一种具有优良耐ＨＡＺ－软化特性的马氏体耐热钢，包括（以质量％计）：０．０１－０．３０％的Ｃ，０．０２－０．８０％的Ｓｉ，０．２０－１．００％的Ｍｎ，５．００－１８．００％的Ｃｒ，０．００５－１．００％的Ｍｏ，０．２０－３．５０％的Ｗ，０．０２－１．００％的Ｖ，０．０１－０．５０％的Ｎｂ，０．０１－０．２５％的Ｎ，不超过０．０３０％的Ｐ，不超过０．０１０％的Ｓ，不超过０．０２０％的Ｏ，至少一种选自由Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ和Ｈｆ组成一组的元素（每种元素的量为０．００５－２．０％），以及余量的铁和不可避免的杂质，在钢的回火马氏体结构中，（Ｔｉ％＋Ｚｒ％＋Ｔａ％＋Ｈｆ％）在析出的Ｍ↓［２３］Ｃ↓［６］型碳化物的金属组分Ｍ中的量为５－６５％。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种马氏体的耐热钢，更详细地说，涉及一种在高温和高压环境下使用的，耐HAZ软化性能优良的马氏体耐热钢。近年来，热力电厂的锅炉已经处于很高温度和高压力下工作。其中的一部分计划要在566℃和316巴下操作。还预计其中的一些锅炉在将来将在649℃及352巴条件下。因此，这种锅炉的材料将在极其苛刻的条件下使用。当工作温度超过550℃时，从耐氧化性和高温强度来考虑，应改变用于锅炉的材料，例如由铁素体2.1/4％Cr—1％Mo钢变为高等级的奥氏体钢如18—8不锈钢。因此，现在使用的都是些高等级的和昂贵的材料。在过去几十年里，人们一直在寻找介于2.1/4％Cr—1％Mo钢和奥氏体不锈钢之间的中等级别的钢材。在上述要求的基础上，已经开发了含中等数量Cr的锅炉管钢，如9％Cr钢或12％Cr钢。通过添加各种合金元素作为基础材料组分而产生的析出增强或固溶增强，使某些钢已达到了可与奥氏体钢相比拟的高温强度和蠕变强度。在钢只时效了短时间时，耐热钢的蠕变强度是由固溶增强来控制的，而当钢时效了长时间以后，其蠕变强度是由析出增强来控制的。这是因为在许多情况下溶于钢中的固溶增强元素通过时效首先析出为稳定的碳化物如M23C6。但是，当钢时效更长时间以后，析出物聚结粗化，结果降低了蠕变强度。因此，为了保持耐热钢的高蠕变强度，人们对如何使固溶增强元素在钢中长时间地保持固溶状态而不析出进行了许多研究。例如，日本专利未审公开Nos.63—89644，61—231139和62—297435中公开了通过添加W作为固溶增强元素的铁素体耐热钢，它能达到的蠕变强度比常规的加Mo类型的铁素体耐热钢高得多。这些钢中许多都具有单相回火马氏体相作为其结构，并且由于它们作为具有优良耐蒸汽氧化性的铁素体钢和它们的高强度，预计这些钢可以成为用于高温和高压环境的新一代材料。另一方面，铁素体耐热材料利用含大量位错的马氏体结构的高强度，或通过由奥氏体单相区向(铁素体＋析出碳化物)相相变的超冷现象形成的回火结构的高强度，(铁素体＋析出碳化物)相是热处理过程冷却而形成的。因此，当该结构进行热循环(如重新加热至奥氏体单相区)，或当该结构进行焊接热作用时，高密度的位错减缓，并且有时在焊接HAZ(热作用区)强度局部降低。尤其是在那些被重新加热到至少为铁素体—奥氏体相变点温度的部分，和那些已经加热到靠近相变点温度，如约900℃—1000C(对9％Cr钢而言)，而又在短时间内重新冷却以经历马氏体相变，但奥氏体晶粒没有足够生长，因此形成一种细晶粒结构。此外，通过析出增强来增强材料强度的主要因素的M23C6型碳化物不会再溶解，而导致高温强度降低的机制如碳化物构成组分的变化，或碳化物的粗化，可以一起作用于该部分以成为一个软化区。为了简单起见，把软化区的形成现象称为“HAZ—软化”。本专利技术人对软化区进行了详细研究，发现强度降低主要是由M23C6型碳化物中构成元素的变化而引起。进一步的研究表明，当高强马氏体耐热钢经受焊接热作用时，Mo或W等关键的固溶增强元素以较大的量溶入M23C6的构成元素M中，并在细晶粒结构的晶界处析出，因此在奥氏体晶粒的晶界附近形成一个Mo或W贫泛区，使蠕变强度局部下降。因此，由焊接热作用引起的蠕变强度的降低对耐热材料是很不好的。很明显，现有技术通过热处理和焊接不能解决这些问题。此外，很明显一直被认为是唯一解决途径的使焊接部分完全奥氏体化的措施，在火力电厂的建造和实施工作中没有实用性。因此，很明显，在常规耐热马氏体或铁素体钢中不可避免要出现“HAZ—软化”现象。本专利技术的一个目的是克服常规钢中的这一缺点，也就是避免在焊接HAZ因为M23C6类型的碳化物的变化和粗化而引起的局部软化区的形成。本专利技术的另一个目的是防止在钢材经受焊接热作用时，Mo或W大量溶入M23C6中。为了实现本专利技术的上述目的，控制了焊接HAZ中M23C6类碳化物的组成和析出物大小。为了实现上述目的对“HAZ—软化”现象进行深入研究之后，本专利技术人已经发现Ti、Zr、Ta以及Hf各自在根据本专利技术的钢的组分系统中与C有很强的亲合性，并且这些元素的碳化物成了在根据本专利技术的钢的回火马氏体结构中将析出的M23C6类碳化物的析出晶核，这些元素同时以固溶态溶入碳化物的金属组分M中，当它们在金属组分M中的固溶量在一个特定范围内时，焊接HAZ的蠕变断裂强度与基体材料的蠕变断裂强度相比，仅下降到基体材料蠕变断裂强度的很小波动范围内，结果，焊接HAZ不再表现出“HAZ—软化”现象。为实现本专利技术已经研制了以下方法。首先，因为每种Ti、Zr、Ta和Hf的析出物都要求很细并适当，即所有的析出物必须变为碳化物和碳氮化物，因此在精炼完成之前很短时间内，向处于低氧浓度状态的钢水中加入上述的每种元素。其次，因为要求这些Ti等元素的析出物成为要在回火马氏体结构中析出的M23C6析出物的晶核，并且以合适的量溶入得到的碳化物中，钢板应作如下处理已经经过固溶热处理的钢板在冷却过程中再经过一个950—1000℃温度下的冷却站；钢板在该温度下保持预定的一段时间使细的Ti等元素的碳化物充分析出。如上所述，当含有析出的细的Ti等元素的碳化物的马氏体结构的钢材回火时，析出M23C6型碳化物，而Ti等元素的碳化物用作析出的晶核。M23C6碳化物和Ti、Zr、Ta和Hf的细的碳化物相互溶在一起，最后在回火马氏体结构中形成一种M23C6型碳化物，其中Ti、Zr、Ta和Hf以预定范围固溶在金属组分M中。结果，明显提高了焊接HAZ的蠕变断裂强度。也就是说，本专利技术提供了一种马氏体耐热钢，它包括(以质量％计)0.01—0.30％的C，0.02—0.80％的Si，0.20—1.00％的Mn，5.00—18.00％的Cr，0.005—1.00％的Mo，0.20—3.50％的W，0.02—1.00％的V，0.01—0.50％的Nb，0.01—0.25％的N，不超过0.030％的P，不超过0.010％的S，不超过0.020％的O，至少一种选自由Ti、Zr、Ta和Hf组成一组的元素(每种元素的量为0.005—2.0％)，如果需要，至少一种选自由Co、Ni和Cr组成一组的元素，其中Co和Ni每种的量为0.2—5.0％，Cu的量为0.2—2.0％，以及余量的Fe和不可避免的杂质，并且在回火马氏体结构中析出的M23C6型碳化物中，(Ti％＋Zr％＋Ta％＋Hf％)在金属组分M中的量为5—65％。本专利技术提供了一种制造上述耐热钢的方法，包括以下步骤在精炼步骤完成之前10分钟到精炼完成的期间，向钢水中加入至少一种选自由Ti、Zr、Ta和Hf组成一组的元素，在固溶热处理之后的冷却过程中使该钢在950-1000℃的一个温度下经历一个暂时的冷却站，使该钢在该温度下保持5至60分钟，并使之回火。附图说明图1说明了焊接处一个对接槽的形状。图2示出了用来分析焊接HAZ的析出物的取试样片的过程。图3是一个示意图，说明了Ti、Zr、Ta和Hf的添加时间与Ti、Zr、Ta和Hf在钢中的析出物的形状和平均粒度的关系。图4是曲线图，说明了固溶处理后暂时冷却站的温度，保温时间，以及析出碳化物的粒度之间的关系。图5说明了固溶处理后暂时冷却站的温度与在焊接HAZ中的析出物的形式和结构之间的关系。图本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：藤田利夫，长谷川泰士，大神正浩，水桥伸雄，直井久，
申请(专利权)人：新日本制铁株式会社，藤田利夫，
类型：发明
国别省市：
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