成元素，鉻與氧結(jié)合能生成耐腐蝕的三氧化二鉻，是保持耐腐蝕性的基本元素之一。鉻與鎳的合理配比，既能保證不銹鋼的抗氧化腐蝕性能，又能保證較高的高溫強(qiáng)度，是奧氏體耐熱不銹鋼的基礎(chǔ)元素。同時(shí)，鉻還能與c、n元素形成碳化物、碳化物或者碳氮化物，在晶內(nèi)析出，起到第二相強(qiáng)化的效果；亦可在晶界析出，起到釘扎晶界的作用，使材料獲得良好的強(qiáng)度。
銅：在鉻鎳奧氏體鋼中形成納米富cu相析出強(qiáng)化的一個(gè)非常重要的元素，由于大量富cu相的彌散分布均勻析出強(qiáng)化而造成優(yōu)異的強(qiáng)化效果。super304h奧氏體鋼中，cu含量在3wt%，能夠析出富cu相強(qiáng)化；在本發(fā)明sp22/15型高鉻鎳奧氏體鋼中，也能產(chǎn)生富cu相析出強(qiáng)化，并且強(qiáng)化效果明顯優(yōu)于super304h（cu3wt%）。
鈮：具有一定的固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)也是強(qiáng)碳化物、氮化物、碳氮化物形成元素，能提高鋼的耐晶間腐蝕能力，主要是與c和n形成穩(wěn)定細(xì)小的時(shí)效析出nb(c,n)型mx相而產(chǎn)生良好的強(qiáng)化效果。
鉬：強(qiáng)碳化物形成元素，所形成的碳化物極為穩(wěn)定，能阻止奧氏體加熱時(shí)的晶粒長(zhǎng)大，減少鋼的過(guò)熱敏感性，另外鉬元素能使鈍化膜更致密牢固，從而有效提高不銹鋼的耐蝕性。
釩：釩和碳、氮、氧有極強(qiáng)的親和力，并與之形成相應(yīng)的穩(wěn)定化合物，釩在不銹鋼中主要以碳化物的形式存在，其主要作用是細(xì)化鋼的組織和晶粒。
碳：強(qiáng)奧氏體形成元素，會(huì)形成nb(c,n)型mx相析出強(qiáng)化，既能提高鋼的強(qiáng)度，又能穩(wěn)定奧氏體組織，但對(duì)耐腐蝕性有不利的影響。因此，碳含量需要控制在一定范圍內(nèi)。
氮：強(qiáng)奧氏體形成元素，與碳有類(lèi)似的作用，是一種間隙原子。在奧氏體中不銹鋼中加入氮，可以穩(wěn)定奧氏體組織、提高強(qiáng)度，并且提高耐腐蝕性，特別是耐局部腐蝕如晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕等，并且不顯著損害鋼的塑性和韌性，因此可以用來(lái)替代部分鎳，從而使得本發(fā)明sp22/15奧氏體耐熱鋼的鎳含量降至15wt%左右。n與nb形成穩(wěn)定細(xì)小的納米析出相，即nb(c,n)型mx相和nbcrn相，nbcrn相具有良好的熱穩(wěn)定性，可以提高材料的高溫強(qiáng)度。
硅：是不銹鋼中不可避免的常存雜質(zhì)元素，過(guò)高的硅含量會(huì)促進(jìn)脆性的σ相形成或富硅的g相在晶界析出。
錳：錳是弱的奧氏體形成元素，但是具有強(qiáng)烈的穩(wěn)定奧氏體作用。有研究表明，在鎳鉻不銹鋼中，隨著錳含量的增加，不銹鋼的強(qiáng)度提高。錳在鎳鉻不銹鋼中對(duì)s硫有較強(qiáng)的親和力，有利于消除硫的有害作用。但進(jìn)一步研究表明，錳在不銹鋼中正是由于硫化錳的形成導(dǎo)致耐氯化物點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕的能力下降。因此，需要控制錳的含量。在鉻鎳不銹鋼中，錳含量一般規(guī)定不超過(guò)2wt%，正常生產(chǎn)中多控制在1.5wt%左右。本發(fā)明要求把錳含量降低到了1.0wt%以下，實(shí)際控制在0.5wt%左右。
硫：硫是不銹鋼中一種有害雜質(zhì)元素，主要是降低奧氏體不銹鋼的熱塑性，影響熱加工性，降低耐腐蝕性，特別是對(duì)熱塑性不利。因?yàn)榱蚱劬Ы?，降低晶界結(jié)合力，致使高溫持久強(qiáng)度降低。一般的鎳鉻不銹鋼通常會(huì)將硫控制在0.03wt%以下。本發(fā)明要求控制在0.015wt%以下，而實(shí)際控制在0.005wt%以下。
稀土元素：有明顯的脫氧脫硫作用，隨著鋼中稀土元素的增加，會(huì)降低氧硫含量，微量的稀土具有強(qiáng)化晶界作用，提高鋼的高溫?zé)崴苄浴?/p>
磷：磷是不銹鋼中一種有害的雜質(zhì)元素，特別高時(shí)會(huì)使奧氏體不銹鋼產(chǎn)生一定的脆性。
硼：硼是一種對(duì)強(qiáng)化晶界有利的微量元素。硼偏聚晶界一方面能控制晶界m23c6碳化物的形貌，另一方面硼有強(qiáng)化晶界的作用而增加鋼的持久強(qiáng)度。但是過(guò)量的硼會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的硼化物共晶反而削弱晶界結(jié)合力。
鉛pb：低熔點(diǎn)物質(zhì)，有害元素，盡可能降低。
錫sn：低熔點(diǎn)物質(zhì)，有害元素，盡可能降低。
砷as：低熔點(diǎn)物質(zhì)，有害元素，盡可能降低。
銻sb：低熔點(diǎn)物質(zhì)，有害元素，盡可能降低。
鉍bi：低熔點(diǎn)物質(zhì)，有害元素，盡可能降低。
綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：
1、本發(fā)明是全新設(shè)計(jì)的一種具有在高溫下具有高持久強(qiáng)度的并具有良好耐蒸汽腐蝕性能的奧氏體耐熱不銹鋼，由于本發(fā)明的鋼種鉻含量在22wt%左右，鎳含量在15wt%左右，同時(shí)為了跟現(xiàn)有鋼種tp347h、super304h、hr3c、22/15奧氏體耐熱鋼進(jìn)行區(qū)分，命名為sp22/15。經(jīng)檢測(cè)，現(xiàn)有技術(shù)的鋼種中，22/15奧氏體耐熱鋼與本發(fā)明鋼種sp22/15在綜合性能上最為接近，故用22/15奧氏體耐熱鋼做對(duì)比。本發(fā)明鋼種sp22/15相比22/15奧氏體耐熱鋼具有相似的含鎳量和含鉻量，但具有更好的高溫持久強(qiáng)度和抗高溫蒸汽腐蝕性，從而使得本發(fā)明鋼種相比22/15奧氏體耐熱鋼具有更好的市場(chǎng)前景。本發(fā)明可以全面替代22/15奧氏體耐熱鋼，并且還能適應(yīng)22/15奧氏體耐熱鋼不能適應(yīng)的一些苛刻條件，比如在650℃35mpa的高溫高壓蒸汽環(huán)境下正常工作，并保持良好的沖擊韌性。
2、本發(fā)明采用多種復(fù)合強(qiáng)化相（mx相、nbcrn相、富cu相）共同析出復(fù)合強(qiáng)化的方案，使得本發(fā)明鋼種sp22/15具有高溫下的高持久強(qiáng)度和耐腐蝕性；本發(fā)明采用了鈮、鉬、釩三種微合金化處理，來(lái)細(xì)化鋼的組織和晶粒，阻止奧氏體加熱時(shí)的晶粒長(zhǎng)大，進(jìn)一步提高奧氏體耐熱鋼在高溫下的持久強(qiáng)度；同時(shí)與之形成相應(yīng)的穩(wěn)定化合物，能使鈍化膜更致密牢固，進(jìn)一步提高提高本發(fā)明鋼種sp22/15的耐蝕性。
3、本發(fā)明還添加了適量的b以控制晶界m23c6碳化物的形貌，并強(qiáng)化晶界，從而進(jìn)一步增加本發(fā)明鋼種sp22/15的持久強(qiáng)度。
4、本發(fā)明還公開(kāi)了通過(guò)添加適量的稀土元素，利用稀土元素對(duì)硫元素的強(qiáng)烈親和作用進(jìn)行脫硫，從而降低硫元素所帶來(lái)的塑性降低。
具體實(shí)施方式
本具體實(shí)施方式僅僅是對(duì)本發(fā)明的解釋?zhuān)⒉皇菍?duì)本發(fā)明的限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)之后所做的任何改變只要在權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)，都將受到專(zhuān)利法的保護(hù)。
根據(jù)本發(fā)明的成分范圍，對(duì)本發(fā)明奧氏體耐熱鋼做了多組實(shí)施例。具體如下：
實(shí)施例一
cr21wt%,ni10wt%,cu2.5wt%,n0.18wt%,c0.04wt%,nb0.20wt%,v0.10wt%,mo0.15wt%,si0.6wt%,mn0.8wt%,s＜0.01wt%,p＜0.025wt%,b0.003wt%,bi＜0.015wt%,as＜0.015wt%,pb＜0.015wt%,sn＜0.015wt%,sb＜0.015wt%,余量為fe；且bi、as、pb、sn、sb五項(xiàng)元素總和＜0.05wt%。
實(shí)施例二
cr23wt%,ni15.5wt%,cu3.6wt%,n0.25wt%,c0.07wt%,nb0.50wt%,v0.12wt%,mo0.15wt%,si0.3wt%,mn0.6wt%,s＜0.005wt%,p＜0.025wt%,b0.002wt%,bi＜0.015wt%,as＜0.015wt%,pb＜0.015wt%,sn＜0.015wt%,sb＜0.015wt%,余量為fe
實(shí)施例三
cr22.5wt%,ni15wt%,cu3.5wt%,n0.25wt%,c0.07wt%,nb0.45wt%,v0.20wt%,mo0.35wt%,si0.3wt%,mn0.7wt%,s＜0.005wt%,p＜0.025wt%,b0.003wt%,bi＜0.015wt%,as＜0.015wt%,pb＜0.015wt%,sn＜0.015wt%,sb＜0.015wt%,余量為fe。
實(shí)施例四
cr24wt%,ni16wt%,cu3.7wt%,n0.40wt%,c0.10wt%,nb0.8wt%,v0.35wt%,mo0.5wt%,si0.6wt%,mn1.0wt%,s＜0.010wt%,p＜0.030wt%,b0.006wt%,bi＜0.020wt%,as＜0.020wt%,pb＜0.020wt%,sn＜0.020wt%,sb＜0.020wt%,余量為fe。
實(shí)施例五
cr24.5wt%,ni16.5wt%,cu4wt%,n0.45wt%,c0.12wt%,nb1.0wt%,v0.45wt%,mo0.6wt%,si0.7wt%,mn1.3wt%,s＜0.015wt%,p＜0.035wt%,b0.008wt%,bi＜0.025wt%,as＜0.025wt%,pb＜0.025wt%,sn＜0.025wt%,sb＜0.025wt%,余量為fe。
實(shí)施例六
cr23.5wt%,ni15wt%,cu3.5wt%,n0.30wt%,c0.07wt%,nb0.50wt%,v0.25wt%,mo0.4wt%,si0.6wt%,mn0.8wt%,ce0.05wt%,s＜0.005wt%,p＜0.025wt%,b0.004wt%,bi＜0.015wt%,as＜0.015wt%,pb＜0.015wt%,sn＜0.015wt%,sb＜0.015wt%,余量為fe。
對(duì)比例一
該例為hr3c鋼種，具體成分如下：
cr25wt%,ni20wt%,n0.20wt%,c0.06wt%,nb0.45wt%,si0.4wt%,mn1.2wt%,s＜0.01wt%,p＜0.03wt%,還包括一些不可避免的雜質(zhì)；余量為fe。
對(duì)比例二
該例為super304h鋼種，具體成分如下：
cr18wt%,ni9wt%,cu3wt%,nb0.5wt%,n1.0wt%,還包括一些不可避免的雜質(zhì)；余量為fe。
對(duì)比例三
該例為tp347h鋼種，具體成分如下：
cr18wt%,ni9wt%,nb1.0wt%,還包括一些不可避免的雜質(zhì)；余量為fe。
對(duì)比例四
該例為22/15鋼種，具體成分如下：
cr22.7wt%,ni14.4wt%,cu3.33wt%,nb0.42wt%,c0.045wt%,n0.20wt%,mn1.2wt%,si0.64wt%,p0.009wt%,s＜0.003wt%,b0.003wt%,還包括一些不可避免的雜質(zhì)；余量為fe。
下表為持久性能數(shù)據(jù)
從上表可以看出，本發(fā)明鋼種sp22/15與三種商用鋼相比具有非常優(yōu)異的持久性能數(shù)據(jù)，相比22/15也有一定的優(yōu)勢(shì)。
上述四種現(xiàn)有鋼中，以22/15的綜合性能為最佳。下表為本發(fā)明鋼種sp22/15與22/15經(jīng)650℃/1000h長(zhǎng)期時(shí)效后沖擊功（j）的比較
從上表可以看出，本發(fā)明鋼種sp22/15與現(xiàn)有鋼22/15相比，在650℃的高溫，35mpa的蒸汽壓力下，本發(fā)明鋼種sp22/15經(jīng)長(zhǎng)期高溫時(shí)效后仍能保持相當(dāng)高的沖擊韌性，相比22/15鋼具有一定的優(yōu)勢(shì)。