本發(fā)明屬高溫用合金鋼領(lǐng)域，具體涉及一種具有低成本高強(qiáng)度的硼化物強(qiáng)化新型管材料，特別適用于乙烯生產(chǎn)中的裂解爐管等超高溫(1000℃以上)條件下長(zhǎng)期使用的部件，也可應(yīng)用于火力發(fā)電機(jī)組中煤粉燃燒器噴嘴、玻璃纖維行業(yè)中的離心器等部件，以及一些溫度較低的部件，例如制氫轉(zhuǎn)化爐管、核電機(jī)組壓水堆蒸汽發(fā)生器管熱管與火電機(jī)組鍋爐再熱器等。

背景技術(shù)：

一定體積分?jǐn)?shù)的碳化物是奧氏體耐熱鋼高溫強(qiáng)度性能的重要保障，因此目前在高溫下使用的耐熱鋼普遍具有較高的Cr、C含量，通過(guò)在晶界處形成大尺寸的初生Cr₂₃C₆及晶內(nèi)析出細(xì)小彌散分布的二次Cr₂₃C₆而使合金獲得優(yōu)異的高溫強(qiáng)度性能。然而，合金在高溫或低溫高應(yīng)力條件下長(zhǎng)期服役時(shí)，Cr₂₃C₆較高的粗化長(zhǎng)大傾向以及伴隨出現(xiàn)的界面處Cr元素貧瘠現(xiàn)象均會(huì)對(duì)合金的服役性能造成十分不利的影響。近年來(lái)人們進(jìn)行了一系列嘗試，結(jié)果證實(shí)Nb元素的添加可以在晶界形成與碳化鉻交替分布的NbC。后者在高溫下尺寸十分穩(wěn)定，同時(shí)在很大程度上抑制了Cr₂₃C₆的粗化長(zhǎng)大。其中，最具有代表性的成果之一是向HP40合金(25Cr35Ni)鑄管中添加少量的Nb、Ti元素，得到具有更高組織穩(wěn)定性及持久塑性的HP40Nb合金，從而使材料獲得更長(zhǎng)的服役壽命。

但是，這一材料在使用過(guò)程中暴露出組織不穩(wěn)定的問(wèn)題。由于合金在采用中頻感應(yīng)爐熔煉時(shí)難以避免會(huì)引入一定的Si元素，而其會(huì)與合金中的(Nb,Ti)C反應(yīng)而并發(fā)生向G相(Ni₁₆Nb₆Si₇)的轉(zhuǎn)變，并最終導(dǎo)致大塊的G相存在于材料的晶界處，對(duì)合金塑性造成不利影響。此外，(Nb,Ti)C向G相轉(zhuǎn)變過(guò)程中還會(huì)伴隨著G相與基體界面貧Ni，造成此處強(qiáng)度弱化，對(duì)材料的高溫力學(xué)性能造成進(jìn)一步的不利影響。

硼化物與碳化物相比具有更加優(yōu)異的穩(wěn)定性及更高的硬度，因其優(yōu)異的耐磨性能而作為軋輥備選材料受到廣泛關(guān)注。然而，過(guò)高硼元素的加入會(huì)造成在合金凝固過(guò)程中硼化物以網(wǎng)狀型態(tài)存在，進(jìn)而引發(fā)“硼脆”現(xiàn)象并對(duì)材料服役性能帶來(lái)危害，同時(shí)也會(huì)對(duì)材料的可加工性帶來(lái)極大影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種具有低成本高強(qiáng)度的硼化物強(qiáng)化管材料，消除了材料在超高溫(1000℃)以上使用時(shí)“硼脆”現(xiàn)象對(duì)材料服役性能造成的危害。此外，向合金中加入一定含量的Al以確保合金在超高溫條件下具備優(yōu)異的抗氧化與抗腐蝕性能。

為了實(shí)現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種具有低成本高強(qiáng)度的硼化物強(qiáng)化管材料，該管材料成分按質(zhì)量百分比滿(mǎn)足如下范圍要求：C：0.2～0.5％，Cr：5～25％，Ni：20～25％，Co：0.5～3.0％，Mn：0.1％～0.5％，Si：0.1％～0.5％，W：5.0％～7.5％，Al：5～15％，Ti：0.5～2.5％，Nb：1.0～1.5％，B：0.5～1.2％，余量為Fe。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，B和C的質(zhì)量百分比滿(mǎn)足B/C＝1.5～2.5，且當(dāng)Al質(zhì)量百分比低于7％時(shí)，Cr質(zhì)量百分比不低于22％。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，該管材料的鑄態(tài)組織主要由奧氏體基體與枝晶界交替分布的碳化物與硼化物構(gòu)成；其中，硼化物占體積分?jǐn)?shù)不低于5％，Cr₂₃C₆體積分?jǐn)?shù)不低于10％。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，該管材料在1000℃及1100℃屈服強(qiáng)度分別高于90MPa及45MPa，在1050℃時(shí)氧化速率低于1.5×10^-11g²cm^-4s^-1。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，該管材料采用中頻爐熔煉，并在鑄態(tài)下直接使用。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，當(dāng)服役工況壓力大于5MPa時(shí)，該管材料采用真空感應(yīng)爐熔煉，并輔以電渣重熔工藝制備。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果：

1、本發(fā)明在HK40合金成分基礎(chǔ)上加入較高的B元素并通過(guò)調(diào)整B、C元素的比例，促進(jìn)形成(Nb,Ti)B與Cr₂₃C₆在晶界處交替分布的組織形貌，抑制連續(xù)網(wǎng)狀Cr₂₃C₆與(Nb,Ti)B的形成。合金成分按質(zhì)量百分比滿(mǎn)足如下范圍要求：C：0.2～0.5％，Cr：5～25％，Ni：20～25％，Co：0.5～3.0％，Mn：0.1％～0.5％，Si：0.1％～0.5％，W：5.0％～7.5％，Al：5～15％，Ti：0.5～2.5％，Nb：1.0～1.5％，B：0.5～1.2％，余量為Fe。合金采用中頻爐熔煉，并在鑄態(tài)下直接使用，但當(dāng)合金服役工況壓力大于5MPa時(shí)，合金應(yīng)采用真空感應(yīng)爐熔煉，并輔以電渣重熔工藝制備。合金鑄態(tài)組織主要由奧氏體基體與枝晶界交替分布的碳化物與硼化物構(gòu)成。其中，硼化物與碳化物占體積分?jǐn)?shù)分別不應(yīng)低于5％和10％。

2、合金以硼化物作為主要強(qiáng)化相之一，合金鑄態(tài)時(shí)(Nb,Ti)B體積分?jǐn)?shù)不低于5％，為合金高溫下具備良好的強(qiáng)度與硬度提供保障。

3、合金微觀(guān)組織呈現(xiàn)(Nb,Ti)B與Cr₂₃C₆在晶界處交替分布形貌，抑制連續(xù)網(wǎng)狀Cr₂₃C₆與(Nb,Ti)B的形成。組織穩(wěn)定，長(zhǎng)期熱暴露條件下無(wú)新物相析出，且組織形貌變化不明顯。

4、合金在確保良好高溫強(qiáng)度的同時(shí)，減少了Ni、Cr等元素含量，有效降低了合金原料成本。

5、在HK40合金(25Cr20Ni)成分基礎(chǔ)上加入較高的B元素，促進(jìn)初生硼化物(Nb,Ti)B的形成，并通過(guò)調(diào)整B、C元素的比例，促進(jìn)形成(Nb,Ti)B與Cr₂₃C₆在晶界處交替分布的組織形貌，抑制了連續(xù)網(wǎng)狀Cr₂₃C₆與(Nb,Ti)B的形成，消除了材料在超高溫(1000℃)以上使用時(shí)“硼脆”現(xiàn)象對(duì)材料服役性能造成的危害。此外，向合金中加入一定含量的Al以確保合金在超高溫條件下具備優(yōu)異的抗氧化與抗腐蝕性能。

6、本發(fā)明管材料具備良好的綜合性能及組織穩(wěn)定性，長(zhǎng)期熱暴露條件下析出相尺寸變化不大，晶內(nèi)無(wú)明顯的第二相析出，且無(wú)新相形成。合金在1000℃及1100℃屈服強(qiáng)度分別高于90MPa及45MPa，在1050℃時(shí)氧化速率低于1.8×10^-11g²cm^-4s^-1。特別適用于乙烯生產(chǎn)中的裂解爐管等超高溫(1000℃以上)條件下長(zhǎng)期使用的部件，也可應(yīng)用于火力發(fā)電機(jī)組中煤粉燃燒器噴嘴、玻璃纖維行業(yè)中的離心器等部件，以及一些溫度較低的部件，例如制氫轉(zhuǎn)化爐管、核電機(jī)組壓水堆蒸汽發(fā)生器管熱管與火電機(jī)組鍋爐再熱器等。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1合金微觀(guān)組織分析圖。

圖2為實(shí)施例1合金組織。

圖3為圖2中A處的元素EDS點(diǎn)分析結(jié)果。

圖4為圖2中B處的元素EDS點(diǎn)分析結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例的高溫合金鑄管材料，按質(zhì)量百分比包括：C：0.2％，Cr：6％，Ni：24％，Co：3.0％，Mn：0.3％，Si：0.2％，W：5.0％，Al：15％，Ti：2.5％，Nb：1.5％，B：0.5％，余量為Fe。

本實(shí)施例的制備方法包括以下步驟：

1)原料配制：成分按質(zhì)量百分比包括：C：0.2％，Cr：6％，Ni：24％，Co：3.0％，Mn：0.3％，Si：0.2％，W：5.0％，Al：15％，Ti：2.5％，Nb：1.5％，B：0.5％，余量為Fe。

2)熔煉步驟：將上述成分中除Si和Mn以外的所有元素采用感應(yīng)爐將配制的合金熔煉成合金母液，鋼液達(dá)到1500℃以上后加入硅和錳脫氧，并控制母液中P、S雜質(zhì)元素的質(zhì)量百分比含量均＜0.03％，隨后在鋼液溫度達(dá)到1650℃后出爐澆注。

實(shí)施例2

本實(shí)施例的高溫合金鑄管材料，按質(zhì)量百分比包括：C：0.5％，Cr：25％，Ni：20％，Co：3.0％，Mn：0.1％，Si：0.3％，W：7.5％，Al：5％，Ti：0.5％，Nb：1.5％，B：0.9％，余量為Fe。

本實(shí)施例的制備方法包括以下步驟：

1)原料配制：成分按質(zhì)量百分比包括：C：0.5％，Cr：25％，Ni：20％，Co：3.0％，Mn：0.1％，Si：0.3％，W：7.5％，Al：5％，Ti：0.5％，Nb：1.5％，B：0.9％，余量為Fe。

2)熔煉步驟：將上述成分中除Si和Mn以外的所有元素采用感應(yīng)爐將配制的合金熔煉成合金母液，鋼液達(dá)到1500℃以上后加入硅和錳脫氧，并控制母液中P、S雜質(zhì)元素的質(zhì)量百分比含量均＜0.03％，隨后在鋼液溫度達(dá)到1630℃后出爐澆注。

參見(jiàn)表1，對(duì)實(shí)施例1-2的合金材料高溫性能分別進(jìn)行了測(cè)試，可見(jiàn)合金在1000-1100℃范圍內(nèi)具備了優(yōu)異的高溫強(qiáng)度性能及抗氧化性能。測(cè)試合金在1000℃及1100℃時(shí)壓縮屈服強(qiáng)度分別高于90MPa及45MPa，在1050℃時(shí)氧化速率低于1.8×10^-11g²cm^-4s^-1。

表1實(shí)施例1和2合金高溫性能測(cè)試結(jié)果

參見(jiàn)圖1，對(duì)實(shí)施例1合金微觀(guān)組織形貌進(jìn)行觀(guān)察，可以看到合金組織中除了奧氏體與碳化鉻兩相存在外，在晶界處還存在白色塊狀物相與黑色桿狀物相存在。參見(jiàn)圖2、圖3和圖4，對(duì)兩種物相進(jìn)行了EDS點(diǎn)掃描分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)白色物相為具有Nb、Ti元素富集，應(yīng)為初生MC型富Nb、Ti碳化物。黑色物相中有Nb、Ti、B富集，表明其主要為硼化物。

實(shí)施例3

本實(shí)施例的高溫合金鑄管材料，按質(zhì)量百分比包括：C：0.4％，Cr：20％，Ni：25％，Co：0.5％，Mn：0.2％，Si：0.1％，W：6.0％，Al：10％，Ti：1％，Nb：1％，B：1.0％，余量為Fe。

本實(shí)施例的制備方法包括以下步驟：

1)原料配制：成分按質(zhì)量百分比包括：C：0.4％，Cr：20％，Ni：25％，Co：0.5％，Mn：0.2％，Si：0.1％，W：6.0％，Al：10％，Ti：1％，Nb：1％，B：1.0％，余量為Fe。

2)熔煉步驟：將上述成分中除Si和Mn以外的所有元素采用感應(yīng)爐將配制的合金熔煉成合金母液，鋼液達(dá)到1500℃以上后加入硅和錳脫氧，并控制母液中P、S雜質(zhì)元素的質(zhì)量百分比含量均＜0.03％，隨后在鋼液溫度達(dá)到1650℃后出爐澆注。

實(shí)施例4

本實(shí)施例的高溫合金鑄管材料，按質(zhì)量百分比包括：C：0.5％，Cr：24％，Ni：22％，Co：1％，Mn：0.5％，Si：0.5％，W：6.5％，Al：6％，Ti：1.5％，Nb：1.2％，B：0.75％，余量為Fe。

本實(shí)施例的制備方法包括以下步驟：

1)原料配制：成分按質(zhì)量百分比包括：C：0.5％，Cr：24％，Ni：22％，Co：1％，Mn：0.5％，Si：0.5％，W：6.5％，Al：6％，Ti：1.5％，Nb：1.2％，B：0.75％，余量為Fe。

2)熔煉步驟：將上述成分中除Si和Mn以外的所有元素采用感應(yīng)爐將配制的合金熔煉成合金母液，鋼液達(dá)到1500℃以上后加入硅和錳脫氧，并控制母液中P、S雜質(zhì)元素的質(zhì)量百分比含量均＜0.03％，隨后在鋼液溫度達(dá)到1650℃后出爐澆注。

實(shí)施例5

本實(shí)施例的高溫合金鑄管材料，按質(zhì)量百分比包括：C：0.3％，Cr：20％，Ni：20％，Co：2％，Mn：0.4％，Si：0.4％，W：5.5％，Al：12％，Ti：2％，Nb：1％，B：0.75％，余量為Fe。

本實(shí)施例的制備方法包括以下步驟：

1)原料配制：成分按質(zhì)量百分比包括：C：0.5％，Cr：24％，Ni：22％，Co：1％，Mn：0.5％，Si：0.0.5％，W：6.5％，Al：6％，Ti：1.5％，Nb：1.2％，B：0.75％，余量為Fe。

2)熔煉步驟：將上述成分中除Si和Mn以外的所有元素采用感應(yīng)爐將配制的合金熔煉成合金母液，鋼液達(dá)到1500℃以上后加入硅和錳脫氧，并控制母液中P、S雜質(zhì)元素的質(zhì)量百分比含量均＜0.03％，隨后在鋼液溫度達(dá)到1650℃后出爐澆注。

該管材料采用中頻爐熔煉，并在鑄態(tài)下直接使用。當(dāng)服役工況壓力大于5MPa時(shí)，該管材料采用真空感應(yīng)爐熔煉，并輔以電渣重熔工藝制備。

本發(fā)明合金鑄態(tài)組織主要由奧氏體基體與枝晶界交替分布的碳化物與硼化物構(gòu)成。其中，硼化物占體積分?jǐn)?shù)不低于5％，Cr₂₃C₆體積分?jǐn)?shù)不低于10％。合金高溫長(zhǎng)期熱暴露條件下組織穩(wěn)定，析出相尺寸變化不大，晶內(nèi)無(wú)明顯的第二相析出，并且無(wú)新相形成。該合金在1000℃及1100℃屈服強(qiáng)度分別高于90MPa及45MPa，在1050℃時(shí)氧化速率低于1.8×10^-11g²cm^-4s^-1。