CN104451435A - 一种新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金，以质量百分比计，含有C≤0.05％，Mn≤1％，Ni：8.5～10.5％，Cr：17.5～19.5％，Nb：0.30～0.50％，Cu：2.5～3.5％，N≤0.2％，Ti≤0.1％，B：0.006～0.01％，Si≤0.3％，S≤0.01％，P≤0.04％，余量为Fe。本发明的新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金具有优异的高温拉伸强度、持久蠕变性能和高温抗氧化性，明显优于Super304H奥氏体不锈钢，可以广泛应用于电站发电机组和其他工业领域。
Description
技术领域
本发明属于冶金领域，尤其是一种新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金及其制备方法。
背景技术
当前我国致力于发展大容量、高参数的发电机组，对所用钢材的高温拉伸强度、持久蠕变性能和高温抗氧化性能提出了极高的要求。Super304H合金(成分质量分数为C为0.07％～0.13％，Si≤0.3％，Mn≤0.5％，，Cr17.0％～19.0％，Ni7.5％～10.5％，Cu2.5％～3.5％，Nb0.3％～0.6％，N0.05％～0.12％P≤0.045％，S≤0.03％其余为Fe)是由日本住友钢铁公司开发的一种奥氏体不锈钢材料，具有较高的高温拉伸强度(600℃，约为432MPa)、持久蠕变性能(600℃、100000小时的持久极限强度约为220MPa)和高温抗氧化性(700℃、100小时的氧化增重约为0.04mg/cm2)，但是仍难以满足电站机组高参数对钢材高温拉伸强度、持久蠕变性能和高温抗氧化性的要求，并且国内几乎都不能生产，基本上都依赖进口。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种电站用新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金，该合金与Super304H相比，在高温拉伸强度、持久蠕变性能和高温抗氧化性能方面体现出明显的优势。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金，以质量百分比计，含有C≤0.05％，Mn≤1％，Ni：8.5～10.5％，Cr：17.5～19.5％，Nb：0.30～0.50％，Cu：2.5～3.5％，N≤0.2％，Ti≤0.1％，B：0.006～0.01％，Si≤0.3％，S≤0.01％，P≤0.04％，余量为Fe。
进一步地，以质量百分比计，含有C≤0.03％，Mn≤0.6％，Ni：9.0～10.0％，Cr：17.5～18.5％，Nb：0.30～0.50％，Cu：2.5～3.5％，N≤0.2％，Ti≤0.05％，B：0.006～0.01％，Si≤0.2％，S≤0.005％，P≤0.01％，余量为Fe。
一种新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照各组分的配比称取反应物原料；
(2)将称好的原料采用真空炉冶炼后，去除冒口及钢锭底部，得到铸锭；
(3)将所述铸锭进行锻造处理，加热温度为1050～1150℃，加热保温时间为2～3h，开锻温度为1000～1060℃，终锻温度在950℃以上；
(4)对锻造后的坯料进行固溶处理，固溶处理条件为：在1020～1080℃进行保温1～1.5h，随后水冷至室温；
进一步地，步骤(3)中锻造加热温度1100℃。
进一步地，所述合金用作电站发电机组传热管材。
本发明的新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金，其各种主要成分比例选择理由如下：
Cr：铬是不锈钢中最重要的元素，可以提高钢钝化膜的稳定性，是决定不锈钢耐腐蚀性及高温抗氧化性的重要元素。但是铬又是强烈形成并稳定铁素体的元素，缩小奥氏体相区。本发明奥氏体钢中的铬含量范围既能保证钢有良好的耐腐蚀及耐高温氧化特性，又能保证钢材获得奥氏体组织。
Ni：镍是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素。随着奥氏体含量的增加，刚中的残余铁素体含量逐渐消除，但是镍会降低钢的热加工性能。本发明奥氏体钢中的镍含量范围既能保证钢有良好的热加工性能，又能保证钢材获得奥氏体组织。
Cu：铜在铬镍不锈钢中能促使钢产生弥散硬化组织，提高钢的热强性，在高温蠕变过程中将从基体中析出细小弥散的富铜相，提高基体的高温蠕变能力。
N：在奥氏体不锈钢中加入氮，可以稳定奥氏体组织、提高强度，并且提高耐腐蚀性能，氮的加入可以显著提高钢的高温拉伸强度，部分替代贵重的镍。
Nb：铌能够与不锈钢中的碳、氮元素形成细小铌的碳、氮化物，提高不锈钢的高温拉伸性能和持久蠕变性能。
与Super304H系列合金相比，本发明的新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金具有更加优异的高温拉伸强度、持久蠕变性能和高温抗氧化性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
本实施例的新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金，按质量百分比包括如下组分：0.03％C，0.2％Si，0.6％Mn，0.004％S，0.008％P，9.6％Ni，18.5％Cr，0.5％Nb，3.13％Cu，0.20％N，0.05％Ti，0.006％B，余量为铁；(材料1)
所述材料的制备方法为：采用真空炉冶炼，去除冒口及钢锭底部进行锻造，锻造工艺条件为：加热温度1100℃，加热时间2h，保温0.5h，开锻温度1030℃，终锻温度不低于950℃。锻造后的材料在1060℃进行固溶处理，保温1h后水冷至室温。
按照上述方法制备的合金具有优异的高温拉伸强度、持久蠕变性能和高温抗氧化性能，如表1所示。
表1
实施例2
本实施例的新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金，按质量百分比包括如下组分：0.05％C，0.3％Si，1.0％Mn，0.004％S，0.005％P，9.0％Ni，17.5％Cr，0.4％Nb，2.5％Cu，0.10％N，0.025％Ti，0.01％B，余量为铁；(材料2)
所述材料的制备方法为：采用真空炉冶炼，去除冒口及钢锭底部进行锻造，锻造工艺条件为：加热温度1100℃，加热时间2h，保温0.5h，开锻温度1050℃，终锻温度不低于950℃。锻造后的材料在1020℃进行固溶处理，保温1.5h后水冷至室温。
按照上述方法制备的合金具有优异的高温拉伸强度、持久蠕变性能和高温抗氧化性能，如表2所示。
表2
材料的高温拉伸强度采用国家标准GB/T 4338-2006《金属材料—高温拉伸试验方法》；材料的持久极限强度采用国家标准GB/T 2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》；材料的高温抗氧化性采用国家标准GB/T 13303-1991《钢的抗氧化性能测定方法》。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金，其特征在于：
以质量百分比计，含有C≤0.05％，Mn≤1％，Ni：8.5～10.5％，Cr：17.5～19.5％，Nb：0.30～0.50％，Cu：2.5～3.5％，N≤0.2％，Ti≤0.1％，B：0.006～0.01％，Si≤0.3％，S≤0.01％，P≤0.04％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金，其特征在于：
以质量百分比计，含有C≤0.03％，Mn≤0.6％，Ni：9.0～10.0％，Cr：17.5～18.5％，Nb：0.30～0.50％，Cu：2.5～3.5％，N≤0.2％，Ti≤0.05％，B：0.006～0.01％，Si≤0.2％，S≤0.005％，P≤0.01％，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金的制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
(1)按照各组分的配比称取反应物原料；
(2)将称好的原料采用真空炉冶炼后，去除冒口及钢锭底部，得到铸锭；
(3)将所述铸锭进行锻造处理，加热温度为1050～1150℃，加热保温时间为2～3h，开锻温度为1000～1060℃，终锻温度在950℃以上；
(4)对锻造后的坯料进行固溶处理，固溶处理条件为：在1020～1080℃进行保温1～1.5h，随后水冷至室温。
4.根据权利要求3所述的新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金的制备方法，其特征在于：
步骤(3)中锻造加热温度1100℃。
5.根据权利要求1所述的新型Fe-Cr-Ni-Cu-N合金用作电站发电机组传热管材。
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