CN103305765A

CN103305765A - 一种抗高温氧化、高强度的低活化马氏体钢

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Publication number: CN103305765A
Application number: CN2013102399172A
Authority: CN
Inventors: 宋元元; 戎利建; 闫德胜; 鲁艳红
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-06-14
Also published as: CN103305765B

Abstract

本发明涉及一种抗高温氧化、高强度的低活化马氏体钢，其化学成分的重量百分比为C:0.15-0.25%，Cr:8.0-12.0%；W:1.2-2.2%；V:0.2-0.3%；Ta:0.1-0.2%；Al:0.1-0.3%；Si:0.3-0.8%；Mn:0.3-0.7%；P≦0.01%；S≦0.005%；其余为Fe及不可避免的杂质元素。本发明是在9Cr2WVTa低活化马氏体钢的基础上添加适量的Al、Si元素，合理控制C的含量，通过Al、Si及Cr的综合作用提高该类马氏体钢在高温环境下氧化膜的致密性以及与基体的附着性，从而保护基体不再进一步的氧化，提高材料的抗高温氧化性能。同时调整C含量提高该材料的强度，并保持较高的冲击韧性。本发明的低活化马氏体钢既有很好的抗高温氧化性能，同时也具有优异的综合力学性能。

Description

一种抗高温氧化、高强度的低活化马氏体钢

技术领域：

本发明涉及马氏体钢领域，特别涉及一种抗高温氧化、高强度的低活化马氏体钢。

背景技术：

低活化马氏体钢常用作散裂中子源的靶结构材料。散裂中子源系统是加速器驱动次临界（ADS）系统中的重要组成部分。在ADS系统中，结构材料用于束窗及靶材料，将受到高能、高强度的质子或中子辐照，因此要选用低活化钢，即将钢中的高活性元素Mo、Nb和Ni等用低活化元素W、Ta、V等来取代。此外，该材料将长期使用于高温状态，温度在300-600℃，甚至更高温度。因此，需要材料具有优异的抗高温氧化性能。同时该材料也是聚变反应堆的第一壁材料的候选。

低活化马氏体钢9Cr2WVTa由于具有较低的Cr含量，在高温下形成的氧化膜不够致密，且附着性差，其抗高温氧化能力较弱。为了提高钢的抗氧化能力，本发明采用合金化方法，加入合金元素Al和Si。这两种元素与氧的亲和力比Fe大，能发生选择性氧化形成Al₂O₃和SiO₂氧化膜。这些氧化膜比较致密，能起到很好的保护作用，使钢基体不再继续发生氧化。但Al、Si的加入会增加材料的脆性，降低强度和冲击韧性，因此要对其加入量进行严格控制，并同时调整C含量，这样才能使该类马氏体钢在提高抗高温氧化性能的同时，仍然具有高强度、高韧性等优异的综合力学性能。

发明内容：

本发明的目的是提供一种抗高温氧化性能、强度高、韧性好的低活化马氏体钢，解决现有低活化马氏体钢存在的抗高温氧化能力较弱，以及强度和冲击韧性不能兼顾等问题。

本发明的技术方案是：

一种抗高温氧化、高强度的低活化马氏体钢，在低活化马氏体钢9CrWVTa基础上同时添加适量的Al、Si元素，同时控制C的含量，Al元素含量为0.1-0.3%；Si元素含量为0.3-0.8%；C元素含量为0.15-0.25%。

所述的抗高温氧化、高强度的低活化马氏体钢，按重量百分比计，合金的成分如下：

C:0.15-0.25%；Cr:8.0-12.0%；W:1.2-2.2%；V:0.2-0.3%；Ta:0.1-0.2%；Al:0.1-0.3%；Si:0.3-0.8%；Mn:0.3-0.7%；P≤0.01%；S≤0.005%；其余为Fe及不可避免的杂质元素。

所述的抗高温氧化、高强度的低活化马氏体钢，合金的加工工艺是：

（1）采用真空感应炉熔炼合金，严格控制杂质元素含量；

（2）去掉冒口后，铸锭在1100±10℃开锻，终锻温度为900±10℃；

（3）锻后在1100±10℃保温1-3h后进行轧制，轧制变形量为60-70%。

所述的抗高温氧化、高强度的低活化马氏体钢，合金的热处理工艺是：

（1）在980℃-1050℃保温30-60min后水冷；

（2）在750±10℃保温1-3h后空冷。

本发明中Al、Si、C三种元素的作用如下：

Al:铝发生氧化时形成的Al₂O₃氧化膜结构致密、稳定并与基体结合牢固，是提高马氏体钢抗氧化性能的主要元素。但Al是强铁素体形成元素，如Al含量较高，会使马氏体钢在室温下有残余δ铁素体的存在，对材料的性能产生不利的影响，因此，在本发明中Al的含量为：0.1-0.3%。

Si:硅是提高材料抗高温氧化性能常用的有益元素，为了进一步提高材料抗高温氧化性能，需要添加适量的Si元素。同时Si的添加能提高材料的强度，但对材料的冲击韧性造成不利的影响，需要限制Si的添加量。因而将Si含量的范围确定在0.3-0.8%。

C：碳是低活化马氏体钢中稳定奥氏体相区的重要元素，也是强化材料性能的元素。为了保证该钢在高温下能形成奥氏体，并提高材料的性能，同时减小对焊接性能的不利影响，因此，本发明中碳的含量为0.15-0.25%。

本发明的优点在于：

1、本发明冶炼加工方便、简单。

2、本发明明显提高了低活化马氏体钢的抗高温氧化性能，结果见图1。

3、本发明在具有较高的抗高温氧化性能的同时，保持着高强度、高韧性，

具体结果见表2。

附图说明：

图1为优化Al、Si、C后低活化马氏体钢经过750℃×2h回火后显微组织的金相照片；

图2为优化Al、Si、C前后低活化马氏体钢在600℃经过10h后的氧化动力学曲线。

具体实施方式：

本发明抗高温性能、高强度的低活化马氏体钢，在9Cr2WVTa低活化马氏体钢中加入适量的Al、Si元素，同时控制C的含量，形成9Cr2WVTaAlSi合金。其中，Al元素含量为0.1-0.3%，Si元素含量为0.3-0.8%，C的含量为0.15-0.25%，其他元素含量为Cr:8.0-12.0%，W:1.2-2.2%，V:0.2-0.3%，Ta:0.1-0.2%，Mn:0.3-0.7%，P≤0.01%，S≤0.005%，其余为Fe及不可避免的杂质元素。

实施例

采用真空感应炉熔炼合金，严格控制S、P等杂质元素含量，其化学成分如表1所示。去掉铸件的冒口后，在1100±10℃开锻，终锻温度为900±10℃。锻后在1100℃保温2h后进行轧制，轧制变形量为66%左右。热处理工艺为980℃-1040℃（本实施例为1000℃）保温45min后水冷至室温，然后在750℃保温2h后空冷至室温。热处理后得到该钢回火后显微组织如图1所示，从图中可以看到，组织为马氏体板条，没有发现高温δ铁素体的残余。表2是添加Al、Si、C前后低活化马氏体钢的室温力学性能，结果表明通过添加适量的Al、Si、C后，该材料的强度显著提高，冲击韧性虽略有降低，但仍保持在较高水平。图2是添加Al、Si、C前后低活化马氏体钢在600℃经过10h后的氧化动力学曲线。从图中可以看出，添加Al、Si后明显地减缓了材料的氧化速率，提高了抗高温氧化性能。

表1：9Cr2WVTaAlSi的化学成分（wt.%）

	C	Cr	W	V	Ta	Al	Si	Mn	P	S	Fe
												实施例1	0.17	8.88	1.98	0.25	0.14	0.15	0.71	0.61	0.008	0.001	余量
实施例2	0.21	9.12	2.00	0.24	0.16	0.19	0.47	0.54	0.006	0.001	余量

实施例3

0.17

8.92

1.98

0.25

0.15

0.17

0.60

0.48

0.007

0.0015

余量

表2：9Cr2WVTa和9Cr2WVTaAlSi的性能比较

实施例结果表明，本发明在9Cr2WVTa低活化马氏体钢的基础上添加适量的Al、Si元素，同时控制C的含量，通过Al、Si及Cr的综合作用提高该类马氏体钢在高温环境下氧化膜的致密性以及与基体的附着性，从而保护基体不再进一步的氧化，提高材料的抗高温氧化性能。同时调整C含量提高该材料的强度，使其保持较高的冲击韧性。本发明的低活化马氏体钢既有很好的抗高温氧化性能，同时也具有优异的综合力学性能。

Claims

1.一种抗高温氧化、高强度的低活化马氏体钢，其特征在于：在低活化马氏体钢9CrWVTa基础上同时添加适量的Al、Si元素，同时控制C的含量，Al元素含量为0.1-0.3%；Si元素含量为0.3-0.8%；C元素含量为0.15-0.25%。

2.按照权利要求1所述的抗高温氧化、高强度的低活化马氏体钢，其特征在于，按重量百分比计，合金的成分如下：

3.按照权利要求1或2所述的抗高温氧化、高强度的低活化马氏体钢，其特征在于，合金的加工工艺是：

（1）采用真空感应炉熔炼合金，严格控制杂质元素含量；

4.按照权利要求1或2所述的抗高温氧化、高强度的低活化马氏体钢，其特征在于，合金的热处理工艺是：

（1）在980℃-1050℃保温30-60min后水冷；

（2）在750±10℃保温1-3h后空冷。