CN109055691A - 一种Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Fe‑Cr‑Zr系铁素体耐热合金及其制备方法，属于耐热合金材料技术领域。合金化学成分为(wt.％)：C：≤0.01％，Cr：8.0～12.0％，W：0～2.0％，Zr：5.0～10.0％，Fe：余量。所述Fe‑Cr‑Zr系铁素体耐热合金的制备方法，按照Fe‑Cr‑Zr系铁素体耐热合金的化学成分配比进行配料，采用真空熔炼浇注铸锭后，依次进行锻造、轧制和热处理即可。本发明所述Fe‑Cr‑Zr系铁素体耐热合金在高温下具有良好的强塑性，与现有的铁素体/马氏体耐热钢相比，在不损失高温塑性的前提下，显著提高了高温强度。

Description

一种Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及耐热合金材料技术领域，具体涉及一种Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金及其制备方法。
背景技术：
相比于奥氏体不锈钢，铁素体/马氏体耐热钢由于具有热膨胀系数小、导热率高、辐照肿胀率小等特点，被应用于超(超)临界机组、汽轮机以及四代核电中的高温承压部件。现有铁素体/马氏体耐热钢的主要合金成分是Fe-(9～12wt.％)Cr，其良好的高温强度主要依赖于淬火+回火处理后形成的界面(包括原始奥氏体晶界、马氏体板条界以及板条内亚晶界)、以及界面处析出的M23C6碳化物。碳化物是铁素体/马氏体耐热钢中的有效强化相，主要在原奥晶界及马氏体板条界析出，然而，高温长时作用下界面处的M23C6碳化物会发生Ostwald粗化，导致材料强度的显著下降，使得材料的使用温度不超过550℃。因此，如何提高铁素体/马氏体耐热钢的高温强度是亟待解决的问题。
发明内容：
为解决铁素体/马氏体耐热钢中碳化物粗化引起的高温强度下降问题，本发明的目的是在Fe—(9～12wt.％)Cr的基础上，发展一种Fe-Zr型金属间化合物强化的Fe-Cr-Zr系耐热合金，来提高耐热合金的高温强度。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金，所述Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金是在Fe-(9～12wt.％)Cr合金的基础上，降低C元素的含量，同时添加适量的Zr元素后获得；其中：C元素的含量≤0.01wt.％，Zr元素的含量为5.0～10.0wt.％。
按重量百分含量计，所述Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金的化学成分为：C≤0.01％，Cr 8.0～12.0％，W 0～2.0％，Zr 5.0～10.0％，Fe为余量。所述Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金中还可含有Mo元素。
所述Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金的微观组织由Fe2Zr相和α-Fe相组成，其中：Fe2Zr相为微米尺寸，且弥散分布在铁素体基体中。
所述Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金在700℃时的力学性能为：
屈服强度大于204MPa，抗拉强度大于245MPa，延伸率大于45％。
所述Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金的制备方法为：将原材料按照Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金的化学成分配比进行配料，采用真空熔炼浇注铸锭后，依次进行锻造、轧制和热处理，即得到所述Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金。
所述的真空熔炼为真空电弧熔炼、真空感应熔炼或电子束熔炼等真空熔炼方法。
所述锻造在1200±50℃开锻，终锻温度≥900℃。
所述轧制在1200±50℃开锻，终锻温度≥900℃。
所述的热处理制度为1050～1150℃保温5～30min，空冷至室温。
本发明Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金的设计原理如下：
该Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金，为抑制M23C6碳化物的析出，C元素的质量分数应≤0.01％。
该Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金，为保证Fe-Zr型金属间化合物的形成，Zr元素的质量分数为：5.0～10.0％。
该Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金，W的添加为固溶强化作用，为保证W的固溶强化效果，同时避免添加过多的W形成有害Laves相，W(或Mo+W)的质量分数之和优选1.0～3.0％。
本发明的优点及有益效果在于：
1、为消除高温下碳化物粗化引起的高温强度下降问题，本发明在Fe-(9～12wt.％)Cr的基础上，发展一种Fe-Zr型金属间化合物强化的Fe-Cr-Zr系耐热合金，一方面降低C含量来抑制热稳定性差的M23C6碳化物的析出，另一方面通过添加Zr使得基体中析出Fe-Zr型金属间化合物。Fe-Zr型金属间化合物具有良好的热稳定性，其弥散强化作用有利于材料高温性能的提升。
2、本发明Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金在高温下具有良好的强塑性，与现有的铁素体/马氏体耐热钢相比，在不损失高温塑性的前提下，显著提高了高温强度(具体实施例1和对比例1)。
3、本发明制备方法简单，容易操作。采用工艺设备均为常规设备，成本较低，具有良好的可推广性。
附图说明：
图1为实施例1制备Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金的XRD衍射谱。
图2为实施例1制备Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金的组织照片(扫描电镜观察5000倍)。
图3为对比例1制备铁素体/马氏体耐热钢的组织照片(扫描电镜观察8000倍)。
具体实施方式：
下面通过实施例对本发明所述一种Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金及其制备方法予以进一步的说明。
实施例1
本实例所述一种Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金，合金各元素的质量分数如下：C:0.0039％，Cr:8.96％，W:2.01％，Zr:9.5％，余量为Fe。
具体的生产工艺步骤如下：
1)熔炼：按照合金成分配比称取原材料，将配制的原料装入真空感应熔炼炉的坩埚中，在真空感应炉中熔炼，并浇铸成铸锭，待铸锭完全凝固后，开模取出；
2)锻造：将铸锭加热至1200℃，保温1h，迅速放置在锤锻机上锻造成板坯，然后空冷至室温，终锻温度在900℃以上。
3)轧制：将锻造后的板材加热至1200℃，保温1h，在二辊热轧机进行轧制成板材，然后空冷至室温，终轧温度在900℃以上。
4)热处理：将轧制后的板材在1100℃保温15min，取出空冷至室温；
所得合金的XRD(X射线衍射)分析结果见图1，组织由Fe2Zr相和α-Fe相组成。合金组织的SEM照片见图2，Fe2Zr相为微米尺寸，且弥散分布在铁素体基体上。经测试，700℃下的屈服强度为212MPa，抗拉强度为259MPa，延伸率为45.3％。
对比例1
为了对比分析，按照与实施例1相同的生产工艺制备出9～12％Cr铁素体/马氏体耐热钢，合金各元素的质量分数如下：C:0.14％，Cr:8.78％，W:1.91％，V:0.24％，Ta:0.05％，Mn:0.47％，余量为Fe。除不添加Zr、以及C含量增加至0.14％外，对比例1中的合金成分基本与实施例1相同。
所得铁素体/马氏体耐热钢的SEM组织见图3，组织为马氏体组织，M23C6碳化物分布在晶界和马氏体板条间。经测试，700℃下的屈服强度为159MPa，抗拉强度为199MPa，延伸率为36.9％。
从上述实施例1和对比例1可以看出，Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金与铁素体/马氏体耐热钢相比，700℃下的屈服强度提升33％，抗拉强度提升38％，与此同时，延伸率提升23％。
实施例2
本实例所述一种Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金，合金各元素的质量分数如下：C：0.0045％，Cr：9.4％，W：1.8％，Zr：8.5％，余量为Fe。
所述合金的制备工艺与实施例1相同。
经测试，所得合金在700℃下的屈服强度为210MPa，抗拉强度为258MPa，延伸率为50.8％。
实施例3
本实例所述一种Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金，合金各元素的质量分数如下：C:0.0040％，Cr:9.5％，W:1.6％，Zr:6.5％，余量为Fe。
所述合金的制备工艺与实施例1相同。
经测试，所得合金在700℃下的屈服强度为205MPa，抗拉强度为243MPa，延伸率为52.5％。
实施例4
本实例所述一种Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金，合金各元素的质量分数如下：C:0.0039％，Cr:8.96％，W:2.01％，Zr:9.5％，余量为Fe。
所述合金的制备工艺与实施例1的不同之处在于：所述的热处理工艺为1060℃保温30min。
经测试，所得合金在700℃下的屈服强度为218MPa，抗拉强度为270MPa，延伸率为47.5％。
实施例5
本实例所述一种Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金，合金各元素的质量分数如下：C:0.0015％，Cr:9.2％，W:1.97％，Zr:9.0％，余量为Fe。
所述合金的制备工艺与实施例1的不同之处在于：熔炼采用真空电弧炉冶炼，铸锭直接热轧成板材。
经测试，所得合金在700℃下的屈服强度为222MPa，抗拉强度为274MPa，延伸率为48.6％。
以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，目的在于让本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金，其特征在于：所述Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金是在Fe-(9～12wt.％)Cr合金的基础上，降低C元素的含量，同时添加适量的Zr元素后获得；其中：C元素的含量≤0.01wt.％，Zr元素的含量为5.0～10.0wt.％。
2.按照权利要求1所述的Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金，其特征在于：按重量百分含量计，所述Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金的化学成分如下：
C≤0.01％，Cr 8.0～12.0％，W 0～2.0％，Zr 5.0～10.0％，Fe为余量。
3.按照权利要求2所述的Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金，其特征在于：所述Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金中还含有Mo元素。
4.按照权利要求1或2所述的Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金，其特征在于：所述Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金的微观组织由Fe2Zr相和α-Fe相组成，其中：Fe2Zr相为微米尺寸，且弥散分布在铁素体基体中。
5.按照权利要求1或2所述的Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金，其特征在于：所述Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金在700℃时的力学性能为：
屈服强度大于204MPa，抗拉强度大于245MPa，延伸率大于45％。
6.按照权利要求1或2所述的Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金的制备方法，其特征在于：将原材料按照Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金的化学成分配比进行配料，采用真空熔炼浇注铸锭后，依次进行锻造、轧制和热处理，即得到所述Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金。
7.按照权利要求6所述的Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金的制备方法，其特征在于：所述的真空熔炼为真空电弧熔炼、真空感应熔炼或电子束熔炼等真空熔炼方法。
8.按照权利要求6所述的Fe-Cr-Zr系铁素体耐热合金的制备方法，其特征在于：所述的热处理制度为1050～1150℃保温5～30min后，空冷至室温。
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