CN108642373A - 一种高温抗氧化奥氏体耐热钢及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种高温抗氧化奥氏体耐热钢及其制备工艺，该耐热钢包括以下重量百分比组分：C≤0.02％、P≤0.02％、S≤0.01％、Si 1.0‑2.0％、Mn 3.0‑5.0％、Cr 18‑23％、Ni 5.0‑7.9％、Mo 0.3‑0.6％、Nb 0.1‑0.3％、Al 0.5‑2.0％、Cu 0.1‑1.0％、V 0.1‑0.3％、B 0.001‑0.02％、Ba 0.001‑0.01％、N 0.4‑0.6％、Hf≤0.1％、Ti≤0.1％、Zr≤0.1％、稀土元素RE≤0.1％，余量为Fe。所述耐热钢能够在650℃及以上高温高压及湿热蒸汽等复杂条件下工作。

Description

一种高温抗氧化奥氏体耐热钢及其制备工艺
技术领域
本发明属于耐热钢合金技术领域，具体涉及一种高温抗氧化奥氏体耐热钢及其制备工艺。
背景技术
奥氏体不锈钢因其具有良好的耐腐蚀性、抗高温氧化性及优良的热加工性能，被广泛作为能源、电力、石油、化工及交通运输等行业中承受耐腐蚀、高温及高压等环境的零部件使用。
现有的奥氏体不锈耐热钢主要是在不锈钢表面形成一层Cr2O3的氧化物保护膜，以提高合金的高温抗氧化性能。但在高温、高压、湿热蒸汽及含其它苛刻腐蚀环境中，Cr2O3极不稳定，很容易生成挥发性的氢氧化物，破坏不锈钢表面的氧化膜，使不锈钢合金的使用寿命大大缩短。为克服以上缺点，研究人员发现，奥氏体耐热钢中添加铝元素，在合金表面能形成与传统耐热钢表面Cr2O3膜不同的Al2O3氧化膜，从热力学角度而言，Al2O3比Cr2O3保护层具有更高的热力学稳定性，且Al2O3的生长速率比Cr2O3要低一个数量级。因此，在不增加生产成本的同时，含铝的奥氏体耐热钢可应用于更为苛刻的高温高压及耐腐蚀环境中。
发明内容
本发明主要提供了一种高温抗氧化奥氏体耐热钢及其制备工艺，该耐热钢能够在650℃及以上高温高压及湿热蒸汽等复杂条件下工作。其技术方案如下：
一种高温抗氧化奥氏体耐热钢，其包括以下重量百分比组分：C≤0.02％、P≤0.02％、S≤0.01％、Si 1.0-2.0％、Mn 3.0-5.0％、Cr 18-23％、Ni 5.0-7.9％、Mo 0.3-0.6％、Nb 0.1-0.3％、Al 0.5-2.0％、Cu 0.1-1.0％、V 0.1-0.3％、B 0.001-0.02％、Ba0.001-0.01％、N 0.4-0.6％、Hf≤0.1％、Ti≤0.1％、Zr≤0.1％、稀土元素RE≤0.1％，余量为Fe。
优选的，所述稀土元素为镧、铈、钇元素中的一种或几种。
优选的，所述稀土元素为镧、铈、钇元素中的一种或几种与镨、钕、钷、钐中的一种或几种组合而成。
优选的，镧、铈和钇元素中任意一种或多种元素的质量占稀土元素总量大于等于99.5％。
上述高温抗氧化奥氏体耐热钢的制备工艺，所述工艺包括冶炼、铸锭或铸锭开坯、热轧、轧制或锻造后热处理步骤。
优选的，所述冶炼具体的为，采用真空感应炉、电炉与炉外精炼、转炉与炉外精炼中的任一种工艺冶炼除稀土元素以外的其他组分，出钢浇铸前加入稀土元素，浇铸温度控制在1500-1650℃。
优选的，所述铸锭或铸锭开坯采用锻造开坯或直接送热轧，加热温度为1100-1250℃，开坯始锻温度为1050-1200℃，终锻温度为950-1050℃，锻后空冷。
优选的，进行热轧时，坯料加热温度为1100-1250℃，开轧温度为1100-1200℃，终轧温度为1000-1100℃，空冷。
优选的，所述轧制或锻造后热处理具体的为热轧后进行固溶热处理，固溶处理温度为1020-1150℃，保温0.5-1小时后空冷。
本发明提供的奥氏体耐热钢合金，根据元素合金化原理，锰和氮可以代替镍在钢中的作用原理，用适量的廉价氮和锰可以代替镍，从而降低贵重镍的用量，降低生产成本。因为虽然锰是比较弱的奥氏体形成元素，但能强烈稳定奥氏体组织，并能提高在钢中的溶解度；而氮也是提高奥氏体稳定性元素，加入奥氏体不锈钢中后，可以在不明显降低合金塑、韧性的同时，显著提高合金的室温强度和高温强度，还能提高合金的耐蚀性及延缓碳化物析出等作用。另外，本发明合金中加入铌、钡和稀土等固溶强化合金元素，它们能减少晶界缺陷，提高晶界结合力，降低晶界扩散速率，减缓位错攀移，强化晶界；再者，本发明合金中加入适量铝元素，能在合金表面生成连续致密稳定的氧化铝保护膜，提高合金的高温耐氧化性；此外，稀土元素和钡元素还能起到复合微合金作用，可使合金在高温状态下的氧化层生长速率得到抑制，使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，从而提高了本发明合金的高温抗氧化性能；还有，加入的铌、钒、铜和锆等合金元素还能起到位错强化和沉淀析出强化作用，提高本发明合金的高温强度和塑性。
采用上述方案，本发明具有以下优点：
本发明综合考虑生产成本，以氮和锰代镍，并添加适量的锆、铪及稀土等固溶强化合金元素，开发出了一种在高温下具有优良的力学性能，同时在高温氧化过程中，能够自发生成连续致密Al2O3保护膜的耐高温氧化奥氏体不锈钢，本发明耐热钢合金能够在650℃及以上高温高压及湿热蒸汽等复杂条件下工作。
本发明钢的高温抗拉强度优良，还具有较好的高温抗氧化性能。其高温抗拉强度和高温抗氧化性能远优于06Cr19Ni10、06Cr25Ni20和NF709等不锈耐热钢。
附图说明
图1为实施例4-9制备的耐热钢和对比例1-3钢号在高温干燥空气中的循环氧化增重速率示意图。
具体实施方式
以下实施例中的实验方法如无特殊规定，均为常规方法，所涉及的实验试剂及材料如无特殊规定均为常规生化试剂和材料。
实施例1-14
实施例1-14中铁素体耐热钢的成分见表1所示。不锈钢合金的具体加工工艺如下：
(1)冶炼：采用真空感应炉、电炉与炉外精炼、转炉与炉外精炼中的任一种工艺冶炼除稀土元素以外的其他组分，出钢浇铸前加入稀土元素，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，加热温度为1100-1250℃，开坯始锻温度控制在1050-1200℃，终锻温度控制在950-1050℃，锻后空冷；
(3)热轧：坯料加热温度1100-1250℃，开轧温度控制在1100-1200℃，终轧温度控制在1000-1100℃；
(4)轧制或锻造后热处理：热轧后进行固溶热处理，固溶处理温度为1020-1150℃，保温0.5-1小时后空冷。
本发明不锈钢的力学性能和高温抗氧化性能等试样均直接从热轧后进行热处理的板材上横向取样。
对比例1-3
冶炼了06Cr19Ni10、06Cr25Ni20和NF709三种成分的奥氏体耐热钢，依次标注为对比例1、2、3。对比试验均在与实施例相同的冶炼、锻造、轧制、力学性能等试验条件下进行。对比例1-3成分见表1所示。
表1实施例1-14制得的耐热钢和对比例1-3钢号的化学成分(wt％)
(续表1)
性能测定
分别对实施例1-14所述的耐热钢和对比例1-3钢号机械性能、高温抗氧化性能等对比试验，具体结果见下表2-5。
表2实施例1-14制备的耐热钢和对比例1-4钢号的室温力学性能
表3实施例1-14制备的耐热钢和对比例1-3钢号在750℃时的高温力学性能
表4实施例1-14制备的耐热钢和对比例1-3钢号在高温干燥空气中100h下的循环氧化增重速率
实施例4-9制备的耐热钢和对比例1-3钢号在高温干燥空气中的循环氧化增重速率示意图如图1所示。
表5实施例1-14制得的耐热钢与对比例1-3钢号在750℃空气+15％水蒸气中的抗氧化数据
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高温抗氧化奥氏体耐热钢，其包括以下重量百分比组分：C≤0.02％、P≤0.02％、S≤0.01％、Si 1.0-2.0％、Mn 3.0-5.0％、Cr 18-23％、Ni 5.0-7.9％、Mo 0.3-0.6％、Nb 0.1-0.3％、Al 0.5-2.0％、Cu 0.1-1.0％、V 0.1-0.3％、B 0.001-0.02％、Ba0.001-0.01％、N 0.4-0.6％、Hf≤0.1％、Ti≤0.1％、Zr≤0.1％、稀土元素RE≤0.1％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的高温抗氧化奥氏体耐热钢，其特征在于：所述稀土元素为镧、铈、钇元素中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的高温抗氧化奥氏体耐热钢，其特征在于：所述稀土元素为镧、铈、钇元素中的一种或几种与镨、钕、钷、钐中的一种或几种组合而成。
4.根据权利要求3所述的高温抗氧化奥氏体耐热钢，其特征在于：镧、铈和钇元素中任意一种或多种元素的质量占稀土元素总量大于等于99.5％。
5.一种权利要求1所述的高温抗氧化奥氏体耐热钢的制备工艺，其特征在于：所述工艺包括冶炼、铸锭或铸锭开坯、热轧、轧制或锻造后热处理步骤。
6.根据权利要求5所述的高温抗氧化奥氏体耐热钢的制备工艺，其特征在于：所述冶炼具体的为，采用真空感应炉、电炉与炉外精炼、转炉与炉外精炼中的任一种工艺冶炼除稀土元素以外的其他组分，出钢浇铸前加入稀土元素，浇铸温度控制在1500-1650℃。
7.根据权利要求5所述的高温抗氧化奥氏体耐热钢的制备工艺，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，加热温度为1100-1250℃，开坯始锻温度为1050-1200℃，终锻温度为950-1050℃，锻后空冷。
8.根据权利要求5所述的高温抗氧化奥氏体耐热钢的制备工艺，其特征在于：进行热轧时，坯料加热温度为1100-1250℃，开轧温度为1100-1200℃，终轧温度为1000-1100℃，空冷。
9.根据权利要求5所述的高温抗氧化奥氏体耐热钢的制备工艺，其特征在于：所述轧制或锻造后热处理具体的为热轧后进行固溶热处理，固溶处理温度为1020-1150℃，保温0.5-1小时后空冷。
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