CN104894478A - 具有强抗蠕变性的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢及其制造方法 - Google Patents

具有强抗蠕变性的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有强高温抗蠕变性的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢，包含0.02～0.2wt％的碳（C）、8～12wt％的铬（Cr）、0.1～0.5wt％的氧化钇（Y2O3）、0.2～2wt％的钼（Mo）、0.01～0.5wt％的钛（Ti）、0.01～1wt％的锰（Mn）、0.01～0.3wt％的钒（V），0～0.3wt％的锆（Zr）、0～0.5wt％的镍（Ni）以及剩余含量的铁（Fe），及其制造方法。该铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢由于700℃的高拉伸强度和优异的抗蠕变性可以用作核动力系统如钠冷却快反应堆的核心结构部件（核燃料包壳、管道、导线、端塞等）、热电厂的超临界压力蒸汽发生器部件（转子，轴等）或飞机的发动机部件（盘件、喷嘴等）的材料。

Description

具有强抗蠕变性的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢 及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年3月5日提交的韩国专利申请号2014-0025971的优先权及权益，其全部公开内容以引证的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及一种具有强抗蠕变性的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢及其制造方法，更特别涉及通过向铁(Fe)-铬(Cr)-氧化钇(Y2O3)合金系中加入钼(Mo)、钛(Ti)和钒(V)的合金元素，因析出物的微观分布得以提高高温强度并通过加入锰(Mn)来稳定马氏体相的具有高温强抗蠕变性的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢，及其制造方法。
背景技术
铁中加入8～12wt％(重量百分比)的铬的铁(Fe)-铬(Cr)合金，通常要进行正火和回火，因而形成回火马氏体组织。这种高铬合金因其在高温下优异的抗中子辐照和优异的机械性能而被用作核动力系统如钠冷却快反应堆或热电厂的结构部件。然而，由于拉伸应力和蠕变强度在高温如600℃或以上急剧降低，因此该合金用作结构材料的使用温度有一个限度。可选择地，正在研发一种通过在合金基体中分散氧化物的高温下具有强机械性能的氧化物弥散强化钢。氧化物弥散强化钢是一种合金，其中具有优良热稳定性的纳米氧化物如氧化钇(Y2O3)均匀地分散在铁(Fe)-铬(Cr)基合金基体中，与一般合金相比，由于氧化物的弥散强化以及基体组织的固溶强化，该合金的高温机械性能如蠕变强度得以增强。
常规的氧化物弥散强化钢相比一般合金具有优异的高温强度，但对于设计条件仍然不能充分满足。为了改善这样的问题，将合金原素如钨(W)、钽(Ta)或铌(Nb)等加入到铁(Fe)-铬(Cr)-氧化钇(Y2O3)系合金中。然而，当加入作为固溶强化元素的钨(W)的氧化物弥散强化钢在高温应力气氛下长时间使用时，生成了拉夫斯(Laves)相，如脆的(Fe,Cr)2W，因此长期蠕变性能显着降低。因此，需要研制可用作钠冷却快反应堆核心结构材料的具有高温强抗蠕变性和抗中子辐射的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢。
发明内容
技术问题
本发明涉及一种具有强抗蠕变性的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢，它主要由Fe-Cr-Y2O3系合金组成，并包含0.02～0.2wt％的碳(C)、8～12wt％的铬(Cr)、0.1～0.5wt％的氧化钇(Y2O3)、0.2～2wt％的钼(Mo)、0.01～0.5wt％的钛(Ti)、0.01～1wt％的锰(Mn)、0.01～0.3wt％的钒(V)、大于0至小于或等于0.3wt％的锆(Zr)、大于0至小于或等于0.5wt％的镍(Ni)以及剩余含量的铁(Fe)，以及其制造方法。
然而，本发明的技术目的不限于上述目的，本文未说明的其它目的本领域普通技术人员根据以下说明将会清楚地了解。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种具有优良抗蠕变性的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢，其包含0.02～0.2wt％的碳(C)、8～12wt％的铬(Cr)、0.1～0.5wt％的氧化钇(Y2O3)、0.2～2wt％的钼(Mo)、0.01～0.5wt％的钛(Ti)、0.01～1wt％的锰(Mn)、0.01～0.3wt％的钒(V)以及剩余含量的铁(Fe)。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造具有优良抗蠕变性的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢的方法，其包括：(a)通过混合包含碳(C)、铬(Cr)、钼(Mo)、钛(Ti)、锰(Mn)、钒(V)、铁(Fe)的金属粉末与氧化钇(Y2O3)粉末后通过机械合金化处理制备合金粉末；(b)将机械合金化的合金粉末装入罐容器中并进行脱气；(c)通过热加工已脱气的合金粉末制备氧化物弥散强化钢；和(d)冷加工所述热加工的氧化物弥散强化钢。
有益效果
本发明的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢，包含0.02～0.2wt％的碳(C)、8～12wt％的铬(Cr)、0.1～0.5wt％的氧化钇(Y2O3)、0.2～2wt％的钼(Mo)、0.01～0.5wt％的钛(Ti)、0.01～1wt％的锰(Mn)、0.01～0.3wt％的钒(V)、大于0至小于或等于0.3wt％的锆(Zr)、大于0至小于或等于0.5wt％的镍(Ni)以及剩余含量的铁(Fe)，因此具有高拉伸强度和优异的抗蠕变性从而用作核动力系统如钠冷却快反应堆的核心结构部件(核燃料包壳、管道、导线、端塞等)、热电厂的超临界压力蒸汽发生器部件(转子，轴等)，并进一步用作飞机的发动机部件(盘件、喷嘴等)的材料。
附图说明
通过结合附图详细描述其示例性实施方式，本发明的上述和其他目的，特征和优点对本领域的普通技术人员而言将变得更加明显，其中：
图1为制造本发明的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢的流程图；
图2为常规的氧化物弥散强化钢和本发明的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢在室温和700℃下的拉伸试验结果图示；和
图3示出了常规的氧化物弥散强化钢和本发明的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢在700℃下的蠕变试验结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的示例性实施方式进行详细说明。尽管结合其示例性实施方式显示并说明了本发明，但对本领域的技术人员而言，显然在不脱离本发明的实质和保护范围的情况下，可进行各种修改。
作为研究提高氧化物弥散强化钢的抗蠕变性的结果，本发明人证实，当向Fe-Cr-Y2O3系氧化物弥散强化合金中加入钼(Mo)时，与常规的氧化物弥散强化钢相比，抑止了Laves相生成，通过添加钒(V)提高了碳化物的微观分布，通过添加锰(Mn)增加了固溶强化，从而提高了长期的抗蠕变性，该强化钢可用作钠冷却快反应堆的核心结构部件的材料、热电厂蒸汽发生器部件或者飞机发动机部件的材料。因此，本发明人基于此完成了本发明。
以下，对本发明进行详细说明。
本发明涉及具有优异抗蠕变性的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢，该强化钢包含0.02～0.2wt％的碳(C)、8～12wt％的铬(Cr)、0.1～0.5wt％的氧化钇(Y2O3)、0.2～2wt％的钼(Mo)、0.01～0.5wt％的钛(Ti)、0.01～1wt％的锰(Mn)、0.01～0.3wt％的钒(V)以及剩余含量的铁(Fe)。
该氧化物弥散强化合金可进一步包含锆(Zr)和镍(Ni)或它们的组合，锆(Zr)可进一步包含大于0至小于或等于0.3wt％，镍(Ni)可进一步包含大于0至小于或等于0.5wt％。
也就是说，本发明的氧化物弥散强化钢包含所有的碳、铬、氧化钇、钼、钛、锰、钒和铁，从而确保了高的抗蠕变性。
当铬(Cr)的含量小于8wt％时，耐蚀性会降低，而当铬(Cr)的含量大于12wt％时，马氏体相难以形成，因此，铬(Cr)的含量优选为8～12wt％，更优选为9～11wt％。
当氧化钇(Y2O3)的含量小于0.1wt％时，分散强化效果不显着，而当氧化钇(Y2O3)的含量超过0.5wt％时，由于残留的分散体颗粒分散强化效果会增加，从而降低了可加工性，因此，氧化钇(Y2O3)的含量优选为0.1～0.5wt％，更优选为0.3～0.4wt％。
当钼(Mo)的含量小于0.2wt％时，高温强度不会显著增加，当钼(Mo)的含量大于2wt％时，包含了大量的高价钼(Mo)，从而在经济方面上具有弊端。因此，钼(Mo)含量优选0.2～2wt％，更优选为0.7～1.5wt％。也就是说，与常规的氧化物弥散强化钢相比，代替钨(W)，加入钼(Mo)，从而提高了高温强度，抑制了在暴露于中子辐照气氛的高温应力条件下生成拉夫斯(Laves)相，并提高了长期的蠕变特性。
钛(Ti)的含量可以为0.01～0.3wt％，优选为0.1～0.3wt％。这样钛(Ti)在加热过程中与氧化钇(Y2O3)连接，从而形成Y-Ti-O系复合氧化物如Y2Ti2O7或Y2TiO5，有助于高密度和微观分布，并提高强度。
锰(Mn)可以通过强化马氏体作为奥氏体形成元素，用于增加基体的强度，这样锰(Mn)的含量可以是0.01～1wt％。
钒(V)是形成微小MX析出物的析出物强化元素，并增加高温拉伸强度和抗蠕变性。当钒(V)的含量小于0.01wt％时，上述效果是微不足道的，当钒(V)的含量超过0.3wt％时，形成脆性的δ铁素体相(delta ferrite phase)，从而劣化了机械性能。本发明使用钒来获得高的抗蠕变性。优选地，钒的含量为0.05～0.15wt％，更优选地，如本发明的实施例中公开的新合金4，当使用0.1wt％的钒时，确保优异的强度。
当锆(Zr)的含量优选大于0至小于或等于0.3wt％时，它与氧化钇(Y2O3)相连，从而形成Y-Zr-O系复合氧化物并在基体中均匀分散成高密度，从而进一步提高强度特性。
此外，镍(Ni)是一种奥氏体形成元素，用于通过加强马氏体来增加基体的强度，并优选这样的镍(Ni)含量可以大于0至小于或等于0.5wt％。
因此，本发明的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢，可用作结构部件的材料，该结构部件包括核燃料包壳、管道、导线、或快反应堆的端部塞子，热电厂的超超临界压力蒸汽发生器的转子或轴，或者飞机发动机的底盘或喷嘴。
本发明涉及一种制造具有优良抗蠕变性的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢的方法，其包括：(a)通过混合包含碳(C)、铬(Cr)、钼(Mo)、钛(Ti)、锰(Mn)、钒(V)和铁(Fe)的金属粉末与氧化钇(Y2O3)粉末并通过机械合金化处理制备合金粉末；(b)将机械合金化的合金粉末装入罐容器中并进行脱气；(c)通过热加工已脱气的合金粉末制备氧化物弥散强化钢；和(d)冷加工所述热加工的氧化物弥散强化钢。
制造铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢的方法在图1中示出。
此外，在a)步骤中，金属粉末可进一步包含锆(Zr)或镍(Ni)。
在步骤(a)中，包含碳(C)、铬(Cr)、钼(Mo)、钛(Ti)、锰(Mn)、钒(V)、铁(Fe)的金属粉末与氧化钇(Y2O3)粉末混合，由此形成合金粉末。这里，合金粉末包含0.02～0.2wt％的碳(C)、8～12wt％的铬(Cr)、0.1～0.5wt％的氧化钇(Y2O3)、0.2～2wt％的钼(Mo)、0.01～0.5wt％的钛(Ti)、0.01～1wt％的锰(Mn)、0.01～0.3wt％的钒(V)，大于0至小于或等于0.3wt％的锆(Zr)、大于0至小于或等于0.5wt％的镍(Ni)以及剩余量的铁(Fe)。在混合金属粉末之后，使用机械合金化的设备如卧式球磨机来制备机械合金化粉末。
在步骤(b)中，步骤(a)中制备的机械合金化粉末在真空状态脱气,具体来说，将在步骤(a)中制备的机械合金化粉末装入碳素钢或不锈钢罐中并密封，然后在400℃～650℃以及10-4Torr下脱气1～4小时。
在步骤(c)中，步骤(b)中脱气的机械合金化粉末进行热加工，更具体来说，氧化物弥散强化钢是通过热等静压(HIP)、热锻、热轧或热挤压来制备，这些可单独进行或组合进行。
在步骤(d)中，对步骤(c)中制备的氧化物弥散强化钢进行冷加工，更具体通过冷轧、冷拔或冷轧管进行，这些可单独进行或组合进行。
在本发明的一示例性实施方式中，在制备包含有0.02～0.2wt％的碳(C)、8～12wt％的铬(Cr)、0.1～0.5wt％的氧化钇(Y2O3)、0.2～2wt％的钼(Mo)、0.01～0.5wt％的钛(Ti)、0.01～1wt％的锰(Mn)、0.01～0.3wt％的钒(Ⅴ)、大于0至小于或等于0.3wt％的锆(Zr)、大于0至小于或等于0.5wt％的镍(Ni)和剩余含量的铁的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢后(参照实施例1)，将该铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢的高温拉伸强度和蠕变特性与常规的氧化物弥散强化钢的高温拉伸强度和蠕变特性进行比较，可以确认的是，本发明的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢与常规氧化物弥散强化钢相比，在700℃下不但具有更好的拉伸特性(参照实施例2)，而且具有更高的抗蠕变性(参见实施例3)。
为了帮助理解本发明，下文将提供示例性实施例。然而，下列实施例仅用以更容易地理解本发明，而不是限制本发明的范围。
[实施例]
实施例1氧化物弥散强化钢的制备
制备具有表1所述组分的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢。
[表1]
Fe C Cr W Mo Ti Mn Zr Ni V Y2O3
对照合金 余量 0.12 9 2 - 0.25 - - - - 0.35
新合金1 余量 0.12 10 - 1.2 0.1 0.3 0.1 0.2 - 0.35
新合金2 余量 0.12 10 - 1.2 0.1 0.6 0.1 0.2 - 0.35
新合金3 余量 0.12 10 - 1.2 0.1 0.6 0.1 - - 0.35
新合金4 余量 0.12 10 - 1.2 0.1 0.6 0.1 0.2 0.1 0.35
也就是说，使用卧式球磨机设备(ZOZ有限公司SIMOLOYER CM20)以240rpm的转速，按重量比在超高纯氩气(Ar)气氛中将高纯度的原料粉末(Fe、C、Cr、W、Mo、Ti、Mn、Zr、Ni、V；粒径200目或以下，纯度99％或以上)与Y2O3粉末(50nm或以下，纯度99.9％)混合48小时，通过机械合金化制备机械合金化的粉末，将机械合金化的粉末装入不锈钢罐中并密封，然后在400℃，10-5torr或以下的真空度进行3小时脱气。将装有制备的粉末的罐通过热等静压(HIP)在1150℃和100MPa下处理3小时，将得到的产物在1150℃下重新加热1小时，以80％或以上的减厚比例进行热轧处理获得的产物来制备氧化物弥散强化钢。
实施例2氧化物弥散强化钢拉伸特性的确定
对实施例1中制备的五种铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢在室温和700℃下的屈服强度、最大拉伸强度和总伸长率进行测量。结果在图2中示出。采取拉伸试样，放置在平行于氧化物弥散强化钢热轧方向的标定长度部分上并根据ASTM E8制备。在室温和700℃下进行拉伸试验，应变速率为1ⅹ10-4s-1。在该温度对每个试样进行三次以上拉伸试验，计算平均值并反映在结果上。
如图2中所示，作为对照合金的常规氧化物弥散强化钢的室温屈服强度为916MPa，新合金1、2、3和4的屈服强度分别为913、917、921和927MPa，因此室温的拉伸强度似乎是彼此相似的。然而，在700℃，作为参照合金的常规氧化物弥散强化合金的屈服强度为150MPa，但具有钼、钛、锰和锆的新合金1、2和3的屈服强度为197、192和193MPa，及还具有钒的本发明的新合金4具有210MPa的屈服强度，这表明新合金比对照合金具有更高的高温拉伸强度。
从结果来看，本发明的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢与常规氧化物弥散强度钢相比，在室温屈服强度方面没有大的差异，但在700℃具有更高的屈服强度。
实施例3氧化物弥散强化钢的抗蠕变性的确认
对实施例1中制备的五种类型的氧化物弥散强化钢在700℃进行蠕变试验，结果在图3中示出。
如图3所示，可以确定的是，本发明的新合金1、2、3和4，与对照合金相比，在150和120MPa的应力下，蠕变断裂时间显着增加。
从结果可以看出，本发明的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢，与常规的氧化物弥散强化钢相比，具有优良的抗高温蠕变性和优异的长期稳定性。
显然，对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的实质或保护范围的情况下，可对本发明的上述示例性实施方式进行各种修改。因此，其目的在于只要它们落在附加权利要求及其等同范围内，本发明就覆盖了所有这些修改。

Claims (12)

1.一种具有强高温强度和抗蠕变性的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢，包含：
0.02〜0.2wt％的碳（C）、8〜12wt％的铬（Cr）、0.1〜0.5wt％的氧化钇（Y2O3）、0.2〜2wt％的钼（Mo）、0.01〜0.5wt％的钛（Ti）、0.01〜1wt％的锰（Mn）、0.01〜0.3wt％的钒（V）以及剩余含量的铁（Fe）。
2.根据权利要求1所述的钢，其特征在于，还包含：
至少一种选自由锆（Zr）和镍（Ni）组成的组中的金属。
3.根据权利要求2所述的钢，其特征在于，其中包含的锆的重量百分为大于0至小于或等于0.3 wt%。
4.根据权利要求2所述的钢，其特征在于，其中包含的镍的重量百分为大于0至小于或等于0.5wt％。
5.根据权利要求1所述的钢，其特征在于，所述钢用作包括快速反应堆的核燃料包壳、导管、导线或端塞，热电厂的超临界压力蒸汽发生器的转子或轴，或者飞机发动机的盘件或喷嘴的结构部件的材料。
6.一种制造具有强抗蠕变性的铁素体/马氏体氧化物弥散强化钢的方法，包括：
（a）通过混合包含碳（C）、铬（Cr）、钼（Mo）、钛（Ti）、锰（Mn）、钒（V）和铁（Fe）的金属粉末与氧化钇（Y2O3）粉末并通过机械合金化处理制备合金粉末；
（b）将机械合金化的合金粉末装入罐容器中并进行脱气；
（c）通过热加工已脱气的合金粉末制备氧化物弥散强化钢；和
（d）冷加工所述热加工的氧化物弥散强化钢。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在步骤a）中，金属粉末还包含选自由锆（Zr）和镍（Ni）所组成的组中的金属粉末。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，在步骤a）中，所述合金粉末包含重量百分比为0.02〜0.2wt％的碳（C）、8〜12wt％的铬（Cr）、0.1〜0.5wt％的氧化钇（Y2O3）、0.2〜2wt％的钼（Mo）、0.01〜0.5wt％的钛（Ti）、0.01〜1wt％的锰（Mn）、0.01〜0.3wt％的钒（V）以及剩余含量的铁（Fe）。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，，包含的锆的重量百分比为大于0至小于或等于0.3 wt%。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，包含的镍的重量百分比为大于0至小于或等于0.5wt％。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述热加工是选自由热等静压、热锻、热轧和热挤压组成的组中的任何一种，它们单独进行或组合进行。
12.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，所述冷加工是选自由冷轧、冷拔和冷轧管所组成的组中的任何一种，它们单独进行或结合进行。
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