耐熱影響區(qū)軟化性能優(yōu)良的馬氏體耐熱鋼及其制造方法技術(shù)

一種具有優(yōu)良耐ＨＡＺ－軟化特性的馬氏體耐熱鋼，包括（以質(zhì)量％計）：０．０１－０．３０％的Ｃ，０．０２－０．８０％的Ｓｉ，０．２０－１．００％的Ｍｎ，５．００－１８．００％的Ｃｒ，０．００５－１．００％的Ｍｏ，０．２０－３．５０％的Ｗ，０．０２－１．００％的Ｖ，０．０１－０．５０％的Ｎｂ，０．０１－０．２５％的Ｎ，不超過０．０３０％的Ｐ，不超過０．０１０％的Ｓ，不超過０．０２０％的Ｏ，至少一種選自由Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ和Ｈｆ組成一組的元素（每種元素的量為０．００５－２．０％），以及余量的鐵和不可避免的雜質(zhì)，在鋼的回火馬氏體結(jié)構(gòu)中，（Ｔｉ％＋Ｚｒ％＋Ｔａ％＋Ｈｆ％）在析出的Ｍ↓［２３］Ｃ↓［６］型碳化物的金屬組分Ｍ中的量為５－６５％。（*該技術(shù)在2014年保護過期，可自由使用*）

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種馬氏體的耐熱鋼，更詳細地說，涉及一種在高溫和高壓環(huán)境下使用的，耐HAZ軟化性能優(yōu)良的馬氏體耐熱鋼。近年來，熱力電廠的鍋爐已經(jīng)處于很高溫度和高壓力下工作。其中的一部分計劃要在566℃和316巴下操作。還預(yù)計其中的一些鍋爐在將來將在649℃及352巴條件下。因此，這種鍋爐的材料將在極其苛刻的條件下使用。當工作溫度超過550℃時，從耐氧化性和高溫強度來考慮，應(yīng)改變用于鍋爐的材料，例如由鐵素體2.1/4％Cr—1％Mo鋼變?yōu)楦叩燃壍膴W氏體鋼如18—8不銹鋼。因此，現(xiàn)在使用的都是些高等級的和昂貴的材料。在過去幾十年里，人們一直在尋找介于2.1/4％Cr—1％Mo鋼和奧氏體不銹鋼之間的中等級別的鋼材。在上述要求的基礎(chǔ)上，已經(jīng)開發(fā)了含中等數(shù)量Cr的鍋爐管鋼，如9％Cr鋼或12％Cr鋼。通過添加各種合金元素作為基礎(chǔ)材料組分而產(chǎn)生的析出增強或固溶增強，使某些鋼已達到了可與奧氏體鋼相比擬的高溫強度和蠕變強度。在鋼只時效了短時間時，耐熱鋼的蠕變強度是由固溶增強來控制的，而當鋼時效了長時間以后，其蠕變強度是由析出增強來控制的。這是因為在許多情況下溶于鋼中的固溶增強元素通過時效首先析出為穩(wěn)定的碳化物如M23C6。但是，當鋼時效更長時間以后，析出物聚結(jié)粗化，結(jié)果降低了蠕變強度。因此，為了保持耐熱鋼的高蠕變強度，人們對如何使固溶增強元素在鋼中長時間地保持固溶狀態(tài)而不析出進行了許多研究。例如，日本專利未審公開Nos.63—89644，61—231139和62—297435中公開了通過添加W作為固溶增強元素的鐵素體耐熱鋼，它能達到的蠕變強度比常規(guī)的加Mo類型的鐵素體耐熱鋼高得多。這些鋼中許多都具有單相回火馬氏體相作為其結(jié)構(gòu)，并且由于它們作為具有優(yōu)良耐蒸汽氧化性的鐵素體鋼和它們的高強度，預(yù)計這些鋼可以成為用于高溫和高壓環(huán)境的新一代材料。另一方面，鐵素體耐熱材料利用含大量位錯的馬氏體結(jié)構(gòu)的高強度，或通過由奧氏體單相區(qū)向(鐵素體＋析出碳化物)相相變的超冷現(xiàn)象形成的回火結(jié)構(gòu)的高強度，(鐵素體＋析出碳化物)相是熱處理過程冷卻而形成的。因此，當該結(jié)構(gòu)進行熱循環(huán)(如重新加熱至奧氏體單相區(qū))，或當該結(jié)構(gòu)進行焊接熱作用時，高密度的位錯減緩，并且有時在焊接HAZ(熱作用區(qū))強度局部降低。尤其是在那些被重新加熱到至少為鐵素體—奧氏體相變點溫度的部分，和那些已經(jīng)加熱到靠近相變點溫度，如約900℃—1000C(對9％Cr鋼而言)，而又在短時間內(nèi)重新冷卻以經(jīng)歷馬氏體相變，但奧氏體晶粒沒有足夠生長，因此形成一種細晶粒結(jié)構(gòu)。此外，通過析出增強來增強材料強度的主要因素的M23C6型碳化物不會再溶解，而導致高溫強度降低的機制如碳化物構(gòu)成組分的變化，或碳化物的粗化，可以一起作用于該部分以成為一個軟化區(qū)。為了簡單起見，把軟化區(qū)的形成現(xiàn)象稱為“HAZ—軟化”。本專利技術(shù)人對軟化區(qū)進行了詳細研究，發(fā)現(xiàn)強度降低主要是由M23C6型碳化物中構(gòu)成元素的變化而引起。進一步的研究表明，當高強馬氏體耐熱鋼經(jīng)受焊接熱作用時，Mo或W等關(guān)鍵的固溶增強元素以較大的量溶入M23C6的構(gòu)成元素M中，并在細晶粒結(jié)構(gòu)的晶界處析出，因此在奧氏體晶粒的晶界附近形成一個Mo或W貧泛區(qū)，使蠕變強度局部下降。因此，由焊接熱作用引起的蠕變強度的降低對耐熱材料是很不好的。很明顯，現(xiàn)有技術(shù)通過熱處理和焊接不能解決這些問題。此外，很明顯一直被認為是唯一解決途徑的使焊接部分完全奧氏體化的措施，在火力電廠的建造和實施工作中沒有實用性。因此，很明顯，在常規(guī)耐熱馬氏體或鐵素體鋼中不可避免要出現(xiàn)“HAZ—軟化”現(xiàn)象。本專利技術(shù)的一個目的是克服常規(guī)鋼中的這一缺點，也就是避免在焊接HAZ因為M23C6類型的碳化物的變化和粗化而引起的局部軟化區(qū)的形成。本專利技術(shù)的另一個目的是防止在鋼材經(jīng)受焊接熱作用時，Mo或W大量溶入M23C6中。為了實現(xiàn)本專利技術(shù)的上述目的，控制了焊接HAZ中M23C6類碳化物的組成和析出物大小。為了實現(xiàn)上述目的對“HAZ—軟化”現(xiàn)象進行深入研究之后，本專利技術(shù)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Ti、Zr、Ta以及Hf各自在根據(jù)本專利技術(shù)的鋼的組分系統(tǒng)中與C有很強的親合性，并且這些元素的碳化物成了在根據(jù)本專利技術(shù)的鋼的回火馬氏體結(jié)構(gòu)中將析出的M23C6類碳化物的析出晶核，這些元素同時以固溶態(tài)溶入碳化物的金屬組分M中，當它們在金屬組分M中的固溶量在一個特定范圍內(nèi)時，焊接HAZ的蠕變斷裂強度與基體材料的蠕變斷裂強度相比，僅下降到基體材料蠕變斷裂強度的很小波動范圍內(nèi)，結(jié)果，焊接HAZ不再表現(xiàn)出“HAZ—軟化”現(xiàn)象。為實現(xiàn)本專利技術(shù)已經(jīng)研制了以下方法。首先，因為每種Ti、Zr、Ta和Hf的析出物都要求很細并適當，即所有的析出物必須變?yōu)樘蓟锖吞嫉铮虼嗽诰珶捦瓿芍昂芏虝r間內(nèi)，向處于低氧濃度狀態(tài)的鋼水中加入上述的每種元素。其次，因為要求這些Ti等元素的析出物成為要在回火馬氏體結(jié)構(gòu)中析出的M23C6析出物的晶核，并且以合適的量溶入得到的碳化物中，鋼板應(yīng)作如下處理已經(jīng)經(jīng)過固溶熱處理的鋼板在冷卻過程中再經(jīng)過一個950—1000℃溫度下的冷卻站；鋼板在該溫度下保持預(yù)定的一段時間使細的Ti等元素的碳化物充分析出。如上所述，當含有析出的細的Ti等元素的碳化物的馬氏體結(jié)構(gòu)的鋼材回火時，析出M23C6型碳化物，而Ti等元素的碳化物用作析出的晶核。M23C6碳化物和Ti、Zr、Ta和Hf的細的碳化物相互溶在一起，最后在回火馬氏體結(jié)構(gòu)中形成一種M23C6型碳化物，其中Ti、Zr、Ta和Hf以預(yù)定范圍固溶在金屬組分M中。結(jié)果，明顯提高了焊接HAZ的蠕變斷裂強度。也就是說，本專利技術(shù)提供了一種馬氏體耐熱鋼，它包括(以質(zhì)量％計)0.01—0.30％的C，0.02—0.80％的Si，0.20—1.00％的Mn，5.00—18.00％的Cr，0.005—1.00％的Mo，0.20—3.50％的W，0.02—1.00％的V，0.01—0.50％的Nb，0.01—0.25％的N，不超過0.030％的P，不超過0.010％的S，不超過0.020％的O，至少一種選自由Ti、Zr、Ta和Hf組成一組的元素(每種元素的量為0.005—2.0％)，如果需要，至少一種選自由Co、Ni和Cr組成一組的元素，其中Co和Ni每種的量為0.2—5.0％，Cu的量為0.2—2.0％，以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)，并且在回火馬氏體結(jié)構(gòu)中析出的M23C6型碳化物中，(Ti％＋Zr％＋Ta％＋Hf％)在金屬組分M中的量為5—65％。本專利技術(shù)提供了一種制造上述耐熱鋼的方法，包括以下步驟在精煉步驟完成之前10分鐘到精煉完成的期間，向鋼水中加入至少一種選自由Ti、Zr、Ta和Hf組成一組的元素，在固溶熱處理之后的冷卻過程中使該鋼在950-1000℃的一個溫度下經(jīng)歷一個暫時的冷卻站，使該鋼在該溫度下保持5至60分鐘，并使之回火。附圖說明圖1說明了焊接處一個對接槽的形狀。圖2示出了用來分析焊接HAZ的析出物的取試樣片的過程。圖3是一個示意圖，說明了Ti、Zr、Ta和Hf的添加時間與Ti、Zr、Ta和Hf在鋼中的析出物的形狀和平均粒度的關(guān)系。圖4是曲線圖，說明了固溶處理后暫時冷卻站的溫度，保溫時間，以及析出碳化物的粒度之間的關(guān)系。圖5說明了固溶處理后暫時冷卻站的溫度與在焊接HAZ中的析出物的形式和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。圖本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：藤田利夫，長谷川泰士，大神正浩，水橋伸雄，直井久，
申請(專利權(quán))人：新日本制鐵株式會社，藤田利夫，
類型：發(fā)明
國別省市：