CN103741065B

CN103741065B - 一种抗高温氧化的奥氏体耐热不锈钢

Info

Publication number: CN103741065B
Application number: CN201310727913.9A
Authority: CN
Inventors: 张志霞; 毕洪运; 李鑫; 翟瑞银; 刘春粟; 常锷
Original assignee: Baosteel Stainless Steel Co Ltd
Current assignee: Baosteel Desheng Stainless Steel Co., Ltd.
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2018-04-10
Anticipated expiration: 2033-12-25
Also published as: CN103741065A

Abstract

一种抗高温氧化的奥氏体耐热不锈钢，其化学成分质量百分比为：C:0.02%以下、Si：2.0～2.5%、Mn:1～2%、Cr:20～22%、Ni:12～14%、N:0.11～0.15%、P<0.035%、S<0.005%、Ce+La+Y:0.06～0.11%，V：0.05～0.15%，Nb：0.1～0.3%，其余为Fe和不可避免杂质；其中，1.4≤（Cr+1.5Si+0.5Nb)/(Ni+0.5Mn+20N)≤1.6，1.5（C+N）≤Nb+V≤0.35%。本发明奥氏体耐热不锈钢，具有良好的高温强度、抗氧化性及成形性，其使用温度可达1050℃，满足汽车排气系统使用温度持续升高和环境保护的需要。

Description

一种抗高温氧化的奥氏体耐热不锈钢

技术领域

本发明涉及一种奥氏体不锈钢，特别涉及一种抗高温氧化的奥氏体耐热不锈钢，适用于制作汽车排气系统高温端零部件。

背景技术

耐热不锈钢与能源和动力机械的进步有密切的关系，可应用于火力发电、原子能、宇航、航空、石油和化学工业等领域。最近，耐热不锈钢逐渐应用于汽车排放系统工程。减少汽车废气排放是当前全人类共同面临的巨大挑战，随着对汽车尾气排放法规的调整，汽车发动机的性能提高，排放气体温度越来越高，排气温度从目前的900～950℃提高到1000～1050℃，这就对排气系统高温端用不锈钢提出更高的要求，尤其是具有高的高温强度、抗高温氧化性和很好的成形性。考虑到铁素体不锈钢的焊接性、成型性和高温强度有限，部分欧系车选用1.4828、309S和310奥氏体耐热钢来制作高温部件。1.4828和309S抗高温氧化性相对较弱，使用时未取得令人满意的效果，310S价格昂贵，使得生产成本大幅提高。

中国专利CN101092678a公布了一种奥氏体耐热疲劳钢，特征是通过C、Mn、B、V、Nb、Y合金元素来提高钢的耐热疲劳性能和强度，合金设计与本发明不同。

中国专利CN102400060a中公布了一种新型含氮奥氏体耐热钢，特征是通过N、Nb、Ti、Mo、Al的添加来提高钢的耐热性能，Al含量较本发明高。

韩国专利KR2012089910-A公布了一种添加Re的高温抗氧化耐热奥氏体不锈钢，C和Re含量与本发明有差异。

日本发明JP2011236465-A公布了一种奥氏体不锈钢，通过添加Nb、B、Al、Cu、La、Ce等元素以获得优良的耐蚀不锈钢，特别突出了Cu在抗氧化性能的贡献，合金设计与本发明不同。

韩国专利KR766251-B1公布了一种节镍奥氏体耐热钢，特征是通过N来取代Ni，通过W取代Mo，获得抗高温性能优良的不锈钢，合金设计与本发明不同。

WO2005103314-A1公布了一种用于排气系统的高铬、镍奥氏体耐热钢，采用高含量Cr，Ni，Mo或W，Nb来提高钢的耐热性。

日本发明JP2005133144-公开了一种用于坦克、容器及化学处理厂的用材，该发明特征是含有较高含量的Mo、Cu及N，含3.0-7.0%Mo,合金设计与本发明不同。

美国US2003084967-A1公布了一种耐热、耐蚀不锈钢，采用高含量Mn，N，C，Nb来提高钢的耐热性。日本发明JP11302798-A公开了一种高氮的奥氏体耐热钢，特征是含有高含量Mn，N和Mo，同时含有Al。JP9324246-A公开了一种含Al、Cu、Nb的用于热交换器的奥氏体不锈钢，含1.0-3.5%Al，合金设计与本发明不同。JP9324245-A公开了一种用于焊接结构件的奥氏体不锈钢，含1.0-6.0%Al，合金设计与本发明不同。对于奥氏体耐热不锈钢，Al、Mn、W、Mo、Cu等元素的加入对耐热性能有利，因此也是研究和开发的关键合金元素。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗高温氧化的奥氏体耐热不锈钢，具有良好的高温强度、抗氧化性、成形性，其使用温度可达1050℃，满足汽车排气系统使用温度持续升高和环境保护的需要。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明设计主要针对汽车排气系统特定的服役环境，要求材料高的抗氧化性能和高的高温强度及良好的加工成形性。同时，在满足材料使用性能要求的前提下，兼顾材料的制造成本。因此，优选在钢中添加适当的Cr、Ni、N、V、Nb、Si、Re等元素。

具体的，本发明的一种抗高温氧化的奥氏体耐热不锈钢，其化学成分质量百分比为：C:0.02%以下、Si：2.0～2.5%、Mn:1～2%、Cr:20～22%、Ni:12～14%、N:0.11～0.15%、P<0.035%、S<0.005%、Ce+La+Y:0.06～0.11%，V：0.05～0.15%，Nb：0.1～0.3%，其余为Fe和不可避免杂质；其中，1.4≤（Cr+1.5Si+0.5Nb)/(Ni+0.5Mn+20N)≤1.6，1.5（C+N）≤Nb+V≤0.35%。

在本发明奥氏体耐热不锈钢的成分设计中：

C：碳固溶在钢中可以提高钢的强度，但碳化物析出后强度下降，热强性随碳含量增加而降低，因此碳含量控制在0.02%以下。

Mn：锰是比较弱的奥氏体形成元素，但在不锈钢中是强烈的奥氏体组织稳定元素，并能提高氮在钢中的溶解度。锰含量过高会有损于抗氧化性能和降低蠕变极限，本发明中Mn含量为1～2%。

Si：硅在奥氏体不锈钢中能形成氧化硅内氧化膜层，它与Cr₂O₃为主的致密氧化膜层共同抵御钢的进一步氧化，从而增加钢的抗氧化能力。

P：磷在不锈钢中被视为有害元素，应尽量控制得越低越好。

S：硫在不锈钢中也被视为有害元素，尤其在本发明的不锈钢中，锰含量较高，因此须严格控制硫的含量，越低越好。

Cr：铬是不锈钢中最重要的合金元素，铬是耐热钢中抗高温氧化和抗高温腐蚀的主要合金元素之一，并提高钢的强度，同时铬形成Cr₂O₃致密的氧化膜，阻碍氧和金属离子的扩散，从而提高钢的抗氧化性，本发明中Cr含量在20～22%。

Ni：镍是形成和稳定奥氏体相最重要的元素，是耐热钢中重要的合金元素之一，同时增加氧化膜层的稳定性，有利于提高钢的抗高温氧化性，并且还可以增强不锈钢抗还原酸的能力和提高加工性能，同时考虑到成本，本发明限制镍的含量在12～14%。

N：氮作为合金元素存在于奥氏体不锈钢中，可以在不明显降低材料塑性和韧性的前提下明显提高钢的室温强度和高温强度，且提高奥氏体的稳定性，还能提高不锈钢的不锈性、耐蚀性以及延缓碳化物的析出等。但由于氮在不锈钢中的溶解度有限，氮含量控制在0.15%以下。

V少量的钒在奥氏体不锈钢中以置换固溶原子存在，一定程度上阻碍晶粒长大，提高钢的室温强度和高温强度。

Nb少量的铌在奥氏体不锈钢中以析出物存在，高温时溶解以置换固溶原子存在，提高钢的室温强度和高温强度。

RE稀土元素对提高不锈钢的抗氧化性能有较为明显的作用。稀土元素的氧化物可以增加基体金属与氧化膜之间的附着力，因为稀土氧化物对基体金属有钉轧作用。稀土金属Ce能降低Cr₂O₃的挥发，改善氧化物的组成，形成稳定的含稀土的氧化膜。稀土元素的加入量不宜过多，否则会恶化钢的质量，因此稀土元素的加入量控制0.11%以下。

在本发明中，C含量不能太高，热端部件在实际工况，需承受室温～1050℃的高温循环温度变化，在这个温度区间长期使用，C原子容易偏聚，与其他原子结合，形成析出相，改变材料的力学性能，因此，组织稳定性也是本发明需要考量的一个指标。降低C含量，限制合金元素的加入量，可以降低碳化物或其他金属间化合物的形成倾向，提高组织稳定性，同时充分发挥Nb，V，C的固溶强化作用，提高钢的强度和高温强度。即或形成氮化物，也不会对强度产生明显的影响。

另外，在C含量较低的情况下，加入太多的Nb和V将偏聚于钢中，损害钢的强度，本发明成分中，1.5（C+N）≤Nb+V≤0.35%。选用Nb和V的复合加入，是因Nb和V的复合加入比单独加入Nb或V的强化效果好。铬当量和镍当量也会影响钢在冶炼、加工甚至使用过程中高温下的组织的稳定性，该值越高，稳定性越差，综合考虑经济性与稳定性，本发明中1.4≤（Cr+1.5Si+0.5Nb)/(Ni+0.5Mn+20N)≤1.6。另外，Si可形成连续和致密氧化物，阻止钢的进一步氧化，稀土的加入，改善氧化皮的特性，由于本发明钢的设计使用温度达到1050℃，因此选择二者同时加入，可有效提高抗高温氧化性。

对于热端歧管用钢，高温强度要求不低于30MPa，另外氧化速率越低越好，氧化速率越低，抗氧化性能越好，则使用寿命越长，根据目前的使用状态，最好不超过0.15g/m²*h。

本发明可用于排气系统耐高温部件，也可以制作在高温工作条件下的各种耐热构件，与现有技术相比，具有以下特点：

（1）本发明利用Si和Re元素的复合加入，提高钢的抗高温氧化性能。

（2）降低C含量的同时，加入N、Nb、V，保证足够的高温强度，其使用温度可达1050℃，同时兼备良好的组织稳定性。

（3）本发明具有良好的成型性，可制作形状比较复杂的零部件，在成本合理的情况下，显著提高了钢的高温使用性能，具有高的性价比。

本发明奥氏体耐热不锈钢高温强度>40MPa、抗氧化性(300h后氧化速率<0.2g/m²*h)及良好的成形性，使用温度可达1050℃。

一般来讲，铁素体不锈钢的成形性差，奥氏体不锈钢的成形性好，因此选用奥氏体不锈钢来制作歧管部件。对于奥氏体不锈钢而言，主要对比的是高温强度和抗氧化性。从强度考虑，本发明钢满足使用要求。从抗氧化性看，4828抗氧化性不如本发明钢；310S的合金含量达到45%，价格偏高，从经济性考虑，不如本发明钢。

附图说明

图1为本发明实施例1奥氏体耐热不锈钢的金相组织。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

本发明实施例钢的化学成分如表1所示。钢锭冷却后随炉加热，加热到1240±10℃后保温90-100分钟，锻造成厚度30mm的方坯。始锻温度1150℃，终锻温度大于950℃，水冷或空冷。锻后热轧，于1250±10℃加热保温1h后开始轧制，始轧温度1200℃，终轧温度控制在1000℃以上。冷却后进行固溶热处理，固溶处理温度1020～1150℃，固溶后水冷。再冷轧至2.0mm。冷轧后固溶处理温度1050～1120℃，固溶后水冷。

实施例1的最终金相组织如图1所示，组织主要是奥氏体和少量的金属氧化物。

对最终固溶处理后的样板进行取样及高温力学性能的测试。测试仪器为INSTRON5982，检验依据GB/T4338-2006执行。测试温度为950、1000、1050和1100℃、1050℃时测得的高温强度列于表2中。

抗氧化性能实验按GB/T13303-91进行，试样为30×10mm，在炉子自然气氛中分别保温50、100、150、200、250和300小时，保温结束后，从炉膛取出，加坩埚盖自然冷却，冷却至室温后称重，计算样品的增重及氧化速率，实验结果如表3所示。

表2奥氏体耐热钢实施例的高温力学性能

表3奥氏体耐热钢实施例的高温抗氧化性能

Claims

1.一种抗高温氧化的奥氏体耐热不锈钢，其化学成分质量百分比为：C:<0.02％、Si2.07～2.5％、Mn 1～2％、Cr 20～22％、Ni 12～14％、N 0.11～0.15％、P<0.035％、S<0.005％、Ce+La+Y：0.06～0.11％，V 0.05～0.15％，Nb 0.1～0.3％，其余为Fe和不可避免杂质；且，同时满足1.4≤(Cr+1.5Si+0.5Nb)/(Ni+0.5Mn+20N)≤1.6，1.5(C+N)≤(Nb+V)≤0.35％。