專利名稱：一種高鋁鐵素體耐熱鋼的制作方法
技術領域：
本發明屬于鐵素體耐熱鋼技術領域，具體涉及一種高鋁鐵素體耐熱鋼。
背景技術：
為了大幅降低燃耗、節省能源、減少CO2及其它有害氣體的排放量，從而減少溫室效應和環境污染，有必要提高火電機組汽輪機的工作溫度。例如，將燃煤蒸汽輪機蒸汽的操作溫度從550 580°C提高到620 650°C，工作壓力提升到300大氣壓(atm)，可將機組的發電效率提高10%左右，帶來可觀的經濟和環保效益。然而，工作溫度的提高對耐熱鋼的高溫性能提出了更高的要求，不僅需要耐熱鋼具有足夠好的高溫抗蠕變強度，并且也要求其具有優良的高溫抗氧化/腐蝕性能。目前用于制造燃煤蒸汽輪機等高溫結構部件的鐵素體耐熱鋼都是一類Cr含量為 9 12wt%的鐵素體耐熱鋼(如P92鋼)，經適當正火和回火后使用。在620 650°C的溫度區間，這類鐵素體耐熱鋼雖然能夠具有較好的抗蠕變強度，但是抗氧化性能差，特別是抗水蒸汽氧化性能差，其表現特征是氧化時只能生成不具有防護性的表面狗203或!^e3O4氧化膜，而不能生成具有防護性的表面Cr2O3鈍化膜。另外，即便能夠通過調整成份使這類耐熱鋼具有在氧化時生成表面Cr2O3鈍化膜的能力，這樣的表面鈍化膜在高溫水蒸汽環境中的化學穩定性差，能夠水解揮發。所以它不僅在高溫水蒸汽中的防護能力差，且水解揮發物能夠沉積在蒸汽輪機或其它機械系統中溫度較低的部位，破壞系統設備。要使耐熱鋼具有抗高溫水蒸汽的性能，則需要使其具有在氧化時自生成表面Al2O3 鈍化膜的能力。目前，雖有能在高溫氧化時生成表面Al2O3鈍化膜的耐熱鋼的制造方法 (CN1179477A、US2008/0163957 Al和US7744813 B2)的技術公開，但都是奧氏體耐熱鋼，其中鎳含量高達20%以上，造價貴，并且奧氏體鋼是一類晶體結構與鐵素體鋼有本質上不同的鋼材，其導熱性能和熱膨脹性能比鐵素體鋼差。

發明內容
本發明旨在克服現有技術缺陷，目的是提出一種成本低、抗高溫氧化、抗高溫蠕變的高鋁鐵素體耐熱鋼。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是耐熱鋼化學成分及其質量百分含量是Cr 為 9 15wt%, Co 為 1 5wt%, W 為 0. 5 4wt%, Mo 為 0. 5 4wt%, Al 為 2 4wt%, Nb 為 0. 01 0. 9wt%, V 為 0. 1 0. 8wt%, C 為 0. 001 0. 08wt%, N 為 0. 001 0. 05wt%,B 為 0. 001 0. 02wt%,Si 為 0. 1 0. 4wt%,Ti 為 0. 01 0. lwt%,Ta 為 0 0. 5wt%，Re為0 0. Iwt%，余量為鐵和不可避免的雜質。其中的Re為Y或為Hf或為Ce。該高鋁鐵素體耐熱鋼的制備方法是，按所述的耐熱鋼化學成分及其質量百分含量進行配料，將其加入真空感應爐中熔煉，然后澆鑄成鋼錠，采用熱軋或熱鍛方法制成板材或棒材；再在1050 1100°C條件下正火1 1. 5小時，然后在780 800°C條件下回火1 1. 5小時，爐冷，即得高鋁鐵素體耐熱鋼。由于采用上述技術方案，本發明以鐵作為基體，往其中加入適量的Cr、Co、W、Mo、 Al、Mn、Si、Nb、V、Ta、C、N和B的合金元素，還加入Y或Hf或Ce，實現集固溶強化、Laves Fe2(W, Mo)相和M(C，N)析出相強化為一體的綜合熱強化，提高鐵素體鋼的抗高溫蠕變性能，并且使這類鐵素體耐熱鋼在高溫氧化環境中能夠自生成具有防護作用的表面Al2O3鈍化膜。使其在高溫氧化環境中，特別是在高溫水蒸汽中，具有好的高溫抗氧化性能。從而使鐵素體耐熱鋼具有抗高溫氧化和抗高溫蠕變的雙重功能。本發明所制備的鐵素體耐熱鋼與現有的鐵素體系耐熱鋼相比，具有以下優點鐵素體耐熱鋼的Al含量高，在高溫氧化環境中能夠自生成表面Al2O3鈍化膜；由于加入了微量的稀土元素，增強了表面Al2O3鈍化膜與基體的結合力，使鐵素體系耐熱鋼具有極高的抗高溫氧化性能；加入了適量的Co、W、Mo、Nb、V、Ti，Ta、C、N元素而起到了固溶強化、Laves相和M(C，N)相的析出強化的綜合強化的作用；由于加入了適量的B元素而強化了晶界和加入 Si元素而抑制了滲碳體的形成，從而使鐵素體耐熱鋼具有適用的抗高溫蠕變強度。本發明所制備的鐵素體系耐熱鋼與具有類似功能的奧氏體系耐熱鋼相比，由于未使用大量的鎳(Ni)元素，不僅制造成本低，且具有導熱性高和熱膨脹系數低的優點。因此，本發明制備的高鋁鐵素體耐熱鋼具有成本低、抗高溫氧化和抗高溫蠕變的特點。該耐熱鋼適合于高溫結構和零部件用鋼，尤其適用于制造超臨界蒸汽輪機設備和核能發電等設備。


圖1為本發明的一種鐵素體耐熱鋼與現有9_12Cr型鐵素體耐熱鋼的抗高溫氧化性能比較；圖2是本發明的一種鐵素體耐熱鋼經高溫氧化后的表面橫截面掃描電子顯微鏡照片。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的描述，并非對其保護范圍的限制。實施例1一種高鋁鐵素體耐熱鋼。其化學成分及其質量百分含量是Cr為9 llwt%， Co 為 3 4wt %，W 為 3 4wt %，Mo 為 0. 5 Iwt %，Al 為 2 2. 5wt %，Nb 為 0. 01 0. lwt%，V 為 0. 6 0. 8wt%，C 為 0. 001 0. 005wt%，N為 0. 03 0. 05wt%，B 為 0. 001 0. 005wt%, Si為0. 1 0. 3wt%, Ti為0. 01 0. 05wt%，余量為鐵和不可避免的雜質。本實施例的高鋁鐵素體耐熱鋼的制備方法是，按所述的耐熱鋼化學成分及其質量百分含量進行配料，將其加入真空感應爐中熔煉，然后澆鑄成鋼錠，采用熱軋或熱鍛的方法將其制成板材或棒材；再在1050 1100°C條件下正火1 1. 5小時，然后在780 800°C 條件下回火1 1. 5小時，爐冷，即得高鋁鐵素體耐熱鋼。實施例2一種高鋁鐵素體耐熱鋼。其化學成分及其質量百分含量是Cr為10 12wt%，C0為 4 5wt%，W為 2 3wt%，Mo 為 1 2wt%，Al 為 2. 5 3wt%，Nb 為 0. 1 0. 3wt%，V為 0. 3 0. 6wt %，C 為 0. 005 0. Olwt %，N 為 0. 01 0. 03wt %，B 為 0. 004 0. 008wt %，Si 為 0. 2 0. 3wt%，Ti 為 0. 05 0. 07wt%，Ta*0. 01 0. lwt%,Hf ^0. 001 0. 01wt%, 余量為鐵和不可避免的雜質。本實施例的高鋁鐵素體耐熱鋼的制備方法同實施例1。實施例3一種高鋁鐵素體耐熱鋼。其化學成分及其質量百分含量是Cr為12 Hwt%，C0 為 2 3wt%，W 為 1 2wt%，Mo 為 2 3wt%，Al 為 3 3. 5wt%,Nb 為 0. 3 0. 5wt%,V 為 0. 2 0. 3wt%，C 為 0. 01 0. 04wt%，N 為 0. 005 0. 01wt%，B 為 0. 008 0. 01wt%, Si 為 0. 3 0. 4wt%，Ti 為 0. 07 0. 08wt%，Ta*0. 1 0. 3wt%，Ce*0. 01 0. 06wt%, 余量為鐵和不可避免的雜質。本實施例的高鋁鐵素體耐熱鋼的制備方法同實施例1。實施例4一種高鋁鐵素體耐熱鋼。其化學成分及其質量百分含量是Cr為13 15wt%， Co 為 1 2wt %，W 為 0. 5 Iwt %，Mo 為 3 4wt %，Al 為 3. 5 4wt %，Nb 為 0. 5 0. 8wt%，V 為 0. 1 0. 2wt%，C 為 0. 04 0. 08wt%，N 為 0. 001 0. 005wt%，B 為 0. 01 0. 02wt%,Si 為 0. 3 0. 4wt%,Ti 為 0. 08 0. lwt%,Ta 為 0. 3 0. 5wt%，Y 為 0. 05 0. Iwt%，余量為鐵和不可避免的雜質。本實施例的高鋁鐵素體耐熱鋼的制備方法同實施例1。本具體實施方式
以鐵作為基體，加入適量的Cr、Co、W、Mo、Al、Mn、Si、Nb、V、Ta、C、 N和B的合金元素，還加入Y或Hf或Ce，實現集固溶強化、Laves Fe2 (W,Mo)相和M(C，N)析出相強化為一體的綜合熱強化，提高鐵素體鋼的抗高溫蠕變性能，并且使這類鐵素體耐熱鋼在高溫氧化環境中能夠自生成如圖2所示的一種具有防護作用的表面Al2O3鈍化膜。使其在高溫氧化環境中，特別是在高溫水蒸汽中具有好的高溫抗氧化性能。從而使鐵素體耐熱鋼具有抗高溫氧化和抗高溫蠕變的雙重功能。本發明的鐵素體耐熱鋼與現有的鐵素體系耐熱鋼相比，具有以下優點鐵素體耐熱鋼的Al含量高，在高溫氧化環境中能夠自生成表面Al2O3鈍化膜；由于加入了微量的稀土元素，增強了表面Al2O3鈍化膜與基體的結合力，使鐵素體耐熱鋼具有極高的抗高溫氧化性能；加入了適量的Co、W、Mo、Nb、V、Ti，Ta、C、N元素而起到了固溶強化、Laves相和M(C，N) 相的析出強化的綜合強化的作用；由于加入了適量的B元素而強化了晶界和加入Si元素而抑制了滲碳體的形成，從而使鐵素體耐熱鋼具有適用的抗高溫蠕變強度。如圖1所示的實施例1中的一種鐵素體耐熱鋼在650°C測試其抗高溫氧化性能和抗高溫蠕變性能，通過氧化增重曲線與現有9-12Cr型鐵素體耐熱鋼(P92鋼)的氧化增重曲線比較，證明本具體實施方式
的鐵素體耐熱鋼具有明顯的高的抗高溫氧化能力。另外，根據在600-680°C溫度區間里和90-150ΜΙ^應力區間內的蠕變試驗結果，利用蠕變速率、應力和溫度的之間的關系式估算不同溫度下蠕變速率為10_5% /h的抗蠕變強度，亦可證明本具體實施方式
中的鐵素體耐熱鋼具有適用的抗高溫蠕變強度，結果見表1。表1 一種鐵素體耐熱鋼的蠕變速率為10_5% /h的抗高溫蠕變強度
權利要求
1.一種高鋁鐵素體耐熱鋼，其特征在于所述的耐熱鋼化學成分及其質量百分含量是 Cr 為 9 15wt%，Co 為 1 5wt%，W 為 0. 5 ~4wt%,Mo 為 0. 5 4wt%，Al 為 2 4wt%， Nb 為 0. 01 0. 9wt%，V 為 0. 1 0. 8wt%，C 為 0. 001 0. 08wt%，N為 0. 001 0. 05wt%, B 為 0. 001 0. 02wt%, Si 為 0. 1 0. 4wt%, Ti 為 0. 01 0. lwt%, Ta 為 0 0. 5wt%, Re為0 0. Iwt %，余量為鐵和不可避免的雜質；其中的Re為Y或為Hf或為Ce。
2.如權利要求1所述的高鋁鐵素體耐熱鋼的制備方法，其特征在于按所述的耐熱鋼化學成分及其質量百分含量進行配料，將其加入真空感應爐中熔煉，然后澆鑄成鋼錠，采用熱軋或熱鍛方法制成板材或棒材；再在1050 1100°C條件下正火1 1. 5小時，然后在 780 800°C條件下回火1 1. 5小時，爐冷，即得高鋁鐵素體耐熱鋼。
全文摘要
本發明涉及一種高鋁鐵素體耐熱鋼。其技術方案是耐熱鋼化學成分及其含量是Cr為9～15wt％，Co為1～5wt％，W為0.5～4wt％，Mo為0.5～4wt％，Al為2～4wt％，Nb為0.01～0.9wt％，V為0.1～0.8wt％，C為0.001～0.0wt8％，N為0.001～0.05wt％，B為0.001～0.02wt％，Si為0.1～0.4wt％，Ti為0.01～0.1wt％，Ta為0～0.5wt％，Re為0～0.1wt％，余量為鐵和不可避免的雜質；其中的Re為Y或為Hf或為Ce。按上述的耐熱鋼化學成分及其含量進行配料，將其加入真空感應爐中熔煉，然后澆鑄成鋼錠，采用熱軋或熱鍛制成板材或棒材；在1050～1100℃正火1～1.5小時，在780～800℃回火1～1.5小時，爐冷，即得高鋁鐵素體耐熱鋼。本發明具有成本低、抗高溫氧化和抗高溫蠕變的特點。
文檔編號C22C38/32GK102268603SQ20111022372
公開日2011年12月7日 申請日期2011年8月5日 優先權日2011年8月5日
發明者向志東, 吳潤, 宋新麗, 湯茜, 沈東東, 潘虹, 袁澤喜, 賈涓, 陳子宏, 陳曉 申請人:武漢科技大學