一种晶界析出强化的奥氏体耐热钢及其制备方法
技术领域
本发明属于高温金属材料制造技术领域,特别涉及具有良好高温持久强度的奥氏体系耐热钢及其制造方法。
背景技术
火力发电依然是我国电力生产的主体。提高火力发电机组的蒸汽参数(温度,压力)是提高热电效率的有效途径。高效、洁净的超临界、超超临界机组的发展对于提高火力发电的效率有十分明显的影响,而机组锅炉过热器、再热器高温段的材料则是我国超临界机组发展的主要制约因素。
发电机组锅炉过热器和再热器材料需要具有优异的高温抗蠕变性能,同时还要具有良好的抗高温氧化性能以及经济性。目前,投入使用的高温金属材料主要有铁素体耐热钢、奥氏体耐热钢以及高温合金三大类。铁素体系耐热钢因低廉的价格及良好的工艺性能获得了广泛的应用,新型9-12Cr铁素体耐热钢成为了600℃超临界机组的关键材料,但是由于其抗氧化能力以及组织稳定性的关系,其最高工作温度不能超过650℃,难以满足机组蒸汽温度700℃乃至更高的温度条件;高温合金高温持久强度较好,但是其加工工艺性能差,价格昂贵,也极大的限制了其使用。相比价而言,由于奥氏体具有FCC密排结构,较BCC结构的铁素体更易获得较好的组织稳定性,且奥氏体耐热钢含有更高的铬,具有更好的抗高温氧化性能,因而在新型耐热钢的开发中更具潜力。
在专利CN1340109,US7731895B2,US6939415B2中公开的奥氏体耐热钢中,主要合金元素为铬(Cr)、镍(Ni)、铌(Nb)以及碳(C),其强化原理无一例外都是通过在钢中添加合金元素碳(C),依靠在高温长期服役过程中析出的含铬碳化物M23C6以及NbC、MX相析出强化,第二相析出高温下能够有效钉扎位错运动,从而达到耐热钢在600-650℃温度范围内的蠕变强度,但主要析出相M23C6在耐热钢长期服役过程中易粗化长大,稳定性不佳,对抗高温蠕变性能不利,同时,碳(C)元素的添加还将使得材料焊接性能下降,不利于材料的生产应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有强化的奥氏体耐热钢高温存在的问题,提出一种新型的晶界析出强化的奥氏体耐热钢,通过热处理诱导Laves相Fe2Nb在晶界上的析出,利用高温条件下稳定性更好的Laves phase作为析出强化相,取代钢中常见的碳化物析出相,能够有效提高材料的高温持久强度,且组成元素较少,成分简单,易于在工业生产中使用。
本发明提出的一种晶界析出强化的奥氏体耐热钢,其特征在于,该耐热钢在高温服役条件下析出强化相为Laves相Fe2Nb,代替常见碳化物析出相,通过固溶处理及时效处理,在晶界上得到Laves相Fe2Nb析出,强化奥氏体晶界,改善抗蠕变性能;该奥氏体耐热钢的各成分占总质量分数分别为:铬:18wt%-22wt%,镍:31wt%-35wt%,铌:3wt%-5wt%,硼:0.002wt%-0.02wt%,其余为Fe
该钢中利用Laves相取代常见碳化物作为析出强化相,有效强化了晶界,从而改善了高温使用性能。
本发明还提出上述奥氏体耐热钢的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
(1)将按上述比例称量的金属铁、镍、铬、铌鉄、錋铁放入氧化镁坩埚中;
(2)将氧化镁坩埚置于真空炉中,对真空炉抽真空,当真空炉内压强小于10Pa时,对真空炉中的感应圈进行送电,感应线圈产生电流,加热炉料,送电功率从10kw直到60kw,使氧化镁坩埚中炉料熔化;
(3)对真空炉进一步抽真空,使真空炉中的真空度小于或等于1Pa,对炉料进行精炼,精炼时间为15分钟,以除去炉料中的氧、氮、氢;
(4)氧化镁坩埚静置3分钟,用以降温;
(5)在氧化镁坩埚中加入终脱氧剂,30kw送电,保持1.5分钟,在高于熔点150℃的温度下将坩埚从真空炉取出,将熔融炉料浇注到钢锭模中;
所述的终脱氧剂为镍镁合金;
(6)待钢锭凝固后,把钢锭从锭模中脱出。
本发明还包括热处理制度;
(7)将钢锭锻造和轧制成所需的型材,在1150℃固溶处理1h,而后在800℃条件下进行时效处理后淬火。
本发明提出的奥氏体耐热钢,其优点在于其析出强化相为Laves相(Fe2Nb),该析出相较碳化物析出而言在高温条件下稳定性更好,不易粗化长大,同时元素硼(B)在晶界富集,使得Laves相在晶界析出覆盖率更高,能够有效改善该材料高温力学性能,延长服役寿命。同时成分组成元素较少,成分相对简单,易于在工业生产中使用。
附图说明
图1为实施例样品热处理后扫描电镜(SEM)照片。
具体实施方式
本发明提出的一种晶界析出强化的新型奥氏体耐热钢,结合实施例详细说明如下:
本发明提出的一种晶界析出强化的奥氏体耐热钢,其特征在于,该耐热钢在高温服役条件下析出强化相为Laves相Fe2Nb,代替常见碳化物析出相,通过固溶处理及时效处理,在晶界上得到Laves相Fe2Nb析出,强化奥氏体晶界,改善抗蠕变性能;该奥氏体耐热钢的各成分占总质量分数为:铬18wt%-22wt%,更佳为18.17wt%-20.322wt%;镍31wt%-35wt%,更佳为31.33wt%-33.51wt%;铌3wt%-5wt%,更佳为3.51wt%-4.20wt%;硼0.002wt%-0.02wt%,0.00093wt%-0.0087wt%;其余为Fe。本发明的奥氏体耐热钢中,各成分作用如下:
Fe为钢的主体成分。
铬:铬是改善钢的耐腐蚀性能的重要元素,含量低于17%时耐蚀性并不理想,不能达到使用要求。
镍:扩大γ相区的合金元素,是奥氏体耐热钢中获得稳定奥氏体组织主要的合金元素。
铌:铌在材料中与铁形成Laves相Fe2Nb存在,通过在晶界的析出,钉扎位错移动,阻碍高温下微小变形达到强化合金改善高温力学性能的作用。
硼:硼易于在晶界平衡偏聚,降低界面能,使得第二相在晶界形核驱动力减少。能够细化和稳定晶界上的析出相从而提高了高温抗蠕变性能,同时硼的添加还能显著提高钢的淬透性。
本发明还提出上述奥氏体耐热钢的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
(1)将按上述比例称量的金属铁、镍、铬、铌鉄、錋铁放入氧化镁坩埚中;
(2)将氧化镁坩埚置于真空炉中,对真空炉抽真空,当真空炉内压强小于10Pa时,对真空炉中的感应圈进行送电,感应线圈产生电流,加热炉料,送电功率从10kw直到60kw,使氧化镁坩埚中炉料熔化;
(3)对真空炉进一步抽真空,使真空炉中的真空度小于或等于1Pa,对炉料进行精炼,精炼时间为15分钟,以除去炉料中的氧、氮、氢;
(4)氧化镁坩埚静置3分钟,用以降温;
(5)在氧化镁坩埚中加入终脱氧剂,30kw送电,保持1.5分钟,在高于熔点150℃的温度下将坩埚从真空炉取出,将熔融炉料浇注到钢锭模中;
所述的终脱氧剂为镍镁合金;
(6)待钢锭凝固后,把钢锭从锭模中脱出。
本发明还包括热处理制度:
即在真空感应熔炼中配料熔炼后锻造和轧制成所需的型材,在1150℃固溶处理1h,而后在800℃条件下进行时效处理后淬火。
以下是发明人给出的具体实施例,需要说明的是,该实施例只是较佳的实验方案,本发明不仅限于这些实施例。
各实施例中,所用设备为50kg真空感应炉,真空炉参数为容量0.05T,额定功率为120千瓦,频率2.5千赫兹,极限真空度为6.7×10-3mmHg,约0.893pa,额定温度1700℃,重量1.5吨,控制电压220V,各实施例的制备方法及工艺备件均相同,如上所述,不再重复。
本发明的三个实施例的奥氏体耐热钢化学成分见表1。
表1三个实施例的奥氏体耐热钢的化学成分(wt%)
实施例中的耐热钢(以下实验耐热钢1为样品)采用真空感应熔炼,将钢热轧至截面为10mm×150mm的板材,空冷至室温,再将板材进行线切割至10mm×10mm×200mm的细长条,在1150℃下进行72h的均匀化处理,淬火处理,得到亚稳态奥氏体组织。
将样品钢线切割至10mm×10mm×10mm的块状,1150℃固溶处理1h,而后在800℃条件下进行0h,4h,12h,24h不同时间的时效处理后淬火,进行研磨、抛光、腐蚀,在扫描电镜下,观察到在奥氏体晶界及晶内出现了Laves相析出,且随着时效时间的延长,析出相含量越高,在晶界析出连续性越好,如图1所示,其中图1(a)为800℃时效0h析出相含量,图1(b)为800℃时效4h析出相含量,图1(c)为800℃时效12h析出相含量,图1(d)为800℃时效24h析出相含量。
本实验钢高温持久强度测试按照“GB/T2039-1997金属拉伸蠕变及持久试验方法”的标准进行,在750℃140MPa条件下高温持久试验结果如表2所示。可以看出,试验预时效时间越长,Fe2Nb相晶界覆盖率越高,晶界强化效果越好,明显改善了材料的高温持久强度。
表2实施例钢高温持久强度试验结果