CN105154793A - 一种高强度、高耐蚀双相耐热钢 - Google Patents
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Abstract
本发明属于耐热不锈钢领域，涉及一种高强度、高耐蚀双相耐热钢，其化学成分为：C：0～0.1；Si：0.1～1.0；Mn：0～0.5；Cr：12～25；Ni：15～22；Mo：0～4.0；Al：1.0～6.0；Nb：0.1～1.0；B：0～0.05；P不大于0.03；S不大于0.02；余量为Fe。其制备方法的特征在于，熔炼过程严格控制真空度≤5Pa，以避免N与Al化合物的不利影响；采用自由锻方式，热轧过程控制应变速率不小于1s-1；单道次压下量不小于35%，采用快速冷却控制第二相尺寸。本发明实现了高温耐腐蚀性和高强度的匹配，在高温腐蚀性环境中使用，材料的综合性能明显优于现有双相耐热钢。
Description
技术领域
本发明属于耐热不锈钢领域，适用于先进电力系统用结构材料，尤其是超超临界电站及核电系统用耐热耐腐蚀材料的制备和加工技术领域，提供了一种获得综合性能优异的双相耐热不锈钢的方法。
背景技术
随着能源危机和大气污染的日益严峻，高效的超超临界(UltraSuper-Critical,USC)电站和先进核电系统，已经成为今后电力行业的主要发展方向。但是高温高压的苛刻环境对服役材料的性能提出了更高要求，如更高的高温强度和优异的耐高温氧化性能。因此，为了实现先进电站用关键部件材料的国产自主化，目前亟待发展一种高温综合性能优异的材料。
双相不锈钢因具有两相组织结构，双相不锈钢具有优异的耐腐蚀性和力学性能，被广泛用于石油、化工、能源等行业。双相不锈钢的导热性好，热膨胀系数小，高温使用时可避免因温差而引起的开裂。另外，双相不锈钢的塑性和高温蠕变性能优于铁素体不锈钢。随着电力行业的发展，超超临界火力发电和超临界水冷堆核电的工作温度逐步升高，要求材料在更高温度下的仍具有优越的力学性能。一方面，奥氏体耐热钢的辐照肿胀和热膨胀系数较大，尚未达到电力行业对材料的性能要求；一方面，现有的双相不锈钢的耐高温氧化性能仍有待提高。因此，为了获得综合性能优异的耐热钢，综合考虑奥氏体耐热钢和双相钢的组织性能优势，进一步提高耐热钢的综合性能，本发明在先进奥氏体耐热钢中引入铁素体，发展一种新型双相不锈钢。本发明在310s奥氏体不锈钢的基础上，添加Mo、Al、Nb等稳定铁素体元素，调整Cr、Ni含量，不增加稳定奥氏体元素，从而在310s不锈钢的奥氏体基体中引入一定量的铁素体，这样，可以获得双相组织的不锈钢。在高温苛刻的腐蚀环境下，Al优先与O发生反应形成稳定致密的Al2O3氧化膜，提高材料的抗腐蚀性能。并且，Al、Nb与Ni、Fe、Cr反应形成金属间化合物NiAl相和Laves相，细小弥散的析出相，可有效提高双相耐热钢的高温力学性能。确定成分体系后，通过真空熔炼和热加工过程，获得综合性能优异的双相不锈钢。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：克服现有材料的高温性能的不足，在310s钢的基础成分上，适当调整Cr、Ni含量，通过添加稳定铁素体元素Nb、Al等，从而，形成铁素体和奥氏体的双相钢，并通过析出弥散相提高双相钢的高温力学性能，得到一种的高温综合性能优异的新型双相耐热钢。
为了解决上述技术问题，本发明的采用的技术方案为：(1)化学成分设计和(2)制备工艺，其主要特征如下：
(1)化学成分设计：在310s的基础成分中，降低C和Mn含量，添加Mo、Al、Nb和B。该耐热双相不锈钢的成分体系为(wt.％)：C：0～0.1；Si：0.1～1.0；Mn：0～0.5；Cr：12～25；Ni：15～22；Mo：0～4.0；Al：1.0～6.0；Nb：0.1～1.0；B：0～0.05；P不大于0.03；S不大于0.02；余量为Fe。
进一步优选后的成分体系为(wt.％)：C不大于0.05；Si：0.2～0.7；Mn：0～0.2；Cr：14～22；Ni：16～21；Mo：0～3.0；Al：1.5～5.0；Nb：0.2～0.8；B：0～0.03；P不大于0.02；S不大于0.015；余量为Fe。
Mo元素：Mo通过提高不锈钢表面钝化膜的强度，增强耐还原性介质的腐蚀能力，如点蚀、缝隙腐蚀。依靠固溶强化，Mo可提高双相耐热钢的高温强度。本发明在新型双相不锈钢中均添加了2％的Mo元素。
Nb元素：Nb是强碳化物元素，Nb与C结合成NbC，Nb还与Fe化合形成Laves相Fe2Nb。细小弥散分布的NbC和Fe2Nb，可提高双相耐热钢的蠕变强度，同时，Nb可作为稳定化元素，提高不锈钢的耐晶间腐蚀性能。Nb的另一作用是促进新型双相耐热钢在腐蚀性环境中表面Al2O3的形成。
Al元素：Al是一种耐腐蚀性能优异的合金元素，添加Al的主要目的是提高双相耐热钢的高温氧化性和高温力学性能。为了使双相钢表面形成Al2O3，Al含量不宜太低，但是太高降低双相钢的加工性能。因而，添加2.5～5％Al，同时，Al可以取代部分的Cr，降低钢中Cr含量而不使钢的耐腐蚀性降低。另外，在时效或热加工过程中，Al与Ni形成金属间化合物NiAl相，起到弥散强化的作用，提高钢的高温力学性能。
(2)制备工艺：本发明以高纯度工业合金块为原料，通过真空感应炉内熔炼→铸模成型→高温锻造→热轧成型→淬水冷却→成品钢板，其主要特征如下：
①原料为高纯度合金块：工业纯铁、铝块、镍板、铬块、铌棒、硅块、硼铁与钼棒。
②熔炼：秤取设计成分比例的合金块，按照不同形状和大小，放入熔炼炉内，然后抽真空≤5Pa，加热，随着温度升高，原料逐渐变软、熔化，合金块全部融化后进行精炼，精炼时间4～8min。
③铸模：精炼完成后，浇注于圆柱形模具内，静置冷却至800～1000℃后，取出，放置于通风处，冷却至室温。
④热变形加工：加工分两段完成，热锻造和热轧。锻造制度为：始锻温度为1180～1250℃，终锻温度在950℃以上，锻造比约3:1，锻完空冷。锻造完成立方体块的尺寸为：80mm×300mm×33mm；然后，切取锻造钢板的1/2进行高温控制轧制，热轧工艺主要参数为：开轧温度1150～1200℃，终轧温度不低于1000℃，三道次轧成，控制应变速率不小于1s-1，每道次变形量不小于35％，成品厚度为6～7mm。
⑤控制冷却：为了控制变形后双相不锈钢的组织与性能，轧制完成后直接淬水，加速冷却以细化显微组织，提高性能。
本发明的优点是：
(1)在310s基础成分上，为了减少Mn和C对奥氏体耐热钢耐腐蚀性能的影响，降低Mn和C含量；同时，添加Mo、Al、Nb等合金元素，并适当降低Cr、Ni含量，获得奥氏体和铁素体的双相组织；与奥氏体耐热钢相比，不需要增加稳定奥氏体的元素Ni、N等，因此，本发明成本较低，符合低碳经济型原则。
(2)合金元素Mo、Al、Nb在高温热轧或热处理过程中，形成金属间化合物NiAl相和Fe2NbLaves相，可显著提高材料的高温力学性能。添加的Al元素与O的结合，形成致密稳定的Al2O3或(AlCr)2O3氧化膜，提高双相耐热钢的高温耐氧化性能和耐腐蚀性能，可在高温苛刻环境下服役。
(3)通过控制热轧参数，如轧制温度和压下率，可在高温变形过程中析出有益的金属间化合物。热成型后，控制冷却速率，可有效控制第二相的尺寸与分布，提高材料的力学性能。
附图说明
图1为本发明实例1双相耐热钢的光学显微组织。
图2为本发明实例2双相耐热钢的光学显微组织。
图3为本发明实例3双相耐热钢的光学显微组织。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
根据上述成分范围，我们设计和熔炼了4种试验钢，作为对比例，我们还熔炼了310s，它们的名义化学成分如表1所示。分别按照表1的成分比例，进行合金原来配料，真空熔炼、浇铸、锻造和热轧、冷却后，获得轧制钢板。随后对轧制钢板进行显微组织观察、力学性能和耐腐蚀性能测试。各试验钢的显微组织如图1～3所示，随着化学成分的变化，其显微组织也明显不同，从实施例1到实施例3，铁素体组织含量逐渐增多。试验钢的700℃高温拉伸和室温拉伸结果见表2，结果表明，添加Al、Mo和Nb后，无论是室温拉伸还是高温拉伸强度均明显高于对比例310s的强度。并且，随着合金元素含量的增加，其强化效应显著。实施例3的室温抗拉强度达1078MPa，700℃抗拉强度达645MPa，并且，室温和高温延伸率均在25％以上。而310s在700℃的抗拉强度仅为340MPa。说明实例钢在高温下具有优异的力学性能。
表1各实例钢的名义化学成分(质量分数,％)
表2各实例双相耐热钢的力学性能
在900℃的连续氧化试验结果如表3所示，在氧化100h后，各实例钢的氧化增重均比310s小。其中，实施例4的氧化增重仅为对比例钢的22.58％，高温抗氧化性能显著提高，说明本发明的双相耐热钢具有优异的高温抗氧化性能。
表3各实例钢在900℃干燥空气中氧化100h的增重(mg/cm2)
| 实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 对比例 |
| 氧化增重 | 0.39 | 0.26 | 0.21 | 0.14 | 0.62 |
Claims (3)
1.一种高强度、高耐蚀双相耐热钢，其特征在于化学成分以质量百分比计为：C：0～0.1；Si：0.1～1.0；Mn：0～0.5；Cr：12～25；Ni：15～22；Mo：0～4.0；Al：1.0～6.0；Nb：0.1～1.0；B：0～0.05；P不大于0.03；S不大于0.02；余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种高强度、高耐蚀双相耐热钢，其特征在于化学成分以质量百分比计为：C不大于0.05；Si：0.2～0.7；Mn：0～0.2；Cr：14～22；Ni：16～21；Mo：0～3.0；Al：1.5～5.0；Nb：0.2～0.8；B：0～0.03；P不大于0.02；S不大于0.015；余量为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的一种高强度、高耐蚀双相耐热钢的制备方法，由以下步骤组成：将配备好的高纯度原料组成依次经过真空感应炉内熔炼→铸模成型→高温锻造→热轧成型→淬水冷却→成品钢板，其特征在于：熔炼过程严格控制真空度≤5Pa，以避免N与Al化合物的不利影响；采用自由锻方式，热轧过程控制应变速率不小于1s-1；单道次压下量不小于35%，轧后淬水冷却，减少在AlN形成温度区间的时间，并控制第二相尺寸。
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