CN101096741A - 一种含稀土抗高温氧化铁素体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不锈钢及其制备方法，特别涉及一种含稀土抗高温氧化铁素体不锈钢及其制备方法。解决现有铁素体不锈钢或是耐高温氧化性差、或是冶炼难度大成本高的技术问题。一种含稀土抗高温氧化铁素体不锈钢，其化学成分的重量百分比为：C 0.03～0.05％，Si 0.2～0.5％，Mn 0.4～0.6％，S 0.002～0.007％，P 0.01～0.03％，Cr 16～18％，N≤0.03％，[O_T]≤0.015％，RE 0.05～0.3％，余量为Fe。可用于制作耐热器具、燃烧器等抗高温氧化性能部件，也可开发应用于汽车排气的净化器，排气歧管，各种燃烧机器的间歇式加热的耐热部件等。

Description

一种含稀土抗高温氧化铁素体不锈钢及其制备方法

技术领域：本发明涉及一种不锈钢及其制备方法，特别涉及一种含稀土抗高温氧化铁素体不锈钢及其制备方法。

背景技术：近年来我国不锈钢生产和消费市场的迅猛发展，造成比较稀缺而昂贵的镍资源更突出的供求矛盾。在中国，乃至世界镍可开采的矿产储存少，故镍是一种稀缺的战略物资，它的应用，特别是未来的应用都会受到严格限制，为了节约昂贵的镍资源，大力开发和发展具有我国资源特色不含镍的铁素体不锈钢是很有意义的。在铁素体不锈钢中，较为典型的牌号是SUS430铁素体不锈钢，可用于制作高温环境条件下使用的耐热器具、热交换器、燃烧器等部件，但其耐高温氧化性能则嫌不足，造成部件使用寿命短。目前提高钢的耐高温氧化性，延长产品使用寿命的方法，通常采用提高铬或添加贵重金属，使用高铬含铝、钼、钛、镍、铌、钒等合金的耐热不锈钢。国际专利申请WO03027343介绍了“铁素体不锈钢及用于制作抗高温氧化部件”《FERRITIC STAINLESS STEEL AND USETHEREOF IN THE MANUFACTURE FOR HIGH TEMPERATURE RESISTANT PRODUCTS》，铬高达20％，含Al0.5-1.50，同时要求％Ti+％Nb/1.94＞9(％C+％N)。美国专利US53325443介绍了“含铝的抗高温氧化铁素体不锈钢”《High-aluminum-containing ferritic stainless steel having improvedhigh-temperature oxidation resistance》，铬最高达25wt％，属于高铬级别铁素体不锈钢；同时含1.5-4.0wt％Mo，Nb V和Ti分别要求0.05-1wt t％，含Al量要求高达3-6wt％。并且碳含量要求比较低，要求控制在小于0.03wt％。美国专利US5578265介绍了“用于(汽车等的)催化式排气净化器的铁素体不锈钢”《Ferritic stainless steel alloy for use as catalytic convertermaterial》，要求含Al量要求高达4.5-6.0wt％，铬含量19.0-21.0wt％，Ni≤0.5wt％，Mg+Ca≥0.015wt％，Zr≤0.015wt％。以上三篇对比文献，或是含有较高含量的铝，或是含有高铬和贵重金属，成分中添加较高含量的Al，会使钢水变得流动性很差，中间包水口堵塞，工业上实现难度增加。而成分中加入高铬和贵重金属又使得制造成本大幅提高。

发明内容：本发明的目的是提供一种耐高温氧化性能优于SUS430的铁素体不锈钢，用于制作耐热器具、热交换器、燃烧器等，可明显延长使用寿命，相对含钼、钛、镍、铌、钒等合金的耐热不锈钢而言性价比高，解决现有铁素体不锈钢或是耐高温氧化性差、或是冶炼难度大成本高的技术问题。

本发明的技术方案为：一种含稀土抗高温氧化铁素体不锈钢，其化学成分的重量百分比为：C 0.03～0.05％，Si 0.2～0.5％，Mn 0.4～0.6％，S 0.002～0.007％，P 0.01～0.03％，Cr 16～18％，N≤0.03％，[OT]≤0.015％，RE 0.05～0.3％，余量为Fe。

在上述化学成份中，铬是使铁素体不锈钢具有铁素体组织并具有良好耐腐蚀性的合金元素。铁素体不锈钢在氧化性介质中，铬能使不锈钢的表面上迅速生成氧化铬(Cr₂O₃)的钝化膜。铁素体不锈钢的不锈性和耐蚀性的获得是由于在介质作用下，铬促进了钢的钝化并使钢保持稳定钝态的结果。铬对铁素体不锈钢性能影响最大的是耐蚀性。主要表现在铬提高钢的耐氧化性介质和酸性氯化物介质的性能；铬还提高钢耐局部腐蚀，比如晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀以及某些条件下应力腐蚀的性能。本发明属于中铬级别铁素体不锈钢，铬保持在16～18％。

碳和氮，在铁素体不锈钢中是不受欢迎的，但又没有办法完全避免。铁素体中碳和氮，除了能使钢强化外，铁素体不锈钢的所有缺点，例如，脆性转变温度高，缺口敏感性大，焊后耐蚀性下降等都与钢中的碳、氮有关，碳和氮之所以没有办法完全避免是因为大气中含有很高的氮，且炼钢用原材料铬、废钢等中也含有碳，在冶炼过程中虽然能够去除部分和大部分去除碳和氮，但若要完全去除则是非常困难的，且钢中碳、氮越低，铁素体不锈钢冶炼成本越高。根据目前我国不锈钢企业冶炼装备及成本的综合考虑，所以控制(C+N)≤0.06～0.08％。

除了碳、氮外，含稀土铁素体不锈钢中氧含量，不仅对韧性有影响，且使钢的脆性转变温度升高。更重要的是为了有效发挥稀土元素的作用，氧含量严格要求控制在[O_T]≤0.015％，以降低稀土氧化物，提高其合金化的作用。

微量稀土元素不仅能净化钢液，而且能细化钢的凝固组织，改变夹杂物的性质、形态和分布，从而提高钢的各项性能。稀土是表面活性元素，富集于晶界，可提高晶界的洁净度；稀土又是局域弱化的强抑制剂，可改善钢的延塑性、韧性和腐蚀性能等。本发明稀土元素控制在0.05～0.30％的范围。以添加微量的稀土元素，获得具有良好抗高温氧化性能的无镍含稀土铁素体不锈钢。

本发明无镍含稀土铁素体不锈钢的制备方法包括如下工艺步骤：冶炼和铸造、铸锭或铸坯开坯、钢材轧制和热处理。现分述如下：

(1)冶炼和铸造、

本发明的无镍含稀土铁素体不锈钢可在真空感应炉、电弧炉+炉外精炼，转炉+炉外精炼中任一种冶炼工艺进行冶炼。

在冶炼中严格控制加入稀土金属前钢液的全氧含量，要求全氧含量≤150ppm，并在出钢浇铸前加入稀土金属，即稀土金属加入后立即浇铸，严格控制稀土金属加入后和浇钢之间的时间为≤25秒，即稀土金属加入钢液中的加入和搅拌时间，要求控制在≤25秒。

浇铸温度控制在1550±15℃。

本发明适用于大生产转炉-炉外精炼-连铸、电炉-炉外精炼-连铸工艺。本发明高温热塑性与SUS430基本相同，若采用连铸时，其连铸工艺可采用现有的SUS430铁素体不锈钢的连铸工艺。

(2)铸锭或铸坯开坯

铸锭或铸坯可采用锻造开坯或连铸连轧，采用锻造开坯时，铸锭或铸坯的加热温度大于等于1100℃，终锻温度不低于900℃，水冷。

(3)钢材轧制

铸锭或铸坯开坯后根据用户要求的钢材规格，进行钢材轧制，钢材坯料的加热温度1150±10℃，开轧温度控制在1100~1150℃，终轧温度控制在≤800℃，空冷。

热轧后，进行热处理：850±40℃装料，保温30～60分钟，空冷。

冷轧后连续退火制度：炉温850±40℃；保温1～3分钟，空冷。

本发明的有益效果是：本发明无镍、中铬级别含稀土铁素体不锈钢综合性能良好，工艺可行，综合性能与SUS430相当，冲击韧性、延伸率优于SUS430，抗高温氧化性能有了明显的提高，最高达15倍。国外类似铁素体钢的专利中添加了很高的Al，这会使钢水变得流动性很差，中间包水口堵塞，工业上实现难度增加，与其相比本发明稀土在结晶器里喂入，可以避免水口堵塞，工艺实现难度大大减小。由于我国具有丰富的稀土资源，本发明的制造成本也大大低于国外类似铁素体钢。可用于制作耐热器具、燃烧器等抗高温氧化性能部件，也可开发应用于汽车排气的净化器，排气歧管，各种燃烧机器的间歇式加热的耐热部件等。本发明主要化学成分、力学性能及抗高温氧化性能与对比例SUS430、US5578265的比较见表1

表1

	C％	Ni％	Cr％	N％	Al％	RE％	σ0.2MPa	σbMPa	A％	αk常温J/cm2	氧化增重％
												SUS430	0.031/0.038	/	16.22/16.80	0.0141/0.0154	/	/	260/281	470/482	28/29	25/30	10.13/19.98
本发明	0.024/0.042	/	16.44/16.80	0.0137/0.0154	/	0.067/0.283	261/302	450/481	30/34	58/126	1.07/7.40
												US5578265	≤0.02	0.2/0.5	19.00/21.00	0.015/0.025	4.5/6.0	0.02/0.05	480	670	25	/	1.5/2.0

附图说明：

图1为本发明实施例1-3与对比例SUS430抗高温氧化性能对比图

图2为本发明实施例4-6与对比例US5578265抗高温氧化性能对比图

具体实施方式：根据本发明技术方案所述的无镍型含稀土铁素体不锈钢的化学成分，在真空感应炉上冶炼了本发明实施例1-6的6炉钢，6炉钢的化学成分(wt％)分别如表2，3所示。冶炼后，浇铸成铸锭，接着按其制备方法的工艺步骤，进行了铸锭开坯和钢材轧制和热处理。有关冶炼、铸锭和钢材轧制的有关工艺参数如表4所示。随后，对产品钢材取样，分别进行了力学性能试验，所得结果分别列入表5。由表5看出，强度与SUS430相当，延伸率、冲击韧性优于SUS430。

表6、7和图1，2的数据分别为不同氧含量下，表明加入微量稀土后本发明无镍型含稀土铁素体不锈钢的抗高温氧化性能的明显提高。

在1170℃温度条件下，稀土可以分别使不同级别氧含量的铁素体不锈钢的抗高温氧化性能成倍的提高，一般可提高在5～6倍，最高可达15倍。

表2实施例1-3钢种的化学成份(wt％)

表2所列本发明1-3批号的钢的总氧含量在100-157PPm.

表3实施例4-6钢种的化学成份(wt％)

表3所列本发明4-6批号的钢的总氧含量在55-75PPm.

表4实施例制备过程的有关参数

表5实施例力学性能试验结果

表6实施例抗高温氧化性能试验结果

Claims (3)

1、一种含稀土抗高温氧化铁索体不锈钢，其化学成分的重量百分比为：C0.03～0.05％，Si 0.2～0.5％，Mn 0.4～0.6％，S 0.002～0.007％，P 0.01～0.03％，Cr16～18％，N≤0.03％，[O_T]≤0.015％，RE 0.05～0.3％，余量为Fe。

2、权利要求1所述的一种含稀土抗高温氧化铁素体不锈钢的制备方法，按权1配比冶炼和铸造、铸锭或铸坯开坯、钢材轧制和热处理，其特征是，

a、在冶炼和铸造步骤中：浇铸温度控制在1550±15℃；

b、在铸锭或铸坯开坯步骤中：铸锭或铸坯可采用锻造开坯或连铸连轧，采用锻造开坯时，铸锭或铸坯的加热温度大于等于1100℃，终锻温度不低于900℃，水冷；

c、在钢材轧制步骤中，钢材坯料的加热温度1150±10℃，开轧温度控制在1100~1150℃，终轧温度控制在≤800℃，空冷；

d、在热处理步骤中：热轧后，进行热处理：850±40℃装料，保温30～60分钟，空冷，冷轧后连续退火制度：炉温850±40℃；保温1～3分钟，空冷。

3、根据权利要求2所述的一种含稀土抗高温氧化铁素体不锈钢的制备方法，其特征是，在所述的冶炼和铸造步骤中，加入稀土金属前钢液的全氧含量≤150ppm，稀土金属加入后立即浇铸，稀土金属加入后和浇钢之间的时间为≤25秒。