CN104862610A

CN104862610A - 一种新型奥氏体耐热合金材料及其制造方法

Info

Publication number: CN104862610A
Application number: CN201510147296.4A
Authority: CN
Inventors: 华鹏
Original assignee: Shanghai Hui Bei Special Alloy Co Ltd
Current assignee: Shanghai Hui Bei Special Alloy Co Ltd
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2015-08-26

Abstract

本发明公开了一种新型奥氏体耐热合金材料，其组分按重量百分比计算，所含组分如下：C：0.04-0.08%；Si：2.05-2.80%；Mn：1.3-2.0%；P：≤0.035%；S：≤0.030%；Cr：23.5-26.0%；Ni：19.2-22.0%；N：0.08%；Co：0.20-1.50%；Mo：0.10-0.20%；稀土Xt：0.01-1.0%；余量为Fe及不可避免的杂质。本发明的材料组分设计合理、制造工艺简单，高温抗氧化性、耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性能和抗冲击韧性均非常优秀。该材料在1100⁰C高温下能够长期工作，具有较高强度与耐腐蚀能力，其高温应力强度稳定。对提高生产效率，有效延长在高温和强氧化、强腐蚀的环境下长期工作的结构件的使用寿命，降低生产成本具有十分重要的经济意义。

Description

一种新型奥氏体耐热合金材料及其制造方法

技术领域

本发明属于合金钢冶炼技术领域，特别是一种新型奥氏体耐热合金材料及其制造方法。该奥氏体耐热合金材料能够成为在高温和强氧化、强腐蚀的环境下承受较大应力的结构件用钢。

背景技术

在航天、舰船、电力、石油化工等领域中，发动机、蒸汽锅炉、蒸汽涡轮、乙烯裂解炉及制氨转化炉等有关部件被长期使用在高温中，这些部件在高温下承载拉伸、弯曲、扭着、疲劳和冲击等各种载荷，同时还与高温蒸汽、空气或燃气接触，使表面发生高温氧化或气体腐蚀。在高温环境下工作，钢和合金将产生原子扩散过程，从而引发金相组织转变，因此这就要求在该环境中使用的钢种必须具有良好的高温强度及与之相适应的塑性，抗高温氧化性，同时还要具有足够高的化学稳定性。随着技术的发展，使得其操作温度不断提高，在某些领域所使用部件表面温度已高达1100℃，这将对钢材的性能要求进一步提高。

例如，近年来，为了实现高效率化，全世界正在新建提高蒸汽的温度和压力的超临界压力锅炉。具体而言，还计划将迄今为止600℃左右的蒸汽温度提高到650℃以上，进一步提高到700℃以上。这是基于，节能和资源的有效利用以及用于保护环境的降低CO₂气体排放量已成为能源问题的解决课题之一，已成为重要的产业政策。并且也是由于，在燃烧化石燃料的发电用锅炉、化学工业用的反应炉等的情况下，效率高的超临界压力锅炉或反应炉是有利的。

蒸汽的高温高压化使由锅炉的过热器管和化学工业用的反应炉管以及作为耐热耐压部件的厚板和锻造品等形成的高温设备在实际操作时的温度上升至700℃以上。因此，要求在这种严苛环境下长期使用的材料不仅具有高温强度和高温耐腐蚀性，还要求其金属组织的长期稳定性、蠕变特性良好。

现有技术中，在上述环境中所使用的钢种是以HP系列为主，HP40钢，虽然具有一定的抗高温氧化性能，但其制造成本高，使用寿命短，增加部件消耗，加大了生产成本，降低了生产效率。具有体心立方结构的铁素体型耐热钢，在600-650℃温度条件下其蠕变强度会明显下降。具有面心立方结构的奥氏体耐热钢，虽然在650℃或更高温度具有较高的高温强度，但因其奥氏体耐热钢中存在硬而脆的σ相，σ相在合金中形成片状且数量达到2-5%时，晶界出现偏聚会，引起脆化效应，最终导致合金失效，部件损坏。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，进一步提高奥氏体耐热合金材料的高温强度，显著降低脆化效应，本发明的目的提供一种材料组分设计合理、制造工艺简单，高温抗氧化性、耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性能和抗冲击韧性均非常优秀的奥氏体耐热合金材料。该奥氏体耐热合金材料在900℃的高温条件下，仍然具有优良的强度和与之相适应的塑性强度；其抗拉强度可达868MPa，冲击韧性52J，该材料在900℃下循环氧化100小时的氧化增重速度小于0.092，该材料在900℃下时效2000小时硬度为195HB 。

为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案为：一种新型奥氏体耐热合金材料，按重量百分比计算，所含成分如下：

C：0.04-0.08%； Si：2.05-2.80% ； Mn：　1.3-2.0%；

P：≤0.035%； S： ≤0.030%； Cr：　23.5-26.0%；

Ni：19.2-22.0%； N： 0.08%; Co： 0.20-1.50%；

Mo：0.10-0.20%； Xt（稀土）： 0.01-1.0%;

余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明的再一目的是提供一种新型奥氏体耐热合金材料的制造方法，该制造方法包括以下步骤：

1）原料配制，其中奥氏体耐热合金材料的各原料组分以及各组分的重量百分比如下：

C：0.04-0.08%； Si：2.05-2.80% ； Mn：　1.3-2.0%；

P：≤0.035%； S： ≤0.030%； Cr：　23.5-26.0%；

Ni：19.2-22.0%； N： 0.08%; Co： 0.20-1.50%;

Mo：0.10-0.20%； Xt（稀土）： 0.01-1.0%;

余量为Fe及不可避免的杂质；

2）初期精炼，将按前述配制的原料装入感应炉中冶炼，其中初期精炼温度控制在1540℃-1590℃，初期精炼时间为25-45分钟；

3）电渣精炼，电渣精炼期温度控制在1540℃-1580℃，熔炼电压45-50V，熔炼电流2600-3000A，电渣精炼时间为35－45分钟；

4）锻造，锻造温度1180℃-950℃，开锻温度1180⁰C；

5）热轧，热轧温度1150℃ -900℃，开轧温度1150⁰C；

6）退火，退火温度950℃ -1040℃，水冷时间1.5小时；

7）对材料进行多次循环的拉拔→退火→拉拔，即得到奥氏体耐热合金材料成品。

优选的技术方案，所述步骤7）中的拉拔是采用单车进行拉拔。

进一步优选的技术方案，所述步骤7）中的退火温度为950℃ -1040℃，退火保温时间为1小时。

更进一步优选的技术方案，所述步骤2）中将原料装入感应炉中的顺序为：碳C、纯铁Fe、金属铬Cr、镍板Ni、硅Si、锰Mn、钴Co、钼Mo，最后在出炉前5分钟将所述稀土Xt加入钢液中，并充分搅拌均匀。

本发明一种新型奥氏体耐热合金材料所设计成分的原理如下：

C：非常有效的硬化和固溶强化组元，保证高温强度。但常常作为裂纹源出现，如含量过高容易形成脆硬组织而引发延迟裂纹，其成分重量%限制在0.04-0.08%；

Mn：脱氧和脱硫作用，确保抗氧化性的重要元素，其成分重量%限制在 1.3-2.0%；

Si：脱氧、提高屈服强度、耐高温腐蚀性，其成分重量%限制在2.05-2.80%；

Ni：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。提高材料韧性，对强度的提高也有贡献，其成分重量%限制在19.2-22.0%；

Cr：确保抗氧化性、耐高温腐蚀性、提高高温强度不可缺少的元素，含量过低，不能显现效果，含量过高，强度和韧性显著降低，其成分重量%限制在23.5-26.0%；

N：在材料中起固溶、发挥其微细分散强化作用，可扩大和稳定奥氏体，N与其他合金元素形成强化相，增加沉淀强化相的数量，有利于加强沉淀强化效应，该发明中，N元素的加入主要起到抑制σ相的作用，其成分重量%限制在0.08%；

S、 P：是材料中不可避免的有害杂质元素，其含量越低越好，其成分重量%, P：≤0.035%，S： ≤0.030%；

Co：本发明中Co的加入可提高原子间的结合力，减缓扩散，起到固溶强化作用，与Mo结合其固溶强化效果更好，有效提高强度。其成分重量%限制在0.20%；

Mo：钼能使钢的晶粒细化，显著提高晶界的结合力，强化晶界，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。本发明中与硅、铬结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，其成分重量%限制在0.10%；

Xt：材料中加入稀土，与Cr、Si的复合作用下具有良好的抗氧化性，稀土是强还原性元素，稀土与硫有很大的亲和力，在溶池中不仅具有脱氧作用，还具有明显脱硫改善硫化物夹杂的尺寸、形态和分布作用，减少材料中的夹杂物含量，可以改变夹杂物的组成、形态、分布和性质，抑制这些夹杂物在晶界中的偏析，从而改善了耐热钢的各种性能，本发明中成分重量%限制在0.01-1.0%。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1．成分设计合理、制造工艺简单，在900℃下具有优良的高温强度及与之相适应的塑性，较高的抗高温氧化性能，耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性能和抗冲击韧性。

2．因在本耐热钢中合理设计添加了Co、Mo及N元素，脆化现象降低，有效改善耐热钢的力学性能，显著提高高温强度。

3.本发明其抗拉强度可达868MPa，冲击韧性52J，该材料在900℃下循环氧化100小时的氧化增重速度小于0.092，该材料在900℃下时效2000小时硬度为195HB 。

在1100℃高温下长期工作具有较高强度与耐腐蚀能力，其高温应力强度稳定。

4．又因加入了微量的稀土元素和采用了特殊的制备工艺，确保耐热钢具有优良的耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性及可加工性能。

5．本耐热钢所制作的在高温和强氧化、强腐蚀的环境下工作的结构件使用寿命长，部件消耗小，有效降低生产成本，提高了生产效率，显著提高经济效益。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实例，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明一种新型奥氏体耐热合金材料制备了三炉实施例，实施例1-3炉奥氏体耐热合金材料所含成分及含量按重量%计算，祥见如下：

第一炉：C：0.06%，Si：2.6%，Mn：1.60%，P：0.009%，S：0.002%，

Cr：24%，Ni：20%， Co： 0.80%，Mo：0.10%，Ｎ：0.08%， Xt：0.05%，余量为Fe及不可避免的杂质；

第二炉： C：0.045%，Si：2.25%，Mn：1.35%，P：0.02%，S：0.01%，Cr：25%，Ni：19.5%， Co： 1.20%，Mo：0.15%，Ｎ：0.08%， Xt：0.07%，余量为Fe及不可避免的杂质；

第三炉： C：0.07%，Si：2.5%，Mn：1.80%，P：0.01%，S：0.008%，

Cr：25.5%，Ni：21%， Co： 1.0%，Mo：0.14%，Ｎ：0.08%， Xt：0.09%，余量为Fe及不可避免的杂质。

上述三炉奥氏体耐热合金材料的实施例的制备方法均为：

1）选用纯铁，按照本发明三炉实施例的设计成分配料；

2）感应炉的初期精炼，按其装料顺序进行装料：碳C-纯铁Fe-金属铬Cr-镍板Ni-硅Si-锰Mn-钴Co-钼Mo，所述稀土Xt在出炉前5分钟内一次加入钢液中充分搅拌均匀。精炼期温度控制在1540⁰C-1590⁰C，精炼时间35分钟；

３）电渣精炼，精炼期温度控制在1540⁰C-1580⁰C，熔炼电压45-50V，熔炼电流2600-3000A；

４）锻造，锻造温度1180⁰C-950⁰C，开锻温度1180⁰C；

５）热轧，热轧温度1150⁰C -900⁰C，开轧温度1150⁰C；

６）退火，采用井式电炉里进行退火，其中退火温度为950⁰C -1040⁰C，水冷时间1．5小时；

７）多道次（拉拔-退火-拉拔）中间退火采用其950⁰C-1040⁰C退火，退火保温1小时，拉拔采用单车慢速（速度 10米/分钟）进行，根据用户需求，拉拔道次为3道次

将以上实施例所设计、制备的奥氏体耐热合金材料对其成分、综合力学性能进行了检测、试验，检测报告如下：

一．检测单位：机械工业材料质量检测中心

材料类别：奥氏体耐热合金材料

样品名称：314（本发明）；

样品特征：实物

检测数据/结果：C：0.049%，Si：2.25%，Mn：1.31%，P：0.018%，S：0.006%，Cr：24.49%，Ni：19.4%， Co： 1.46%，Mo：0.18%， Fe：52.12%

二．检测单位：本公司质量理化计量室

材料类别：奥氏体耐热合金材料

样品名称：314 （本发明），

实施例1-3炉，

1.检测项目：力学性能试验

2．冲击韧性、硬度

3．氧化增重速度及熔盐中腐蚀减重速度

测试试验结果：根据奥氏体耐热合金材料试制件测定情况分析，上述奥氏体耐热合金材料314（本发明）满足发动机、蒸汽锅炉、蒸汽涡轮、乙烯裂解炉及制氨转化炉等部件的各项使用要求，产品的制造工艺稳定。

通过以上的实施例及力学性能检测，本发明所设计的奥氏体耐热合金材料具有成分设计合理、制造工艺稳定，具有优良的高温强度及与之相适应的塑性，较高的抗高温氧化性能，耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性能和抗冲击韧性。在1100⁰C高温下长期工作具有较高强度与耐腐蚀能力，其高温应力强度稳定。对提高生产效率，有效延长在高温和强氧化、强腐蚀的环境下长期工作的结构件的使用寿命，降低生产成本具有十分重要的经济意义。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的思想和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改。

Claims

1.一种新型奥氏体耐热合金材料，其特征在于，其组分按重量百分比计算，所含组分如下：

C：0.04-0.08%； Si：2.05-2.80% ； Mn：　1.3-2.0%；

P：≤0.035%； S： ≤0.030%； Cr：　23.5-26.0%；

Ni：19.2-22.0%； N： 0.08%; Co： 0.20-1.50%；

Mo：0.10-0.20%；稀土Xt： 0.01-1.0%；

余量为Fe及不可避免的杂质。

2. 一种新型奥氏体耐热合金材料的制造方法，其特征在于：其包括以下步骤：

C：0.04-0.08%； Si：2.05-2.80% ； Mn：　1.3-2.0%；

P：≤0.035%； S： ≤0.030%； Cr：　23.5-26.0%；

Ni：19.2-22.0%； N： 0.08%; Co： 0.20-1.50%;

Mo：0.10-0.20%；稀土Xt： 0.01-1.0%；

余量为Fe及不可避免的杂质；

4）锻造，锻造温度1180℃-950℃，开锻温度1180⁰C；

5）热轧，热轧温度1150℃ -900℃，开轧温度1150⁰C；

6）退火，退火温度950℃ -1040℃，水冷时间1.5小时；

3. 根据权利要求2所述的一种新型奥氏体耐热合金材料的制造方法,其特征在于，所述步骤7）中的拉拔是采用单车进行拉拔。

4. 根据权利要求2所述的一种新型奥氏体耐热合金材料的制造方法,其特征在于，所述步骤7）中的退火温度为950℃ -1040℃，退火保温时间为1小时。

5. 根据权利要求2所述的一种新型奥氏体耐热合金材料的制造方法,其特征在于，所述步骤2）中将原料装入感应炉中的顺序为：C、Fe、Cr、Ni、Si、Mn、Co、Mo、稀土Xt。

6.根据权利要求2所述的一种新型奥氏体耐热合金材料的制造方法,其特征在于，所述稀土Xt是在钢液出炉前5分钟加入钢液内的，并将稀土Xt和钢液充分搅拌均匀。