CN107739995A - 一种低成本高强度的管材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种低成本高强度的管材料及其制备方法，合金成分按质量百分比满足如下范围要求：C：0.03‑0.06％，Ni：5‑8％，Cr：17‑22％，Al：1.8‑3.0％，Ti：≤0.3％，Co：≤3％，Nb：≤0.6％，W：≤1.5％，Mo：≤1.0％，Cu：≤3％，N：≤0.25％，Zr：≤0.1％，Mg：≤0.05％，B：≤0.006％，余量为Fe；将配制的合金熔炼成合金母液，采用负压铸造工艺制备成合金铸锭；然后在850‑1100℃范围轧制成型板材后经固溶处理、时效处理即可。合金具有优异强度性能的同时，具有良好的抗氧化性。合金室温抗拉强度不低于750MPa，屈服强度超过650MPa。

Description

一种低成本高强度的管材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种低成本高强度的管材料及其制备方法。
背景技术
高铬马氏体耐热钢因其低廉的成本及优异的性能而获得广泛应用。较高的铬元素含量确保合金具备良好的抗氧化、抗腐蚀性能，进一步确保了合金在严苛工况条件下的使用性能。其中，最具代表性的为9-12Cr马氏体耐热钢，其已在超临界及超超临界火电机组中获得广泛应用。然而，随着火电机组蒸汽参数的逐渐提高，对材料的性能要求越发苛刻。传统的材料已难以满足蒸汽温度上升对材料带来的影响。其中，抗氧化性不足成为高铬马氏体不锈钢进一步在先进超超临界机组中推广应用的一大挑战。铬元素的提高对材料的抗氧化性能具有显著的改善效果，但同时往往会造成合金力学性能的下降。为进一步改善合金性能，近来有研究尝试进行合金化，确保高铬合金同时具备良好的强度及抗氧化性能。然而，随着合金化程度的增加，往往会引起高温铁素体形成，并同时提高合金的韧脆转变温度，导致合金塑性急剧下降，对合金使用性能构成严重影响。目前的研究结果认为，Ni、Al元素的添加对合金强度具有明显改善效果，但同时对塑性影响显著，少量Al元素添加会造成合金韧脆转变温度迅速提高，严重降低塑性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本高强度的管材料及其制备方法，在保障合金具备良好抗氧化性能的同时，促进合金中细小NiAl相析出，同时添加Co、Cu、N等元素以调整合金成分，并结合合理的加工及热处理工艺，最大幅度降低合金韧脆转变温度，从而使合金获得良好的强度与塑性匹配。
为了实现以上发明目的，本发明所采用的技术方案为：
一种低成本高强度的管材料，合金成分按质量百分比满足如下范围要求：C：0.03-0.06％，Ni：5-8％，Cr：17-22％，Al：1.8-3.0％，Ti：≤0.3％，Co：≤3％，Nb：≤0.6％，W：≤1.5％，Mo：≤1.0％，Cu：≤3％，N：≤0.25％，Zr：≤0.1％，Mg：≤0.05％，B：≤0.006％，余量为Fe；其中，Al+Ti≥2.5％时，C+N≥0.25％。
一种低成本高强度的管材料的制备方法，包括以下步骤：
1)配制合金：合金成分按质量百分比满足如下范围要求：C：0.03-0.06％，Ni：5-8％，Cr：17-22％，Al：1.8-3.0％，Ti：≤0.3％，Co：≤3％，Nb：≤0.6％，W：≤1.5％，Mo：≤1.0％，Cu：≤3％，N：≤0.25％，Zr：≤0.1％，Mg：≤0.05％，B：≤0.006％，余量为Fe；其中，Al+Ti≥2.5％时，C+N≥0.25％；
2)熔炼步骤：将配制的合金熔炼成合金母液，最后采用负压铸造工艺制备成合金铸锭；
3)高温热轧：将合金铸锭在850-1100℃范围轧制成型板材；
4)合金热处理：将轧制后的板材经固溶处理、时效处理，得到低成本高强度的管材料。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中采用真空感应炉进行熔炼。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中熔炼时真空度不高于5×10-3MPa。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中轧制时，每道次下压变形量不低于10％，轧制完成后变形量不低于40％。
本发明进一步的改进在于，固溶处理的温度为1050-1200℃，时间为0.5-2小时。
本发明进一步的改进在于，时效处理的温度为700-780℃，时间为8-24小时。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明在12Cr合金基础上提高的Ni，Al含量，促进合金中细小弥散的NiAl相析出；大幅提高Cr元素含量，以确保合金的抗氧化抗、腐蚀能力；添加Co、Cu、N等元素以调整合金成分，降低合金韧脆转变温度，并且成本低。
按本发明所述方法制备的合金具备良好的综合性能及组织稳定性，长期热暴露条件下析出相尺寸变化不大。合金平均晶粒尺寸70-150微米，主要由马氏体及逆变奥氏体双相构成，其中马氏体体积分数不低于20％。合金经时效处理后，晶粒内部均匀弥散析出大量细小的球状NiAl相，平均尺寸不超过100nm，且其体积分数不低于15％。合金具有优异强度性能的同时，具有良好的抗氧化性。合金室温抗拉强度不低于750MPa，屈服强度超过650MPa，合金在650℃及700℃条件下氧化200小时后增重分别不超过0.1mg/cm2与0.12mg/cm2。该合金适应用于先进超超临界火电机组(A-USC)水冷壁管材，也可应用于宇航、核反应堆和石化等领域，如飞机部件、反应堆部件及石油化工装备等。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明涉及一种高铬铁素体不锈钢。
实施例1
本实施例的耐热钢材料，按质量百分比计包括：C：0.05％，Ni：6.0％，Cr：18％，Al：3.0％，Ti：0.2％，Nb：0.5％，Mo：0.5％，N：0.2％，Zr：0.05％，B：0.005％，余量为Fe。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比计包括：C：0.05％，Ni：6.0％，Cr：18％，Al：3.0％，Ti：0.2％，Nb：0.5％，Mo：0.5％，N：0.2％，Zr：0.05％，B：0.005％，余量为Fe。
2)熔炼步骤：采用真空感应炉将配制的合金熔炼成合金母液，最后采用吸铸方式(负压铸造工艺)制备成合金铸锭。
3)高温热轧：铸锭成型后在1050℃轧制成型板材，每道次轧制变形量不低于10％，最终总变形量不低于40％。
4)合金热处理：合金轧板在1050℃固溶处理2小时后空冷，随后在750℃时效24小时，最后空冷至室温。
实施例2
本实施例的耐热钢材料，按质量百分比计包括：C：0.05％，Ni：6.0％，Cr：18％，Al：2.0％，Ti：0.2％，Co：3％，W：1.0％，Cu：1.5％，Zr：0.05％，B：0.005％，余量为Fe。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比计包括：C：0.05％，Ni：6.0％，Cr：18％，Al：2.0％，Ti：0.2％，Co：3％，W：1.0％，Cu：1.5％，Zr：0.05％，B：0.005％，余量为Fe。
2)熔炼步骤：采用真空感应炉将配制的合金熔炼成合金母液，最后采用吸铸方式(负压铸造工艺)制备成合金铸锭。
3)高温热轧：铸锭成型后在1050℃轧制成型板材，每道次轧制变形量不低于10％，最终总变形量不低于40％。
4)合金热处理：合金轧板在1050℃固溶处理2小时后空冷，随后在750℃时效24小时，最后空冷至室温。
参见表1，对实施例的合金性能分别进行了测试。从结果可见，实施例合金具备良好的室温强度与抗氧化性能。合金抗拉强度高于750MPa，屈服强度不低于650MPa，且650℃及700℃条件下氧化200小时后增重分别不超过0.1mg/cm2与0.12mg/cm2。
表1合金力学性能测试结果
实施例3
本实施例的耐热钢材料，按质量百分比计包括：C：0.03％，Ni：5％，Cr：17％，Al：1.8％，余量为Fe；
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：按照上述成分进行合金配制。
2)熔炼步骤：采用真空感应炉将配制的合金熔炼成合金母液，最后采用吸铸方式(负压铸造工艺)制备成合金铸锭。
3)高温热轧：铸锭成型后在850℃轧制成型板材，每道次轧制变形量不低于10％，最终总变形量不低于40％。
4)合金热处理：合金轧板在1100℃固溶处理2小时后空冷，随后在700℃时效24小时，最后空冷至室温。
实施例4
本实施例的耐热钢材料，按质量百分比计包括：C：0.06％，Ni：8％，Cr：22％，Al：3.0％，Nb：0.1％，W：0.1％，Mo：1％，Cu：3％，N：0.20％，Zr：0.1％，Mg：0.05％，B：0.006％，余量为Fe；
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：按照上述成分进行合金配制。
2)熔炼步骤：采用真空感应炉将配制的合金熔炼成合金母液，最后采用吸铸方式(负压铸造工艺)制备成合金铸锭。
3)高温热轧：铸锭成型后在900℃轧制成型板材，每道次轧制变形量不低于10％，最终总变形量不低于40％。
4)合金热处理：合金轧板在12100℃固溶处理0.5小时后空冷，随后在780℃时效8小时，最后空冷至室温。
实施例5
本实施例的耐热钢材料，按质量百分比计包括：C：0.04％，Ni：7％，Cr：20％，Al：1.5％，Ti：0.1％，Co：1％，Nb：0.3％，W：1.5％，Mo：1.0％，Cu：0.2％，N：0.25％，Mg：0.01％，B：0.001％，余量为Fe；
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：按照上述成分进行合金配制。
2)熔炼步骤：采用真空感应炉将配制的合金熔炼成合金母液，最后采用吸铸方式(负压铸造工艺)制备成合金铸锭。
3)高温热轧：铸锭成型后在1100℃轧制成型板材，每道次轧制变形量不低于10％，最终总变形量不低于40％。
4)合金热处理：合金轧板在1150℃固溶处理1小时后空冷，随后在720℃时效18小时，最后空冷至室温。
本发明中固溶处理完成后合金平均晶粒尺寸70-150微米，主要由马氏体及逆变奥氏体双相构成，其中马氏体体积分数不低于20％。
合金经时效处理后，在晶粒内部均匀弥散析出大量细小尺寸的球状NiAl相，析出相平均尺寸不超过100nm，且其体积分数不低于15％。
合金室温抗拉强度不低于750MPa，屈服强度超过650MPa，合金在650℃及700℃条件下氧化200小时后增重分别不超过0.1mg/cm2与0.12mg/cm2。

Claims (9)

1.一种低成本高强度的管材料，其特征在于，合金成分按质量百分比满足如下范围要求：C：0.03-0.06％，Ni：5-8％，Cr：17-22％，Al：1.8-3.0％，Ti：≤0.3％，Co：≤3％，Nb：≤0.6％，W：≤1.5％，Mo：≤1.0％，Cu：≤3％，N：≤0.25％，Zr：≤0.1％，Mg：≤0.05％，B：≤0.006％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种低成本高强度的管材料，其特征在于，当Al+Ti≥2.5％时，C+N≥0.25％。
3.一种低成本高强度的管材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)配制合金：合金成分按质量百分比满足如下范围要求：C：0.03-0.06％，Ni：5-8％，Cr：17-22％，Al：1.8-3.0％，Ti：≤0.3％，Co：≤3％，Nb：≤0.6％，W：≤1.5％，Mo：≤1.0％，Cu：≤3％，N：≤0.25％，Zr：≤0.1％，Mg：≤0.05％，B：≤0.006％，余量为Fe；
2)熔炼步骤：将配制的合金熔炼成合金母液，最后采用负压铸造工艺制备成合金铸锭；
3)高温热轧：将合金铸锭在850-1100℃范围轧制成型板材；
4)合金热处理：将轧制后的板材经固溶处理、时效处理，得到低成本高强度的管材料。
4.根据权利要求3所述的一种低成本高强度的管材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中采用真空感应炉进行熔炼。
5.根据权利要求3所述的一种低成本高强度的管材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中熔炼时真空度不高于5×10-3MPa。
6.根据权利要求3所述的一种低成本高强度的管材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中轧制时，每道次下压变形量不低于10％，轧制完成后变形量不低于40％。
7.根据权利要求3所述的一种低成本高强度的管材料的制备方法，其特征在于，固溶处理的温度为1050-1200℃，时间为0.5-2小时。
8.根据权利要求3所述的一种低成本高强度的管材料的制备方法，其特征在于，时效处理的温度为700-780℃，时间为8-24小时。
9.根据权利要求3所述的一种低成本高强度的管材料的制备方法，其特征在于，当Al+Ti≥2.5％时，C+N≥0.25％。
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