一种新型氮化物强化马氏体耐热钢制造技术

本发明专利技术提供了一种新型氮化物强化马氏体耐热钢，其特征在于：所述马氏体耐热钢的主要合金成分（重量百分比）为Mn：0.8～1.5%；Cr:8.0～10.0%；W:≤1.5%；Mo:≤1.5%；且W+Mo:1.5～2.0%；Nb:≤0.06%；Ta:≤0.15%；且Nb+Ta：0.05～0.15%；V:0.1～0.3%；N:0.03~0.05%；Fe：余量；其通过增加Mn元素含量，在几乎不降低材料AC1相变点的前提下，获得由热稳定性高的氮化物析出强化的耐热钢原始马氏体组织，且通过控制钢中Co、W、Mo、N等元素的含量，减缓钢在长期高温服役过程中的Laves相和Z相析出，因此可获得较高的组织稳定性，具有较好的高温力学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及铁基耐热钢
，特别提供了一种新型氮化物强化马氏体耐热钢。
技术介绍
提高蒸汽参数，发展超临界和超超临界发电技术是提高燃煤发电效率，减少碳排放的有效措施，目前已在全世界范围内得到大力发展。随着蒸汽参数的提高，对其关键部件(如主蒸汽管道)用耐热结构材料提出了更加苛刻的要求。目前，电站用先进铁素体/马氏体耐热钢主要有T/P91、T/P92、P122等。国外对先进铁素体/马氏体耐热钢(如T/P91、T/P92、P122等)进行了高温长时实验研究，如图I所示，并研究了在该条件下材料的组织与力学性能的关系。结果表明，随着服役时间的增加，高合金化的耐热钢的强度一断裂时间曲线上出现一个强度陡降区域，即图2中的中应力区。这个陡降区域正是造成目前国际上高估P92、P122等先进铁素体/马氏体耐热钢长时(如10万小时)持久强度的原因。一般用短时实验数据推测长时持久寿命，均采用直线外推法进行，而此强度陡降区域的存在使得常用的直线外推存在较大的误差。例如P92钢600°C 10万小时的持久强度，日本新日铁给出的外推值为132MPa，并依此制定了 ASME标准；而欧洲蠕变委员会根据其更长时间的实验结果给出的外推值为115MPa。因而使得各使用P92材料建造的超临界电厂不得不降低参数运行，造成了极大的经济损失。进一步的研究表明，耐热钢组织失稳是造成中应力区强度陡降的主要原因。因此如何获得组织稳定性高的铁素体/马氏体耐热钢是提高耐热钢长时高温条件下力学性能的关键。对于铁素体/马氏体耐热钢，由于耐热钢在高温服役条件下的特殊性和组织演变的复杂性，提高其长时高温条件下的组织稳定性需要如下两个层次的理解。第一，原始组织要具有较高的稳定性。传统先进铁素体/马氏体耐热钢的正火+回火态的原始组织结构如图3所示，主要为马氏体基体上分布着析出相(碳化物和氮化物)。其中析出相主要有M23C6型和MX型，M23C6型主要是(Cr，Fe)23C6, MX型析出相主要为NbC、VC、NbN, VN、TaN等。其中M23C6型析出相主要分布于马氏体基体的原奥氏体晶界和板条界上，而MX型析出相主要分布于板条内。然而在满足理想的化学配比条件下，碳化物和氮化物的热稳定性是不同的，氮化物的热稳定性要普遍高于碳化物的热稳定性。基于这一理念，日本研究学者设计了氮化物强化马氏体耐热钢的显微组织，如图4所示，并成功地开发出氮化物强化马氏体耐热钢9Cr3W3CoNbN。第二，减缓长时服役过程中钢组织中的粗大析出相，主要是Laves相和Z相的析出。Laves相主要为Fe2W和Fe2Mo,Z相主要为CrNbN。它们在钢的服役过程中易于粗化，尺寸均较大，对稳定组织作用较小。随着其尺寸的长大，反而会分别消耗钢中有效的W、Mo固溶元素含量和氮化物，诱发蠕变孔洞，因此必须尽量延缓它们的析出。然而日本学者研发的氮化物强化马氏体耐热钢9Cr3W3CoNbN存在一个致命的缺点，就是钢中为了抑制由于碳含量的降低而形成S铁素体所加入的大量Co、W元素。但Co元素作为非Laves相形成元素，会强烈促进Laves相的粗化，而W元素作为Laves相的形成元素，也会促进Laves相的析出和粗化。钢中粗大的Laves相会诱发螺变空洞,损害材料的高温性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型氮化物强化马氏体耐热钢，以解决以往马氏体耐热钢耐高温组织稳定性差的问题。本专利技术提供了一种新型氮化物强化马氏体耐热钢，其特征在于所述马氏体耐热钢的主要合金成分(重量百分比)为Mn :0. 8 I. 5% ；Cr: 8. 0 10. 0% ；ff: ( I. 5% ；Mo:(I. 5% ;且 W+Mo: I. 5 2. 0% ；Nb: ( 0. 06% ；Ta: ( 0. 15% ;且 Nb+Ta 0. 05 0. 15% ；V:0. I 0. 3% ；N: 0. 03 0. 05% ；Fe :余量。其中，所述的马氏体耐热钢还可以含有以下成分(重量百分比)为C :彡0. 005% ； Si 0. 5% ；S: ^O. 005% ；P: ^ 0. 005% ；Co: ^ I. 5% ；0:彡 0.0010% ;Ni: ^ 0. 01% ；A1:<0. 01% ；Ti: <0. 005% ；Cu:〈0.01%。本专利技术提供的新型氮化物强化马氏体耐热钢，其成分V的重量百分比优选为0. 15 0. 3%，成分Mo的重量百分比优选为Mo:彡0. 5%。本专利技术提供的新型氮化物强化马氏体耐热钢，具有以下的特征 (I)降低马氏体耐热钢中的碳含量到极低水平(彡0. 005%)以抑制钢中碳化物的形成；当马氏体耐热钢中的碳含量降低到极低水平后，马氏体耐热钢中不再形成碳化物，而获得完全的氮化物析出强化组织。(2)马氏体耐热钢中加入Nb、Ta、V等元素形成氮化物； 因为Ti与N的结合力极强，因此钢中应严格控制Ti元素的含量，以免在高氮含量的情况下形成TiN夹杂。而主要加入Nb、Ta、V等元素以形成热稳定性高的氮化物析出相。(3)提高马氏体耐热钢中锰含量至0. 8 I. 5% 增加钢中的Mn含量到0.8 1.5%，可以有效抑制5铁素体的形成，保证获得全部马氏体组织。Mn元素相比于Co、W元素在抑制8铁素体形成的作用上有两个优点第一，Mn元素不会促进钢中Laves相和Z相的形成；第二，Mn元素的加入量控制在这个范围内，不会大幅降低材料的Aa相变点。(4)马氏体耐热钢中S含量必须极低，控制在20ppm以下； 由于马氏体耐热钢中锰含量的提高，易与S形成MnS夹杂，既损害材料的高温性能，又减少了固溶锰的作用。(5)马氏体耐热钢中Co、(ff+Mo)含量分别控制在I. 5%和2. 0%以下 为了减缓马氏体耐热钢在长期高温服役过程中的Laves相析出，从析出动力学角度上看,必须降低钢中的Co、W、Mo含量。(6)马氏体耐热钢中N含量控制在0. 05%以下； 为了减缓马氏体耐热钢在长期高温服役过程中的Z相析出，从析出动力学角度上看，必须在保证Nb、Ta、V等元素形成氮化物的前提下，尽量降低马氏体耐热钢中的N含量。本专利技术提供的马氏体耐热钢的具体制备方法为常规的真空冶炼，其中，具体的热处理工艺为正火+回火，实验中用到的冲击和拉伸试样，其正火温度为980± 10°C，回火温度为750±10°C ;且马氏体耐热钢在正火状态下为全部的马氏体组织，组织中无碳化物析出，只有极为细小的氮化物在原奥氏体晶界和板条界上析出。本专利技术提供的新型氮化物强化马氏体耐热钢，是一种极为新颖的新型马氏体耐热钢材料，可作为重要的耐热结构钢材料用于各高效发电厂，如超超临界火电厂、核电站等。本专利技术提供的新型氮化物强化马氏体耐热钢，通过增加Mn元素含量，在几乎不降低材料Aa相变点的前提下，获得由热稳定性高的氮化物析出强化的耐热钢原始马氏体组织，且通过控制钢中Co、W、Mo、N等元素的含量，减缓钢在长期高温服役过程中的Laves相和Z相析出，因此可获得较高的组织稳定性，具有较好的高温力学性能。附图说明图I为各先进铁素体耐热钢长时持久实验结果； 图2为先进铁素体耐热钢持久曲线上的三个区域； 图3为传统马氏体耐热钢的显微组织示意 图4为本专利技术中新本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型氮化物强化马氏体耐热钢，其特征在于：所述马氏体耐热钢的主要合金成分（重量百分比）为Mn：0.8～1.5%；Cr:？8.0～10.0%；W:？≤1.5%；Mo:？≤1.5%；且W+Mo:？1.5～2.0%；Nb:？≤？0.06%；Ta:？≤0.15%；且Nb+Ta：0.05～0.15%；V:？0.1～0.3%；N:？0.03~0.05%；Fe：余量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：严伟，邓利芬，胡平，王威，单以银，杨柯，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：