专利名称：在提高的使用温度下具有优异蠕变强度和耐氧化性的铁素体钢的合金钢的制作方法
在提高的使用温度下具有优异蠕变强度和耐氧化性的铁素
体钢的合金钢说明书本发明涉及一种按权利要求1所述的合金钢，其在提高的使用温度下是具有优异 蠕变强度和耐氧化性的铁素体钢。本发明更特别地涉及这种合金钢的无缝管或焊接管，这种钢管例如用作在超过 620 V到约750 V温度范围内的加热器或发电厂锅炉中的换热器管。例如，在发电厂中使用的具有高蠕变强度和耐腐蚀性的高温材料通常要么基于铁 素体、铁素体/马氏体或奥氏体的铁基合金，要么基于镍基合金。换热器管的较低温阶段中 的特殊要求特别与低的热膨胀相关。不能使用奥氏体材料，因为其热膨胀在所述的温度范围内过高。在提高的温度下， 迄今为止可获得的铁素体/马氏体材料也不能用于锅炉内，因为其蠕变强度和耐热性与不 足耐腐蚀性的结合不再满足需要。镍含量大于50重量％的镍基合金呈现出耐腐蚀和耐热性性能的足够组合。这些 钢由此极其昂贵，且加工成无缝管还存在问题。迄今为止，由对热膨胀要求低的奥氏体钢制成的管用作发电厂锅炉中的部件。这 里的缺点是合金化成本高(Ni高达30% )、可加工性差和导热能力低。富铬的铁素体钢与奥氏体不锈钢相比明显更加廉价，同时还具有更高的导热系数 和更低的热膨胀系数。此外，富铬的铁素体钢还具有高耐氧化性，这对于例如与加热器或锅 炉中的热蒸汽一起使用是有利的。但如果以涂层(氧化皮或氧化层)形成构成氧化物膜，那么这些氧化物膜在锅炉 温度和/或锅炉压力变化时会脱离，且固定在钢管内并将其堵塞。因此，除了所要求的蠕变强度和耐热性外，抑制蒸汽氧化成为所要紧迫解决的问
题之一。为提高发电厂中能量产生的效率，将锅炉内的蒸汽温度提高到高于620°C并也提 高蒸汽压力的要求日益增长。市场上因此需要用于管或管道的铁素体铁基合金，所述合金在高于620°C的更高 使用温度下也显示出所需的蠕变强度和耐腐蚀性。例如，在该温度下对于lOOMI^a负荷暴露 应达到105小时的蠕变强度而无开裂。对于高达约620°C和650°C的使用温度可供使用的钢分别是Cr含量例如为8-15% 的铁素体/马氏体钢。相应的钢公开于例如文献DE 199 41 411 Al、DE 692 04 123 T2、 US2006/0060270 Al、DE 601 10 861 T2 和 DE 696 08 744 T2。其中所公开的合金化概念 大多涉及昂贵的合金化添加剂或还不适合在高于620 V的温度范围内使用。为提高蠕变强度而基于非共格的MX或M2X析出物的概念(DE 199 41 411 Al、DE 601 10 861 T2、US 2006/0060270 Al)具有多个缺点。所述的析出相不能以足够的体积份数制得，因为金属(例如Ti、Nb或V)以及非金属成分(C或N)含量的提高不仅提高相份数，而且还提高了相的固溶温度。由此析出物的 产生温度高于合理的热处理温度，且还部分高于合金的固相线温度。因为产生析出物的温度与其尺寸直接相关，所以要么获得相当低体积份数的有效 增强颗粒(< 1 % )，要么获得对蠕变强度无效的高体积份数的粗颗粒(> 1 μ m)。MX和M2X 颗粒优选在晶粒内部析出。可期待，在> 630°C的使用温度下，晶界蠕变的影响与由位错引 起的蠕变相比得到提高。因此，晶界处增强相的贫乏要求特别重要的评价。此外，非共格析出物比共格析出物更倾向于变得更粗，因为一方面界面能量作为 使界面最小化的驱动力高于对于共格颗粒的，而另一方面容易扩散的元素如C和N是这些 颗粒的成分。为提高铁素体或马氏体钢的蠕变强度而使用金属间相的其它常规合金化方案(DE 698 08 744 T2)基于昂贵的合金化材料。为调节金属间相与结构LlO或L12的足够高的体积分数，需要极其昂贵且迄今仅 以少量可使用的合金化元素Pt和Pd的份数为1重量％。WO 03/029505中所公开的合金是对名为Kanthal的!^eCrAl合金的改善，其例如用 于高于1000°C温度下工作的加热元件。这些合金具有高的铬和铝含量，以有效地将电能转 变成热。高铬和铝含量的组合导致具有高于16%铬含量和高于4%铝含量的合金甚至在 高于750°C的温度下仍完全为铁素体。这些钢不适用于发电厂用途；此外，高于16%的铬含 量在轧制无缝管时在典型的加工温度(900-1200°C )下使变形能力变差。这种变差的变形 特征在轧制期间会导致裂纹形成。由此，这些合金不适合制造管或金属片。US 633^36B1仅记载了将由粉末冶金产生的金属间化合物合金用于制造基于 Fe-Al系统的金属片并含有金属间相!^e3Al、Fe2Al5, FeAl3> FeAl、FeAlC, Fe3AlC和这些相的 组合。其中不含无序相例如铁素体。所述的 ^Α1-Β2相在这些文献中仅作为基体使用。这 种金属间化合物合金的粉末冶金制造不适合大规模制造管和金属片。本发明的目的在于，提供一种用于在使用温度下为铁素体的成本有效的钢用合金 钢，其在高达约750°C的使用温度下也可靠满足蠕变强度和耐氧化性的所述要求。另一目的在于，提供一种由这种合金钢制造的工件，例如热轧无缝管或焊管、金属 片、铸造工件或工具钢。采用权利要求1的特征实现主要目的。有利的实施方案记载在从属权利要求中。 在权利要求7中提供了依据本发明的工件。按照本发明的教导，提出一种具有下列化学组成(以重量％计)的合金钢C ^ 1. 0%Si ^ 1. 0%Mn ^ 1. 0%P 最大 0.05%S 最大 0.01%2 ^ Al ^ 12%2 ^ Cr < 16%
2 < Ni < 10% 禾口 / 或2 ^ Co ^ 10%而2 彡 Ni+Co 彡 15%且0. IlX [% Cr]+2. 07X [% Al]彡 0. 95X ([% Ni] + [% Co])N 最大 0.0200%余量的铁以及与熔炼相关的杂质，-具有任选添加的V、Ti、Ta、Zr和Nb中一种或多种元素，-具有任选添加的Mo和W中的一种或两种元素，-具有任选添加的Hf、B、Se、Y、1^、Sb、La和&中的一种或多种元素，其总含量在 < 0. 的范围内，条件是钢组织含有基于铬稳定(Ni、Co)Al-B2金属间有序相的均勻分布的共格析 出物。依据本发明的合金化概念根本不同于常规的合金化概念。依据新的革新方法，在 使用温度高达约750°C下为完全铁素体的合金因用铬稳定的(Ni、Co)Al-B2的金属间有序 相的纳米颗粒的共格细分布的析出物而获得了其优异的蠕变强度和腐蚀特性。析出物与铁素体基体共格，并且无论是是晶粒内部还是靠近晶界处，都均勻和精 细地分布在组织内。这种合金钢的优点是明显降低的成本，而且金属间(Ni、Co)Al-B2相的 共格析出物与常规的合金化概念相比在高于620°C和甚至高于650°C -约750°C的温度下明 显提高了蠕变强度。该概念(本发明基于此)取消用于产生金属间化合物增强相的昂贵且难于获得的 元素。具有B2组织的(Ni、Co)Al相与常规奥氏体钢相比需要明显更低的Ni和Co含量。Fe-Cr-Al (NiXo)系内B2相的特定性质是，其对于(Ni、Co)Al的独特固相溶解度 间隙，这可通过Cr含量得到控制。因此，通过改变Cr、Al和Ni或Co的含量，可以有针对性地调节在使用温度下的高 体积份数和有利于该过程的固溶温度。在下表中列出了不同的实验熔体(VS)。钢内高于8mol% (VS2)的B2相含量由于相关的粘滞性降低和钢的劣等可机加工 性而是不利的，并因此应避免。由于铁素体晶格内B2相的共格，可以实现非常精细和均勻的析出物分布。小的界 面能量还对提高的粗度产生小的驱动力(
图1)。
权利要求
1.合金钢，其特别在<750°c的使用温度下是具有优异蠕变强度和耐腐蚀性的铁素体 钢，包括下列化学成分(以重量％计)C ^ 1. 0% Si ^ 1. 0% Mn 彡 1. 0% P最大0. 05% S最大0. 01% 2彡Al彡12% 3 ^ Cr < 16% 2彡Ni彡10%和/或 2彡Co彡10% 而2彡Ni+Co彡15%和0. IlX [% Cr]+2. 07X [% Al]彡 0. 95X ([% Ni] + [% Co]) N 最大 0. 0200%余量的铁以及与熔炼相关的杂质，-具有任选添加的V、Ti、Ta、Zr和Nb中的一种或多种元素， -具有任选添加的Mo和W中的一种或两种元素-具有任选添加的肚工工^丫一工以！^和^ 中的一种或多种元素，总含量在<0. 1% 的范围内，条件是钢组织含有基于铬稳定的(Ni，Co)Al-B2金属间有序相的均勻分布的共格析出物。
2.根据权利要求1所述的合金钢，其特征在于析出物的颗粒尺寸平均小于500nm。
3.根据权利要求2所述的合金钢，其特征在于析出物的颗粒尺寸平均小于50nm。
4.根据权利要求1-3之一所述的合金钢，其特征在于任选的附加合金化元素具有下列 百分比最大0. 3%的V， 最大0. 的Ti， 最大1.0%的Ta， 最大0. 05%的& ， 最大0.2%的Nb， 最大1.0%的Mo， 最大2.0%的W。
5.根据权利要求1-4之一所述的合金钢，其特征在于C含量为最大0.5%，Si含量为 最大0. 4%和Mn含量为最大0. 5 %。
6.根据权利要求1-5之一所述的合金钢，其特征在于钢内的B2相的最大百分比为 8mol%。
7.无缝或焊接钢管、钢片材或由铸造生产的工件或工具钢，其特别在<750°C的使用 温度下具有优异的蠕变强度和耐腐蚀性，由根据权利要求1-6至少一项所述的合金钢制造。
全文摘要
本发明涉及一种在使用温度下，特别是在≤750℃的使用温度下具有优异蠕变强度和耐腐蚀性的铁素体钢的合金钢，包含下列化学成分(重量％)C≤1.0％；Si≤1.0％；Mn≤1.0％；P最大0.05％；S最大0.01％；2≤Al≤12％；3≤Cr＜16％；2≤Ni≤10％和/或2≤CO≤10％，其中2≤Ni+Co≤[％Cr]+2.07×[％Al]≥0.95×([％Ni]+[％Co])；N最大0.0200％；余量为铁以及与熔炼有关的杂质，包括V、Ti、Ta、Zr和Nb中一种或多种元素；包括元素Mo和W中的一种或两种；包括Hf、B、Se、Y、Te、Sb、La和Zr一种或多种元素，总含量在＜0.1％的范围内，条件是钢组织含有基于铬稳定(Ni，Co)Al-B2金属间有序相的均匀分布的共格析出物。
文档编号C22C38/52GK102137948SQ200980128791
公开日2011年7月27日 申请日期2009年7月3日 优先权日2008年7月23日
发明者A·施耐德, B·哈恩, C·斯塔利布拉斯, J·康拉德 申请人:V&M德国有限公司