CN107746930A - 一种抗氧化铁素体不锈钢合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种抗氧化铁素体不锈钢合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种省铬型含铝无镍高温抗氧化铁素体不锈钢及其制造方法，该合金材料成分组成及质量百分比为：C≤0.02％，S≤0.02％，P≤0.02％，Si≤0.5％，Mn≤0.4％，Cr 12.0～16.0％，Mo 0.3‑0.9％，Nb0.01～0.5％，Ti 0.01～0.5％，N≤0.02％，Al 1.0～3.0％，稀土：0.01～0.1％，Fe余量，采用冶炼、铸造、铸锭或铸坯开坯、热轧、冷轧和轧后退火酸洗等工序制备而成。

Description

一种抗氧化铁素体不锈钢合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于不锈钢合金技术领域，具体涉及一种省铬型含铝无镍高温抗氧化铁素体不锈钢及其制造方法。
背景技术
铁素体不锈钢是不锈钢家族中一种应用较广泛的钢种，因其不含镍或少镍、成本较低以及较好的冲压性能等特点，在家用电器、厨房用品、建筑装饰和汽车排气系统等方面都占有一席之地。但是它也存在一些缺点和不足，比如它在室温、低温下的韧塑性差、晶间腐蚀敏感性高及抗高温氧化性不强等缺点，造成其制成的一些在高温环境下使用的耐热器具和燃烧器等部件耐高温氧化性偏差，使用寿命偏短。为改善这些缺点，目前提高不锈钢的抗高温氧化性的方法，通常采用提高铬含量并使用添加如镍、铝、钛、铌、钼等贵重金属的耐热合金。
我国是一个镍、铬资源匮乏的国家，随国内不锈钢消费需求的迅猛发展，将严重限制我国不锈钢产业的发展。为能够节约宝贵的铬、镍资源，同时又能保证不锈钢在高温环境下的使用寿命，本发明综合考虑了生产成本及使用性能等因素，开发出了一种添加铝、钼及稀土元素提高抗氧化性能的省铬型含铝无镍高温抗氧化铁素体不锈钢合金。本发明的铁素体不锈钢合金材料，可广泛用于各种燃烧器、耐热器具及汽车排气系统的净化器等抗高温氧化性能的部件上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一种抗氧化铁素体不锈钢合金材料及其制备方法。
本发明提供一种抗氧化铁素体不锈钢合金材料，该合金材料所含成分的质量百分比为：C≤0.02％，S≤0.02％，P≤0.02％，Si≤0.5％，Mn≤0.4％，Cr 12.0～16.0％，Mo0.3-0.9％，Nb 0.01～0.5％，Ti 0.01～0.5％，N≤0.02％，Al 1.0～3.0％，稀土：0.01～0.1％，Fe余量。
本发明所述稀土为Ce、La、Y或镧铈混合稀土中的一种或多种。
本发明所述镧铈混合稀土中镧占镧铈混合稀土的质量百分比≦41％，铈占镧铈混合稀土的质量百分比≦50％。所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或多种，其中镧铈混合稀土中的稀土元素总和占镧铈混合稀土的质量百分比≥99.5％。
本发明所述所述的抗氧化铁素体不锈钢合金材料的制备方法包括：冶炼-铸锭或铸锭开坯-热轧-热轧后退火酸洗-冷轧后退火酸洗。
本发明所述冶炼优选为采用真空感应炉、电炉+炉外精炼、转炉+炉外精炼中任一种工艺，在出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1500-1650℃。所述铸锭或铸锭开坯采用锻造开坯或直接送热轧，1000-1150℃，开坯始锻温度控制在1000-1150℃，终锻温度控制在900-1000℃，锻后空冷。所述热轧时坯料加热温度1000-1150℃，开轧温度控制在1050-1200℃，终轧温度控制在800-950℃，空冷。所述热轧后退火酸洗为钢锻造或热轧后退火并酸洗，退火温度为850-950℃，保温2-5分钟，随炉冷却到室温后并酸洗。所述冷轧后退火酸洗为冷轧后退火温度为850-950℃，处理时间为。
为达到上述目的，本发明的机理如下：
本发明针对现有铁素体不锈钢在原料成本方面的不足，以铝和钼代替铬，强化并稳定铁素体。适量的Al能固溶于钢的基体中，除起固溶强化作用外，还能与Cr一起在钢的表面形成Al2O3和Cr2O3，能显著挺高铁素体不锈钢的高温抗氧化性能和加工成型性能；而适量的钼元素在铁素体不锈钢中能起到耐点蚀和耐应力腐蚀的作用，但过量的钼会影响铁素体不锈钢的热加工性能，因此本发明设定的Al元素和Mo元素的含量范围分别为Al 1.0-3.0％，Mo 0.3-0.9％。
另外，铌和钛作为合金元素加入不锈钢中均为铁素体形成元素，它们和碳、氮元素有较强的化合作用，可形成稳定的碳氮化合物，适量的铌和钛元素能细化不锈钢的晶粒，提高铁素体不锈钢的韧性和耐腐蚀性能。因此，本发明的Nb和Ti的含量范围为Nb 0.01～0.5％，Ti 0.01～0.5％。
此外，本发明的又一特点是加入稀土元素Ce或La或Y或镧铈混合稀土，它们化学性质活泼，不仅在钢中能净化钢液、变质夹杂物，还能起到固溶强化作用，利用其具有较高的表面活性而富集于晶界的效应来使S、P等杂质元素的晶界偏析受到抑制，同时改善晶界结构，提高晶界强度，从而提高钢的强度；另外，这些稀土元素可使不锈钢在高温状态下的氧化层生长速度得到抑制，使得氧化层与基体结合良好，在高温循环作用下能保护基体不被进一步氧化，从而提高不锈钢的抗高温氧化性能。因此本发明合金稀土元素的含量范围为0.01～0.1％。
本发明合金的抗氧化性能优良，还具有较好的力学性能。其高温抗氧化性能优于SUS430和SUS304不锈钢，但其成本远低于SUS304奥氏体不锈钢；另外，本发明合金的室温机械性能诸如抗拉强度、冲击韧性等远优于SUS430和SUS304等不锈钢。因此，本发明合金如果取代SUS430、SUS304等不锈钢，不仅使合金材料成本大幅降低，而且工件使用寿命也大幅提高，这对社会的可持续发展有极其重要的意义。
附图说明
图1本发明实施例3-5(也称“本发明合金3-5”)所述的合金和对比例1-3钢号，即SUS430、SUS410L铁素体不锈钢和SUS304奥氏体不锈钢的高温抗氧化数据示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步阐述，但这些实施例不对本发明构成任何限制。
实施例1-7耐腐蚀的铁素体不锈钢合金材料的制备：根据本发明所设定的化学成分范围，在真空感应炉中冶炼了7炉钢，其成分见表1。具体制备方法如下：冶炼-铸锭或铸锭开坯-热轧-热轧后退火酸洗-冷轧后退火酸洗。
(1)冶炼采用真空感应炉、电炉+炉外精炼、转炉+炉外精炼中任一种工艺，在出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1500-1650℃。
(2)铸锭或铸锭开坯采用锻造开坯或直接送热轧，1000-1150℃，开坯始锻温度控制在1000-1150℃，终锻温度控制在900-1000℃，锻后空冷。
(3)热轧时坯料加热温度1000-1150℃，开轧温度控制在1050-1200℃，终轧温度控制在800-950℃，空冷。
(4)热轧后退火酸洗为钢锻造或热轧后退火并酸洗，退火温度为850-950℃，保温2-5分钟，随炉冷却到室温后并酸洗。
(5)冷轧后退火酸洗为冷轧后退火温度为850-950℃。
本发明合金的力学性能和高温抗氧化性能试样均直接从热轧退火酸洗后的板材上横向取样。
对比例1-3：为便于对比，还同时冶炼了SUS430、SUS410L铁素体不锈钢和SUS304奥氏体不锈钢，依次标注为对比例1、2、3。对比试验均在相同的冶炼、锻造、热轧和抗高温氧化等试验条件下进行。
试验例：
进行实施例3-5所述的合金和对比例1-3钢号的高温抗氧化实验对比。
上述实施例1-7制得的合金和对比例1-3钢号的化学成分(其中稀土元素用RE表示)、机械性能和高温抗氧化性能进行测试，结果见下表：
表1实施例1-7制得的合金和对比例1-3钢号的化学成分(wt％)
表1中RE表示稀土元素用，其中实施例1中的稀土元素为La，实施例2中的稀土元素为Ce，实施例3、4和5中的稀土元素为Y实施例6和7中的稀土元素为La和Ce混合稀土。
表2实施例1-7制得的合金和对比例1-3钢号的室温机械性能
表3实施例1-7制得的合金和对比例1-3钢号在不同温度下的抗高温氧化数据列表

Claims (10)

1.一种抗氧化铁素体不锈钢合金材料，其特征在于，该合金材料所含成分的质量百分比为：C≤0.02％，S≤0.02％，P≤0.02％，Si≤0.5％，Mn≤0.4％，Cr 12.0～16.0％，Mo0.3-0.9％，Nb 0.01～0.5％，Ti 0.01～0.5％，N≤0.02％，Al 1.0～3.0％，稀土：0.01～0.1％，Fe余量。
2.根据利要求1所述的抗氧化铁素体不锈钢合金材料，其特征在于，所述稀土为Ce、La、Y或镧铈混合稀土中的一种或多种。
3.根据利要求2所述的抗氧化铁素体不锈钢合金材料，其特征在于，所述镧铈混合稀土中镧占镧铈混合稀土的质量百分比≦41％，铈占镧铈混合稀土的质量百分比≦50％。
4.根据利要求3所述的抗氧化铁素体不锈钢合金材料，其特征在于，所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或多种，其中镧铈混合稀土中的稀土元素总和占镧铈混合稀土的质量百分比≥99.5％。
5.根据利要求1-4任一项所述的抗氧化铁素体不锈钢合金材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：冶炼-铸锭或铸锭开坯-热轧-热轧后退火酸洗-冷轧后退火酸洗。
6.根据利要求5所述的抗氧化铁素体不锈钢合金材料的制备方法，其特征在于，所述冶炼采用真空感应炉、电炉+炉外精炼、转炉+炉外精炼中任一种工艺，在出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1500-1650℃。
7.根据利要求6所述的抗氧化铁素体不锈钢合金材料的制备方法，其特征在于，所述铸锭或铸锭开坯采用锻造开坯或直接送热轧，1000-1150℃，开坯始锻温度控制在1000-1150℃，终锻温度控制在900-1000℃，锻后空冷。
8.根据利要求7所述的抗氧化铁素体不锈钢合金材料的制备方法，其特征在于，所述热轧时坯料加热温度1000-1150℃，开轧温度控制在1050-1200℃，终轧温度控制在800-950℃，空冷。
9.根据利要求8所述的抗氧化铁素体不锈钢合金材料的制备方法，其特征在于，所述热轧后退火酸洗为钢锻造或热轧后退火并酸洗，退火温度为850-950℃，保温2-5分钟，随炉冷却到室温后并酸洗。
10.根据利要求9所述的抗氧化铁素体不锈钢合金材料的制备方法，其特征在于，所述冷轧后退火酸洗为冷轧后退火温度为850-950℃。
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