253MA、153MA和353MA三种新型奥氏体耐热不锈钢评述介绍(节选)
urvey and Introduction of Three New Kinds of Austenitic Stainless Steel: 253MA, 153MA and 353MA

韩肈俊Han Zhaojun 北京巴威公司Babcock & Wilcox Beijing Co., Ltd.
包汉生Bao Hansheng 钢铁研究总院结构材料研究所Central Iron & Steel Research Institute

本文根据欧洲253MA奥氏体耐热不锈钢供货厂商提供的最新资料,2007年最新版ASME规范及材料标准评述介绍该种新材料及同系列钢种的性能特点及应用。253MA、153MA和353MA钢,这三种新钢种尽管其化学成分中只含有相对较少量的Cr和Ni,但是,通过添加稀土(Re)元素并加入氮(N)元素微合金化改良后,综合性能良好,可以在很多高温及耐腐蚀使用场合下替代含有更高合金的钢种以及价格昂贵的镍基合金。
This paper is mainly going to discuss and make a survey of what the properties and it’s applications about the new type of 253MA austenitic stainless steel and the homologous series steels according to the latest data supplied by the European supplier of 253MA austenitic stainless steel, as well as based on of the latest 2007 Edition of ASME Codes and it’s material specifications.
By means of microalloying of the steel through addition the Rare Earth(Re) Metals and Nitrogen(N), these new type of steels have a good combination properties, in spite of there are a relatively few content of Chromium(Cr) and Nickel(Ni ) in the chemical composition in these three kinds steel of new type of austenitic stainless steel, 253MA、153MA and 353MA。For this reason, these new type of steels can substitute the steels with more higher alloy and the cost expensive Nickel-based alloys in many cases of the applications at high-temperatures or corrosive service.

锅炉和压力容器;奥氏体耐热不锈钢;新钢种;ASME规范/ASTM材料
Boiler and Pressure vessel; Austenitic stainless steel; New type of steels; ASME Code/ ASTM Material.

一、概述
耐热不锈钢在锅炉和压力容器中有着广泛的应用,锅炉和压力容器的用户为了延长设备的使用寿命,制造厂为了降低原材料成本,简化工艺,总是要求钢铁的研究和生产单位不断地开发出性能价格比更好的新钢种用来替代传统的钢种。例如,在锅炉上的应用,近年来为了实现清洁煤燃烧技术,流化床(CFB)锅炉、特别是内循环流化床(IR-CFB)锅炉的发展很快, 其炉膛出口处的分离元件如“ U”形槽钢板,原设计过去往往选用美国钢铁学会标准AISI 310型和310S型奥氏体不锈钢,在垃圾锅炉上,也需要耐腐蚀性高的材料。在压力容器的应用上,当介质具有强烈的腐蚀性时,也需要选用象800和601等价格昂贵的镍基合金。
本文要评述介绍的253MA、153MA和353MA这三种新型奥氏体耐热不锈钢,是在310型和310S型(21Cr-11Ni),304型(18Cr-9Ni)和353型(25Cr-35Ni)传统铬-镍(Cr-Ni)奥氏体不锈钢的基础上,通过添加铈(Cerium)、镧(Lanthanum)、钕(Neodymium)、镨(Praseodymium)等稀土金属元素(Rare Earth Metals,Rem),并加入氮(N)元素微合金化,在80年代中、后期发展而成的新型奥氏体耐热不锈钢。三种新型奥氏体耐热不锈钢与具有更高合金含量的不锈钢有着同样良好的抗氧化性能和高温蠕变强度,其中,253MA钢的使用温度可以高达830~1100 ℃。
这三种材料中的253MA钢,原本是欧洲Avesta Sheffield AB公司的钢种注册商标名称。据资料介绍,在世界上较早完成开发并可以批量生产该钢种的钢厂有瑞典的阿维斯塔谢菲尔德( Avesta Sheffield AB )有限公司和山特维克(Sandvik)集团公司,还有美国宾州Robesonia的Reading Alloys(RA)公司等。
从2001年版的ASME规范起,253MA、153MA和353MA这三种新型奥氏体耐热不锈钢已按美国UNS统一合金编号S30815,S30415和S35315被纳入SA-240等8个ASME材料标准以及相应的‘规范案例’2033-2号“第 I卷规范构造用21Cr-11Ni-N (UNS S30815) 合金”之中,成为了ASME规范许用材料,而可用于按ASME规范设计制造的第 I卷、第VIII卷第1册和第XII卷规范产品构造上。
根据2001、2004和2007年版ASME 规范的规定,253MA钢在其第 I卷“动力锅炉”产品和第VIII卷第1册“压力容器”规范产品构造上可以使用到900 ℃的承压场合及工作温度高达1150 ℃的非承压高温零部件;在第XII卷“运输罐”产品构造上可以使用到343 ℃的承压场合。

二. 成分设计和冶金理论
253MA、153MA和353MA这三种新型奥氏体耐热不锈钢的最大特点是:尽管其所含的铬(Cr)和镍(Ni)含量相对来说较低,但这些新型不锈钢却具有与高合金化的铬-镍合金钢和镍基合金相同的高温特性,非常适合于需要高蠕变强度和良好抗腐蚀力的应用场合。
这三种新型奥氏体不锈钢材料的成分设计及依据的冶金理论是一致的,由欧洲的特殊钢钢厂首先开发成功的是其中之一的253MA钢。它和美国AISI 309S型(23Cr-13Ni) 或310S型(25Cr-20Ni)奥氏体耐热不锈钢,及与800(21Cr-32Ni, ASTM N08800)型或601(23Cr-60Ni, ASTM N06601)型镍基合金相比,具有综合性能良好、优势明显的根本原因是:
首先,253MA钢的化学成分中只含有 21%的Cr和11%的Ni,并加入了很少量的、但是加以严格控制的稀土(Re)元素;二是通过加入氮(N)和或铈(Ce)元素微合金化,更利于改善高温蠕变性能,并使该材料成为全奥氏体组织;三是为了使得该材料具有更好的抗氧化性,在冶金上控制并保持了较少的钼(Mo)和锰(Mn)的含量。

三. 技术标准
253MA钢作为欧洲的耐热钢材料首先被列入英国SS标准和德国DIN标准,钢种编号分别为SS 2368和DIN 1.4893。从1995年版起,该材料已经纳入ASTM及ASME标准中,按美国UNS统一合金编号方法编号为UNS S30815,材料的公称成分为“21Cr-11Ni-N ”或“21Cr,11Ni,加N和Ce改良”。
从2001年版的ASME规范起,253MA、153MA和353MA这三种新型奥氏体耐热不锈钢已批准成为ASME规范许用材料,其材料的制品形式及其适用ASME材料标准,如表1所示。在ASME规范的第 I卷、第VIII卷第1册和第XII卷中,以及在第II卷、A篇“铁基材料”的ASME材料标准中,Avesta Sheffield AB公司的注册商标名称153MA,253MA和353MA钢分别和美国ASME/ASTM 标准中的UNS S30415, S30815 和S35315钢一一对应。在钢种名称上,‘UNS’为美国统一合金编号,‘S’代表为奥氏体钢。在下面的评述中,凡是列举美国统一合金编号的资料均针对ASME 规范及ASME材料标准,列举欧洲钢材注册商标名称处主要引自Avesta Sheffield AB公司资料。
表1 2001-2007年版ASME材料标准中的253MA、153MA和353MA材料(略)
如上表所示,只有253MA(S30815)钢一种材料,是在8个ASME材料标准中全部都列入了的,而在SA-240奥氏体钢钢板、薄板和钢带标准中,则S30815,S30415和S35315(253MA、153MA和353MA)三种材料均已列入,且其应用前景也最好。
顺便说明的是,三种材料在表1中列出的8个ASME材料标准中的适用情况从2001年版起,到2007年最新版以及‘A08’增补,并无发生新的变化。

四.化学成分
表2(略)所示为2007年版ASME规范第II卷,SA-240压力容器钢板标准中所列的S30415, S30815 和S35315材料的化学成分。
表22007版SA-240压力容器钢板标准中253MA钢,以及S30415、 S30815 和S35315钢的化学成分要
(略)

五.253MA钢的金相组织和高温性能
5.1 概况
253MA钢是全奥氏体钢,通过添加氮元素得到稳定的奥氏体组织。但是,当铬和硅元素的含量相对较高时会成为‘奥氏体-铁素体’双相钢。由于253MA钢是一种有着较高碳含量的奥氏体钢,所以253MA钢的金相组织中含有碳化物。253MA钢具有很高的抵抗σ相沉淀的稳定性。
253MA钢在空气介质中具有很高的氧化皮生成温度,该温度为1150 ℃。253MA有着良好的高温抗氧化性能,国外的研究表明,即使是在大幅度快速变化的温度条件下,253MA钢表面的氧化皮和基体仍结合得很牢固,不易出现氧化皮剥落现象。
253MA钢在高温和快速循环温度变动条件下具有很好的抵抗热变形能力,同时具有良好的抗氧化性和抗热变形综合能力。253MA钢的抗热变形能力源于它非常好的高温蠕变强度和韧性。
253MA钢在不要求高温蠕变强度的较低的温度条件下,也具有良好的力学性能。

5.2 湿态条件下抗腐蚀性
253MA钢并不是液体介质条件下使用的钢种,由于它的碳含量较高,所以抗晶界腐蚀能力较低。对253MA钢通常不做晶界腐蚀试验。

5.3 其他抗高温腐蚀性能
5.3.1硫侵蚀
(略)
5.3.2高温渗碳和渗氮
(略)

六.253MA钢、S30415, S30815 和S35315钢的力学性能和许用应力
6.1 253MA钢的力学性能
(略)

6.2 S30815钢材料的许用应力
按照ASME规范的一贯原则,对于新型材料用于规范产品的构造上、特别是当用于建造承压元件时,其最高使用温度和最大许用应力往往首先以“规范案例”方式来批准使用。对于这三种由首先由欧洲开发完成的新材料也是如此。
直到ASME出版2001年版为止,在第II卷D篇中目前只能查到适用于第VIII卷第1册规范产品构造上的S30815钢材料的最大许用应力值、适用温度范围、材料的P-No.号以及外压线图。对于第 I卷‘动力锅炉’产品,2001版ASME出版的‘规范案例’集中有1998.3.5批准的案例2033-2“第 I卷规范构造用21Cr-11Ni-N (UNS S30815) 合金”中,给出了如下表7所示的最大许用应力值(供与最新版的数据做对比用)。也就是说在同版本的第II卷D篇中尚未列出S30415和S35315钢的许用应力及其他数据。
(略)

七.物理性能
253MA钢的各项物理性能如表8所示,表中数据引自Avesta Sheffield AB公司资料。
表 8253MA钢的各项物理性能(略)

八.工艺资料
253MA钢尽管强度高,仍容易成形,并具有良好的可焊接性。生产经验表明只要制造设备适合于加工和压制成形,该钢的加工制造不会有困难。

8.1成形
(略)

8.2机加工
253MA钢不容易机加工,它的硬度较高并有应变硬化倾向,所以机加工时应加注意。

8.3焊接
(略)

8.4热处理
Avesta Sheffield AB公司对253MA钢推荐:固溶退火温度为 1050 – 1100 ℃, 随之快冷。
按最新2007版加A08增补的第II卷A篇中SA-213/SA-213M管子标准中的规定:S30815钢的热处理应最低加热到1050 ℃温度进行奥氏体化固溶热处理,随后进行水冷或以其他方式快速冷却。按照SA-182/SA-182M“高温用锻制或轧制合金钢公称管道法兰、鍛制管配件、阀门和零件”标准中的规定:S30815钢的‘F45’级别锻件的热处理应最低加热到1040 ℃温度进行奥氏体化固溶热处理加淬火,随后在液体中冷却;在做淬火后,需冷却到260℃以下。

九.检验
适合的无损检验方法包括:射线检验,渗透检验,水压试验,泄漏检测和铁素体测量,破坏性试验可用弯曲试验及冲击试验的方式进行。
总之,如上所述,无论是253MA钢或S30815钢,包括S30415和S35315钢在内是综合性能良好的新材料,国内的锅炉及压力容器制造厂通过国外引进技术已经注意到它们完全可以用来在很多高温及耐腐蚀使用场合下替代含有更高合金的钢种以及价格昂贵的镍基合金,非常适合作为压力容器,流化床(CFB)锅炉及垃圾锅炉的新型高温材料使用。

参考文献
瑞典Avesta Sheffield AB公司资料;
2001,2004,2007 ASME Section II, Part A; Part D;
2001,2004,2007 ASME Code Cases

©2009 Coryright Reserved 版权所有:中石协ASME规范产品协作网(CACI)
地址:北京西城月坛南街26号1号楼4032室
电话:010-68532102 传真:010-68532101 邮编:100825 E_mail:caci@caci.org.cn