CNRE超高温稀土耐热钢的研发与应用
CNRE Heat-Resistant Steels for Components in Ultra-High Temperature
- 特殊钢 2025年46卷第6期 页码：72-80
- 作者机构：
中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心，沈阳 110016
- 作者简介：
胡小强（1983—），男，博士，研究员，博士生导师；E-mail: xqhu@imr.ac.cn
- 基金信息：福建省科技计划STS配套项目(2023T3062);辽宁省揭榜挂帅项目(2023 JH1/10400053);“兴辽英才计划”青年拔尖人才项目(XLYC2203158)
DOI：10.20057/j.1003-8620.N250524
中图分类号： TG142收稿：2025-08-22，
修回：2025-09-08，
录用：2025-09-09，
纸质出版：2025-11-30
- 稿件说明：
移动端阅览
胡小强,郑雷刚,夏立军等.CNRE超高温稀土耐热钢的研发与应用[J].特殊钢,2025,46(06):72-80.
Hu Xiaoqiang,Zheng Leigang,Xia Lijun,et al.CNRE Heat-Resistant Steels for Components in Ultra-High Temperature[J].Special Steel,2025,46(06):72-80.
胡小强,郑雷刚,夏立军等.CNRE超高温稀土耐热钢的研发与应用[J].特殊钢,2025,46(06):72-80. DOI： 10.20057/j.1003-8620.N250524.
Hu Xiaoqiang,Zheng Leigang,Xia Lijun,et al.CNRE Heat-Resistant Steels for Components in Ultra-High Temperature[J].Special Steel,2025,46(06):72-80. DOI： 10.20057/j.1003-8620.N250524.
摘要
传统高Cr-高Ni型耐热钢在1 000 ℃以上超高温服役时，由于内氧化严重和高温强度不足，难以满足耐热部件严苛的选材要求，成为制约高温装备发展的瓶颈。针对传统高Cr-高Ni型耐热钢存在的上述问题，本研究基于C+N+RE共合金化的设计思想，开发了自主特色品种——CNRE超高温稀土耐热钢。CNRE超高温稀土耐热钢的合金设计思想是，在Mn、N代Ni显著降低合金成本的基础上，借助C+N共合金化，调控晶界析出相，抑制沿晶内氧化，并提高初始强度；利用稀土微合金化，稳定高温组织，提升高温性能。CNRE超高温稀土耐热钢的
w
［Ni］均不超过5%，合金成本较HK40（ZG40Cr25Ni20）等传统高Cr-高Ni型耐热钢降低50%以上，高温性能达到甚至超过传统高Cr-高Ni型耐热钢水平。采用CNRE超高温稀土耐热钢研制的热等静压料筐组件等耐热部件，完全能够满足1 250 ℃/138 MPa的服役工况要求，成功替代了原有昂贵的进口钼合金选材；研制的连续热处理炉的炉底辊耐热部件，使用寿命与HP40（ZG40Cr25Ni35NbM）耐热钢相当，并且有效解决了炉底辊表面结瘤等技术难题。目前，CNRE超高温稀土耐热钢已应用于制造冶金机械、石油化工、能源环保等领域的诸多耐热部件，为高温装备的成本控制、性能优化和自主可控提供了强有力的技术支撑。CNRE超高温稀土耐热钢的研发，也为少合金化钢种的开发提供了新的思路。
Abstract
Under the ultra-high temperature service conditions above 1 000 ℃， the traditional high Cr-Ni heat-resistant steels struggle to meet the rigorous material requirements for heat-resistant components due to their severe internal oxidation and insufficient high-temperature strength， becoming a bottleneck restricting the development of high-temperature equipment. To address those critical issues of current traditional high Cr-Ni heat-resistant alloys， the present work has innovated CNRE heat-resistant steels for components in ultra-high temperature， synchronously alloyed with carbon， nitrogen and rare earth elements. Firstly， the alloy costs of CNRE heat-resistant steels have been significantly reduced by substituting Mn and N for Ni. Secondly， intergranular oxidation of CNRE heat-resistant steels has been suppressed by C+N co-alloying to control grain boundary precipitates during sevicing at ultra-high temperature for long term， while the initial strength has enhanced through solution and precipitation strengthening effects. Additionally， the high-temperature microstructure of CNRE heat-resistant steels has been stabilized with rare earth elements， and then the elevated-temperature strength of those steels could be enhanced. Compared to the typical traditional high Cr-Ni heat-resistant steel of HK40 （ZG40Cr25Ni20）， CNRE heat-resistant steels with less than 6% Ni have reduced the alloy costs by over 50%， but could still achieve the comparable or superior high-temperature performance. At present， CNRE heat-resistant steels have been adopted to make a lot of components for metallurgical machinery， petrochemicals， energy and power plants. It provides strong technical support for cost control， performance optimization and independent control of high-temperature equipments. For example， containers made by CNRE heat-resistant steels instead of the expensive imported molybdenum alloy have completely met service condition requirements of 1 250 ℃/138 MPa in hot isostatic pressing （HIP） equipments. Also， bottom rollers made by CNRE heat-resistant steels， substituting the traditional high Cr-Ni heat-resistant steel of HP40 （ZG40Cr25Ni35NbM） ， have effectively resolved the surface nodulation issue in continuous heat treatment furnaces. Meaningfully， those novel CNRE heat-resistant steels has enlightened a new concept on the steels with less content of alloying elements.
关键词
Keywords
references
Jang M H ， Moon J ， Kang J Y ， et al . Effect of tungsten addition on high-temperature properties and microstructure of alumina-forming austenitic heat-resistant steels ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2015 ， 647 ： 163 - 169 .
Ishikawa H ， Zhang C ， Chen S W ， et al . Precipitate behavior in Fe-20Cr-30Ni-2Nb austenitic heat-resistant steel ［J］. Acta Metallurgica Sinica （English Letters） ， 2015 ， 28 （ 4 ）： 424 - 429 .
Reed R P . Nitrogen in austenitic stainless steels ［J］. JOM ， 1989 ， 41 （ 3 ）： 16 - 21 .
Rosser J C ， Bass M I ， Cooper C ， et al . Steam oxidation of super 304H and shot-peened super 304H ［J］. Materials at High Temperatures ， 2012 ， 29 （ 2 ）： 95 - 106 .
肖纪美 . 铬锰碳氮奥氏体不锈耐热钢的研究 ［J］. 金属学报 ， 1958 ， 3 ： 138 - 180 .
李有柯 ， 谢仰华 ， 郭蕴宜 ， 等 . 铬-锰-氮奥氏体耐热钢的研究 ［J］. 金属学报 ， 1966 ， 9 ： 33 - 41 .
Douglass D L ， Gesmundo F ， Deasmundis ，C. The air oxidation of an austenitic Fe-Mn-Cr stainless steel for fusion-reactor applications ［J］. Oxidation of Metals ， 1986 ， 25 （ 3 ）： 235 - 268 .
Pérez F J ， Cristóbal M J ， Arnau G ， et al . High-temperature oxidation studies of low-nickel austenitic stainless steel. Part I： Isothermal oxidation ［J］. Oxidation of Metals ， 2001 ， 55 （ 1 ）： 105 - 118 .
Byrnes M L G ， Grujicic M ， Owen W S . Nitrogen strengthening of a stable austenitic stainless steel ［J］. Acta Metallurgica ， 1987 ， 35 （ 7 ）： 1853 - 1862 .
Ha H Y ， Lee T H ， Oh C S ， et al . Effects of combined addition of carbon and nitrogen on pitting corrosion behavior of Fe-18Cr-10Mn alloys ［J］. Scripta Materialia ， 2009 ， 61 （ 2 ）： 121 - 124 .
Behjati P ， Kermanpur A ， Najafizadeh A ， et al . Design of a new Ni-free austenitic stainless steel with unique ultrahigh strength-high ductility synergy ［J］. Materials & Design ， 2014 ， 63 ： 500 - 507 .
Talha M ， Behera C K ， Sinha O P . Effect of nitrogen and cold working on structural and mechanical behavior of Ni-free nitrogen containing austenitic stainless steels for biomedical applications ［J］. Materials Science and Engineering： C ， 2015 ， 47 ： 196 - 203 .
Kartik B ， Veerababu R ， Sundararaman M ， et al . Effect of high temperature ageing on microstructure and mechanical properties of a nickel-free high nitrogen austenitic stainless steel ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2015 ， 642 ： 288 - 296 .
Roach M D ， Wright S I . Investigations of twin boundary fatigue cracking in nickel and nitrogen-stabilized cold-worked austenitic stainless steels ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2014 ， 607 ： 611 - 620 .
Kermanpur A ， Behjati P ， Han J ， et al . A microstructural investigation on deformation mechanisms of Fe-18Cr-12Mn-0.05C metastable austenitic steels containing different amounts of nitrogen ［J］. Materials & Design ， 2015 ， 82 ： 273 - 280 .
郑雷刚 . 新型Cr-Mn-N奥氏体耐热钢的材料研究与应用 ［D］. 中国科学院大学 ， 2015 .
Zhu S J ， Wang Y ， Wang F G . Comparison of the creep crack growth resistance of HK40 and HP40 heat-resistant steels ［J］. Journal of Materials Science Letters ， 1990 ， 9 （ 5 ）： 520 - 521 .
Whittaker M. ， Wilshire B. ， Brear J . Creep fracture of the centrifugally-cast superaustenitic steels， HK40 and HP40 ［J］. Materials Science and Engineering A ， 2013 ， 580 ： 391 - 396 .
安俊超 ， 荆洪阳 ， 徐连勇 ， 等 . 乙烯裂解炉管HP40合金的蠕变性能 ［J］. 天津大学学报 ， 2011 ， 44 （ 10 ）： 930 - 935 .
徐自立 ， 原进秋 ， 李建平 ， 等 . 国产HP─Nb合金离心铸管的持久性能 ［J］. 化工机械 ， 1994 ， 21 （ 2 ）： 89 - 92+35 .
干勇 ， 田志凌 ， 董瀚 ， 等 . 中国材料工程大典第3卷（下） ［M］. 北京 ： 化学工业出版社 ， 2005 ， 980 .
Zhang J . S . High Temperature Deformation and Fracture of Materials ［M］. Woodhead Publishing ， 2010 ： 384 .
杨仁贤 ， 马澍成 ， 蔡 欣 ， 等 . Ce元素对316 LN奥氏体不锈钢高温蠕变性能的影响 ［J］. 材料研究学报 ， 2024 ， 38 （ 1 ）： 23 - 32 .
Li D Z ， Wang P ， Chen X Q ， et al . Low-oxygen rare earth steels. Nature Materials ［J］. 2022 ， 21 （ 10 ）： 1137 - 1143 .
Peng X ， Yan J ， Zhou Y ， et al . Effect of grain refinement on the resistance of 304 stainless steel to breakaway oxidation in wet air ［J］. Acta Materialia ， 2005 ， 53 （ 19 ）： 5079 - 5088 .
Wagner C . Theoretical analysis of the diffusion processes determining the oxidation rate of alloys ［J］. Journal of the Electrochemical Society ， 1952 ； 99 ： 369 - 380 .
Ul-Hamid A . TEM study of the effect of Y on the scale microstructures of Cr 2 O 3 - and Al 2 O 3 -forming alloys ［J］. Oxidation of Metals ， 2002 ； 58 ： 23 - 40 .
郑雷刚 ， 胡小强 ， 康秀红 ， 等 . Cr-Mn-N奥氏体耐热钢中M 23 C 6 型碳化物析出特征及其对韧塑性的影响 ［J］. 金属学报 ， 2013 ， 49 （ 9 ）： 1081 - 1088 .
Zheng L G ， Hu X Q ， Kang X H ， et al . Effect of intergranular precipitation on the internal oxidation behavior of Cr-Mn-N austenitic stainless steels ［J］. Acta Metallurgica Sinica （English Letters） ， 2015 ， 28 （ 8 ）： 1008 - 1014 .
Zheng L G ， Hu X Q ， Kang X H ， et al . Precipitation of M 23 C 6 and its effect on tensile properties of 0.3C-20Cr-11Mn-1Mo-0.35N steel ［J］. Materials & Design ， 2015 ， 78 ： 42 - 50 .
胡小强 ， 郑雷刚 ， 夏立军 ， 等 . 一种链篦机篦板用高强度、抗氧化CNRE稀土耐热钢及其制备方法 . 中国 . ZL 202111233969.X ［P］， 授权日 2023.03 . 17 .
中华人民共和国工业和信息化部 . 高温承压用离心铸造合金炉管 ： HG/T 2601—2011 ［S］. 化工出版社 ， 2012 .
鞍钢股份中厚板事业部鞍山中厚板厂 . 炉底辊三新技术试用总结报告 ［R］. 2022 .
四川航空工业川西机械有限公司 . 高温高压下料框承揽应用证明 ［R］. 2016 .
0
浏览量
2
下载量
0
CSCD
0
CNKI被引量
- 网络PDF下载
- WORD下载
- Meta-XML下载
- BibTeX下载
- Endnote下载
- RefMan 下载
- NoteExpress下载
- NoteFirst下载
关联资源
相关文章
相关作者
相关机构
- 技术支持由北京北大方正电子有限公司提供 鄂ICP备2022000839号
京公网安备11010802024621 - 本系统建议在Chrome、 IE9+ 以上版本浏览器阅读本站内容，360浏览器请切换至极速模式
- Cookies帮助我们提供服务并提供个性化体验。使用本网站，即表示您同意我们使用Cookies
- 总访问量：35684