本發(fā)明涉及耐熱鋼技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種新型馬氏體耐熱鋼及制備方法，適用于630℃以上蒸汽參數(shù)超超臨界火電機(jī)組大口徑鍋爐管、鍛件等制造。

背景技術(shù)：

燃煤發(fā)電無(wú)論現(xiàn)在還是未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)都是我國(guó)電源結(jié)構(gòu)的最主要組成部分。目前世界范圍內(nèi)主要超超臨界火電機(jī)組的蒸汽參數(shù)為600℃，我國(guó)目前已經(jīng)成為世界上投運(yùn)600℃超超臨界電站裝機(jī)數(shù)量和總?cè)萘孔疃嗟膰?guó)家。為進(jìn)一步降低煤耗、提高熱效率和降低排放，煤電轉(zhuǎn)型升級(jí)，高蒸汽參數(shù)超超臨界電站是我國(guó)未來(lái)新建和改造火電機(jī)組的發(fā)展方向。630℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)作為新一代最先進(jìn)的發(fā)電技術(shù)，大唐集團(tuán)鄆城630℃超超臨界二次再熱機(jī)組示范項(xiàng)目已獲得國(guó)家能源局正式批復(fù)。另外，歐美、日本、韓國(guó)等正在研制700℃蒸汽參數(shù)超超臨界火電機(jī)組，我國(guó)2010年也啟動(dòng)了700℃蒸汽參數(shù)超超臨界火電機(jī)組研制國(guó)家計(jì)劃。

耐熱材料一直以來(lái)是制約煤電機(jī)組向更高參數(shù)發(fā)展的“卡脖子”問(wèn)題。隨著蒸汽溫度和蒸汽壓力的提高，超超臨界火電機(jī)組對(duì)耐熱材料的性能提出了更高的要求，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)更高的高溫持久、蠕變強(qiáng)度；(2)良好的抗氧化和耐蝕性能；(3)優(yōu)異的組織穩(wěn)定性；(4)良好的冷、熱加工性能；(5)良好的焊接性能等。馬氏體耐熱鋼p92可用于620℃蒸汽溫度以下部分大口徑鍋爐管制造，但目前世界范圍內(nèi)仍沒(méi)有適用于620～650℃蒸汽溫度段可選用的成熟材料，國(guó)內(nèi)外正在積極研究相關(guān)的關(guān)鍵材料技術(shù)。鋼鐵研究總院和寶鋼開發(fā)出了新型馬氏體耐熱鋼9cr-3w-3covnbcubn(g115)無(wú)縫管，已進(jìn)行了多輪的工業(yè)試制，適用于630～650℃蒸汽參數(shù)超超臨界火電機(jī)組。日本國(guó)家材料研究所(nims)研發(fā)的9cr-3w-3covnbbn鋼(marbn鋼)具有優(yōu)異的高溫持久強(qiáng)度，其持久強(qiáng)度數(shù)據(jù)明顯高于p92。日本新日鐵住友金屬工業(yè)株式會(huì)社在save12鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)出了一種9cr-3w-3condvnbbn鐵素體耐熱鋼(save12ad鋼)。

但是，現(xiàn)有技術(shù)中的9cr系耐熱鋼，在沖擊韌性方面、冷熱加工性能以及焊接性能方面都存在不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種適用于620-650℃下長(zhǎng)期服役的馬氏體耐熱鋼，該鋼在適用溫度范圍內(nèi)具有高的沖擊韌性和高溫強(qiáng)度、優(yōu)異的冷熱加工性能性和焊接性能、良好的抗氧化腐蝕性能，同時(shí)具備工業(yè)生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供了一種馬氏體耐熱鋼材料，其包括按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)的如下元素：碳：0.07～0.12％；鉻：8.5～9.5％；鎢：2.0～2.5％；鉬：0.2～0.5％；鈷：2.8～3.2％；鈮：0.03～0.10％；釩：0.16～0.25％；銅：0.5～1.0％；氮：0.010～0.020％；硼：0.006～0.015％；磷：≤0.02％；硫：≤0.01％；硅：≤0.5％；錳：0.3～0.7％；鎳：≤0.12％；余量為鐵及不可避免雜質(zhì)元素。

作為優(yōu)選方案，所述的馬氏體耐熱鋼材料包括按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)的如下元素：碳：0.07～0.12％；鉻：8.9～9.0％；鎢：2.2～2.5％；鉬：0.41～0.43％；鈷：2.8～3.2％；鈮：0.03～0.10％；釩：0.16～0.25％；銅：0.5～1.0％；氮：0.010～0.020％；硼：0.006～0.015％；磷：≤0.02％；硫：≤0.01％；硅：≤0.5％；錳：0.3～0.7％；鎳：≤0.12％；余量為鐵及不可避免雜質(zhì)元素。

本發(fā)明鋼種成分設(shè)計(jì)理由如下。

碳:c作為鋼鐵材料中最常用的強(qiáng)化元素，可以與合金元素形成m23c6、mx等碳化物，有效釘扎板條界，長(zhǎng)時(shí)保持材料的性能。但過(guò)高的c含量對(duì)焊接性能不利，因此本發(fā)明鋼的c含量范圍控制與傳統(tǒng)9～12％cr鋼類似，0.07～0.12％。鉻：從提高抗氧化性的角度，往往希望cr含量越高越好，但是cr含量太高時(shí)材料中會(huì)出現(xiàn)δ-鐵素體，降低材料的持久強(qiáng)度和韌性。另外，相關(guān)試驗(yàn)研究也表明當(dāng)cr含量為9％時(shí)，鋼的持久強(qiáng)度最高。因此，本發(fā)明鋼選取cr含量范圍為8.5～9.5％。

鎢：w元素在鋼中都有兩種存在形態(tài)，一是固溶到基體起固溶強(qiáng)化作用，二是以析出相的形式存在起沉淀強(qiáng)化作用。當(dāng)w含量低于2％時(shí)，不足以保證合金高溫強(qiáng)度，但w含量太高時(shí)會(huì)顯著降低合金長(zhǎng)期服役過(guò)程組織穩(wěn)定性從而導(dǎo)致合金強(qiáng)度降低。同時(shí)w作為鋼中正偏析嚴(yán)重的元素，特別工業(yè)化生產(chǎn)采用大規(guī)格鋼錠時(shí)產(chǎn)生的凝固偏析更為嚴(yán)重而且難以徹底消除。因此，要合理控制w含量，本發(fā)明鋼選取w含量為2.0～2.5％。

鉬：mo元素和w元素類似，同樣在鋼中不僅起固溶強(qiáng)化作用，而且起沉淀強(qiáng)化作用。相關(guān)研究研究表明w、mo復(fù)合添加比單獨(dú)加w或mo的強(qiáng)化效果好。mo含量太低不足以發(fā)揮上述效果，而當(dāng)w+mo含量大于3％以后，不僅不利于性能提高，還會(huì)導(dǎo)致高溫鐵素體析出從而顯著降低合金的熱加工性能及力學(xué)性能。因此，本發(fā)明鋼選取mo含量0.2～0.5％。

鈷：co是奧氏體穩(wěn)定元素，加入一定量的co可以保證材料不形成δ-鐵素體。另外co在基體中起固溶強(qiáng)化作用。因此本發(fā)明鋼的co含量范圍2.8～3.2％。

釩和鈮：v和nb與c、n元素主要形成mc相，是鐵素體耐熱鋼中重要的強(qiáng)化相。相關(guān)研究表明，v和nb復(fù)合添加可以顯著提升鋼的蠕變斷裂強(qiáng)度，而且v、nb最佳添加量分別為0.2％和0.05％。因此本發(fā)明鋼選取v含量0.16～0.25％，nb含量0.03～0.10％。

銅：cu既可以起到固溶強(qiáng)化作用，也可以納米富銅相的形式起到析出強(qiáng)化作用。當(dāng)cu含量較低時(shí)，主要以固溶方式存在，強(qiáng)化效果相對(duì)較弱。當(dāng)cu含量較高時(shí)，會(huì)嚴(yán)重降影響高溫塑性。因此本發(fā)明鋼選取cu含量的范圍為0.5～1.0％。

硼和氮：b為強(qiáng)烈的晶界偏析元素，可有效增強(qiáng)晶界結(jié)合力和，從而大幅提升本發(fā)明合金的持久強(qiáng)度和塑性。低的b含量達(dá)不到強(qiáng)化晶界的效果，而過(guò)高的b含量易導(dǎo)致大量低熔點(diǎn)析出相的形成，對(duì)熱加工和工藝性能都不利。同時(shí)，隨著b含量的提高，為了防止bn的形成而要控制n含量。但n含量過(guò)低會(huì)減少?gòu)?qiáng)化相mx的析出從而導(dǎo)致合金強(qiáng)度降低；另外從生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性角度考慮，n含量控制太低生產(chǎn)成本極高。因此，本發(fā)明鋼的b含量0.006～0.016％，n含量0.005～0.012％。

一種如前述的馬氏體耐熱鋼材料的制備方法，其包括如下步驟：

按照元素配比配料后，采用電弧爐精煉、爐外精煉和真空處理，或電弧爐冶煉和電渣重熔法冶煉，得到鋼錠；

將所述鋼錠加熱到1100～1250℃，保溫不低于3h，通過(guò)鍛造制成管坯和鍛件，將所述管坯熱擠壓制造成鋼管；

將所述鋼管通過(guò)正火或淬火、回火，得到成品。

本發(fā)明中的鋼材冶煉的方法為常規(guī)方法。

作為優(yōu)選方案，所述正火或淬火的溫度均為1000～1150℃，保溫時(shí)間≥0.5h，回火溫度760～790℃，保溫時(shí)間≥3h。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明在9cr系鐵素體耐熱鋼基礎(chǔ)上，結(jié)合工業(yè)化大生產(chǎn)等實(shí)際情況，提出了一種適用于620～650℃下長(zhǎng)期服役的馬氏體耐熱鋼。本發(fā)明鋼不添加稀土元素、優(yōu)化了w含量及w、mo元素配比、優(yōu)化了b含量；和現(xiàn)有9cr系耐熱鋼相比，本發(fā)明鋼沖擊韌性得到大幅提升，冷、熱加工性能和焊接性能得到顯著改善，生產(chǎn)成本明顯減低。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1給出了實(shí)施例a調(diào)質(zhì)狀態(tài)的金相照片；

圖2給出了實(shí)施例b調(diào)質(zhì)狀態(tài)的金相照片；

圖3給出了實(shí)施例c調(diào)質(zhì)狀態(tài)的金相照片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明鋼種實(shí)施例(a、b、c)和同類鋼種對(duì)比例(d、e)的典型化學(xué)成分見表1，其中實(shí)施例a為寶武特冶試制的φ900棒材，調(diào)質(zhì)制度為1050℃保溫1h/空冷+780℃保溫3h/空冷；實(shí)施例b為寶武特冶試制的φ900棒材，調(diào)質(zhì)制度為1060℃保溫1h/空冷+780℃保溫3h/空冷；實(shí)施例c為寶武特冶試制的φ530×115mm大口徑管，調(diào)質(zhì)制度為1050℃保溫1h/空冷+780℃保溫3h/空冷。對(duì)比例d對(duì)應(yīng)p92，對(duì)比例e對(duì)應(yīng)g115。

對(duì)本發(fā)明鋼種進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算相圖分析，可知，本發(fā)明鋼中m23c6的全固溶溫度約為850℃，當(dāng)正火溫度高于析出相的固溶溫度時(shí)，析出相理論上可以完全回溶解，因此熱力學(xué)計(jì)算相圖可以從理論上為調(diào)質(zhì)工藝提供依據(jù)。

圖1～3分別給出了實(shí)施例a、b、c經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理的金相組織，可以看出本發(fā)明鋼種經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后，回火板條組織保留明顯，碳化物形貌細(xì)小、分布彌散，這些組織特種保證了本發(fā)明鋼種良好的綜合性能。

表1各實(shí)施例和對(duì)比例成分

表2各實(shí)施例和對(duì)比例室溫性能

表3各實(shí)施例和對(duì)比例的高溫拉伸性能

綜上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用來(lái)限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，凡依本發(fā)明權(quán)利要求范圍所述的形狀、構(gòu)造、特征及精神所為的均等變化與修飾，均應(yīng)包括于本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。

技術(shù)特征：

1.一種馬氏體耐熱鋼材料，其特征在于，包括按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)的如下元素：碳：0.07～0.12％；鉻：8.5～9.5％；鎢：2.0～2.5％；鉬：0.2～0.5％；鈷：2.8～3.2％；鈮：0.03～0.10％；釩：0.16～0.25％；銅：0.5～1.0％；氮：0.010～0.020％；硼：0.006～0.015％；磷：≤0.02％；硫：≤0.01％；硅：≤0.5％；錳：0.3～0.7％；鎳：≤0.12％；余量為鐵及不可避免雜質(zhì)元素。

2.如權(quán)利要求1所述的馬氏體耐熱鋼材料，其特征在于，包括按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)的如下元素：碳：0.07～0.12％；鉻：8.9～9.0％；鎢：2.2～2.5％；鉬：0.41～0.43％；鈷：2.8～3.2％；鈮：0.03～0.10％；釩：0.16～0.25％；銅：0.5～1.0％；氮：0.010～0.020％；硼：0.006～0.015％；磷：≤0.02％；硫：≤0.01％；硅：≤0.5％；錳：0.3～0.7％；鎳：≤0.12％；余量為鐵及不可避免雜質(zhì)元素。

3.一種如權(quán)利要求1或2所述的馬氏體耐熱鋼材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

按照元素配比配料后，采用電弧爐精煉、爐外精煉和真空處理，或電弧爐冶煉和電渣重熔法冶煉，得到鋼錠；

將所述鋼錠加熱到1100～1250℃，保溫不低于3h，通過(guò)鍛造制成管坯和鍛件，將所述鍛件熱擠壓制造成鋼管；

將所述鋼管通過(guò)正火或淬火、回火，得到成品。

4.如權(quán)利要求3所述的馬氏體耐熱鋼材料的制備方法，其特征在于，所述正火或淬火的溫度均為1000～1150℃，保溫時(shí)間≥0.5h，回火溫度760～790℃，保溫時(shí)間≥3h。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及一種馬氏體耐熱鋼材料，其包括按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)的如下元素：碳：0.07～0.12％；鉻：8.5～9.5％；鎢：2.0～2.5％；鉬：0.2～0.5％；鈷：2.8～3.2％；鈮：0.03～0.10％；釩：0.16～0.25％；銅：0.5～1.0％；氮：0.010～0.020％；硼：0.006～0.015％；磷：≤0.02％；硫：≤0.01％；硅：≤0.5％；錳：0.3～0.7％；鎳：≤0.12％；余量為鐵及不可避免雜質(zhì)元素。通過(guò)本發(fā)明的工藝可將焦化廢水回收95％作為新水使用。本發(fā)明在9Cr系鐵素體耐熱鋼基礎(chǔ)上，結(jié)合工業(yè)化大生產(chǎn)等實(shí)際情況，提出了一種適用于620～650℃下長(zhǎng)期服役的馬氏體耐熱鋼。本發(fā)明鋼不添加稀土元素、優(yōu)化了W含量及W、Mo元素配比、優(yōu)化了B含量；和現(xiàn)有9Cr系耐熱鋼相比，本發(fā)明鋼沖擊韌性得到大幅提升，冷、熱加工性能和焊接性能得到顯著改善，生產(chǎn)成本明顯減低。

技術(shù)研發(fā)人員：王婷婷;趙海平;徐松乾;趙欣

受保護(hù)的技術(shù)使用者：寶武特種冶金有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2020.01.14

技術(shù)公布日：2021.07.30