文档介绍：锅炉用奥氏体热强钢
武汉大学章应霖

细晶强韧型的铁素体热强钢在 550-600℃温度区间具有高达 100Mpa 以上的蠕变断裂
强度,个别新研制的钢(如 NF12)在 600-650℃温度范围内还可以有 100-200Mpa 的蠕变断
裂强度。这是迄今为止所有奥氏体不锈钢所不可比的。但是奥氏体不锈钢蠕变断裂强度随温
度升高而降低的速度远低于铁素体钢。如图 1。因此很早就有人把原来用以抗腐蚀的 18-8
不锈钢当做热强钢来使用,把它用来制作管壁温度高于 580℃部分的过热器、再热器。可是
18-8 不锈钢虽然它的热强性稳定,抗腐蚀和抗氧化性优良,但其蠕变断裂强度水平还是太
低。若用它制作蒸汽管道和集箱,其壁厚就会很厚。此时,18-8 不锈钢导热性差、线膨胀系
数大、对应力腐蚀和热疲劳敏感等缺点就会暴露出来,使这种材料被限制只能使用于薄壁构
件,不得用于制作厚壁构件。因此为了使用这种材料,人们一开始就在努力提高它抗晶间腐
蚀能力的同时也注意研究提高它的强度。研究表明,利用 Ti、Nb、Mo 等碳化物形成元素形
成的稳定碳化物固溶,然后在时效时使它们在晶内弥散析出,不仅改善了抗晶间腐蚀能力,
也提高了强度,如表 1[1]。但这个强度水平还是不够高。用表 1 中的 Cr18Ni12Mo3Ti(相当于
AISI316)钢制作蒸汽温度 650℃、压力为 34Mpa 的 300MW 机组其主蒸汽管的壁厚还需要

图 1 几种钢的许用应力比较
表1
钢种抗拉强度 kg/mm2 %/103h 蠕变极限 kg/mm2 105h 持久强度 kg/mm2
20℃ 600℃ 600℃ 650℃ 600℃ 650℃
Cr18Ni9 ≥55
Cr18Ni11Nb ≥61 45
Cr18Ni12Mo3Ti 60

厚达 185 毫米。这样的应用事例证明是不成功的。(见第三章第 1 节)。因此,在奥氏体热
强钢领域中,总是在不断地探索提高其蠕变断裂强度的途径。尽管在上世纪的 90 年代以前,
研究奥氏体热强钢的投入力度远不如对铁素体热强钢的研究那样大。但多年的研究表明,除
了 Ti、Nb、Mo 等碳化物形成元素形成的稳定碳化物固溶后在晶内时效析出可以提高强度以
外,还有多种多样的脱溶沉淀现象也可以利用来提高强度:元素 Ti、Nb、Mo、Cr 等,除了
形成碳化物以外,它们还促使析出金属间化合物(χ、η等相)。而 Ni、C 等元素有促使 M23C6

[2]
沉淀的作用;元素 Nb、Mo 则会促使 M23C6 转变成 M6C[(Fe,Cr)3Nb3C]型金属间化合物。沿
着这些研究结果的思路,利用多种多样的脱溶沉淀现象近年来开发了一些新的高温蠕变强度
较高的奥氏体热强钢。
图表 1 列出了奥氏体热强钢的发展概况。图表 1 中迄今在火电站用得较多的是 600℃105
小时蠕变断裂强度为 100-120Mpa 的 H Grade,其中尤其是 AISI 304H、AISI 347H、AISI 316H
用得最广泛。上世纪的 90 年代以后,在原来 H Grade 奥氏体热强钢的基础上发展了图表 1
右上角的 Super 304H、ASME 347HFG、Tempaloy A-1、在原来 Alloy 800 的基础上发展了 NF709、
Tempaloy A-3、20Cr-25Ni--Nb-Ti-N。在原来 AISI310 的基础上发展了 15Cr-20NiNbN
(HR3C)。这些钢的强度又明显提高了一步。

图表 1 奥氏体热强钢的发展进程

本章将分别讨论 Super 304H、ASME 347HFG、和 25Cr-20NiNbN(HR3C)
钢的强化途径、性能特点和工艺性。

1,ASME TP347HFG 钢的细晶化及其力学性能和焊接性
细晶 ASME 347HFG 钢是 20 世纪 80 年代日本住友公司开发的奥氏体热强钢。这种钢
被推荐使用于蒸汽温度为 566℃、压力为 316kgf/cm2 的过热器和再热器管道。具有优异的抗
整体腐蚀的特性,同时具有较高的蠕变断裂强度,其许用应力允许高于 ASME 规范规定的 20%。

开发 ASME 347HFG 钢的背景
在蒸汽温度 566℃工作的过热器和再热器管道,不仅需要具备足够高的高温强度,而
且还需要具备优良的抗高温腐蚀