[发明专利]一种高Cr铁素体耐热钢及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明属于铁素体耐热钢技术领域。具体涉及一种高Cr铁素体耐热钢及其制备方法。

背景技术

    节省能源、提高燃煤使用率以及减少二氧化碳的排放量是当代热电厂发展的主要方向，通过发展超超临界（USC）火电机组并提高汽轮机的蒸汽参数（蒸汽温度和压力）是解决以上问题最有效的途径。在近十年里，蒸汽参数从530℃/18MPa提高到600℃/30MPa，发电效率从30%~35%提高到42%~47%，同时CO₂排放量减少了30%，给全球带来非常可观的经济和环保效益。然而，蒸汽参数的提高对耐热钢的高温性能提出了更高的要求，除了要求耐热钢具有足够好的抗高温氧化能力外，更重要的是要求其具有更高的高温抗蠕变强度或持久强度。

    如今，超超临界火电机组的高温部件采用的是一系列9~12Cr型（铬的质量分数为9%~12%）的高铬铁素体系耐热钢。这类铁素体耐热钢经正火+回火热处理后，供货态组织为具有高密度位错的板条马氏体以及M₂₃C₆（Cr₂₃C₆）和MX[(V,Nb)(C,N)]析出相。由于M₂₃C₆和MX的析出强化、固溶原子强化和高密度位错强化，使得该系列钢从服役开始就有较好的强度。但长期服役时，M₂₃C₆和Laves相不断粗化，降低固溶强化作用的同时还会形成蠕变空洞；Z相在蠕变后期的析出与长大又极大地削弱了MX相的弥散强化作用，且进一步加大了蠕变空洞出现的概率，Z相对蠕变性能降低所起的作用远远大于M₂₃C₆相和Laves相的粗化。因此，高Cr铁素体耐热钢在高温下长时间运行时，抗蠕变强度会显著降低，很容易发生蠕变断裂导致失效，从而影响设备运行的安全性。现有9~12Cr型铁素体耐热钢的使用温度不能高于620℃。要使铁素体耐热钢用于温度高于620℃的环境，则其在高于620℃条件下的100000小时持久强度必须达到100MPa。而现有9~12Cr型铁素体耐热钢在温度高于620℃的环境中的100000小时持久强度不能满足这个要求。

发明内容

    本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种高Cr铁素体耐热钢及其制备方法，所制备的高Cr铁素体耐热钢能用于工作温度为650℃的结构用钢和零部件用钢，特别是用于制造工作温度为650℃的超超临界蒸汽轮机、内燃机、高温化工设备和核动力设备。

    为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：所述的高Cr铁素体耐热钢的化学成分及其含量是：Cr为8.5~9.5wt%；Co为2.5~3.5wt%；W+Mo为2.8~3.3wt%，其中W为1.5~2.5wt%，Mo为0.5~1.5wt%；V为0.15~0.25wt%；Nb为0.05~0.1wt%；C为0.001~0.01wt%；N为0.01~0.05wt%；B为0.003~0.01wt%；余量为铁和不可避免的杂质。

   按所述的高Cr铁素体耐热钢的化学成分及其含量进行配料，在真空感应炉中熔炼，浇铸成钢锭，热轧成板材；再在1050~1100℃条件下正火0.8~1.2小时，然后在760~800℃条件下回火0.8~1.2小时，随炉冷却，制得高Cr铁素体耐热钢。

    由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

    本发明制备的高Cr铁素体耐热钢碳含量低，抑制了M₂₃C₆在回火过程中的析出，对高温持久强度有利；本发明制备的高Cr铁素体耐热钢氮含量适当，不仅形成细小而稳定的VN和NbN的强化相，且杜绝了Z相在服役后期的析出与长大，避免了MX相的过度消耗而产生的弥散强化作用的削弱，降低蠕变空洞形成的概率，有效地抑制了长期高温持久强度的降低；本发明制备的高Cr铁素体耐热钢钼含量为0.8~1.5wt%，W含量为1.5~2.2wt%，同时要求W+Mo的总量为2.8~3.2wt%，充分发挥了W、Mo的复合固溶强化及Laves相的析出强化作用。

    本发明制备的高Cr铁素体耐热钢在650℃条件下的100000小时持久强度大于100MPa，显著高于现有最强的9-12Cr铁素体耐热钢（即P92钢）在同样条件下的持久强度（53MPa）。