CN109385571A - 一种耐热不锈钢材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种耐热不锈钢材料及其制备方法，涉及合金材料技术领域。本发明的所述材料至少包括以下质量百分比的化学成分：C：0.09％～0.15％；Si：0.2％～0.8％；Mn：0.2％～0.8％；S：≤0.025％；P≤0.025％；Cr：11.5％～13.5％；Ni：2.3％～3.0％；W：1.6％～2.2％；V：0.18％～0.28％；B：0.003～0.006％；其余为Fe。本发明的耐热不锈钢材料通过试验表明，具有较高的热稳定性、屈服强度和抗拉强度，其冲击韧性较高，达到了航空发动机零部件对材料的要求。

Description

一种耐热不锈钢材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金技术领域，尤其是涉及一种耐热不锈钢材料及其制备方法。
背景技术
航空工业的发展主要体现在航空涡轮发动机的设计、制造工艺和生产技术是否达到先进水平，能否生产出先进航空发动机体现着国家科技程度、军事力量和综合国力。现代先进航空发动机必须满足超高速、大升限、长航时、远航程的要求，因此，航空涡轮发动机推力势必增大，燃烧室的温度随之升高，航空发动机的工作性能和可靠性主要取决于其零部件能否有效承受热冲击、高温腐蚀、高热变和复杂应力。在航空技术领域，航空发动机各部件的工作环境对使用材料提出了苛刻的要求。从发动机压气机到尾喷管，各零部件均在较高温度下和高的振动条件下工作，有些零部件要在800℃以上的条件下长期工作。同时在震动、气流的冲刷下，一些高温部件还要承受较大的应力和空气的腐蚀。由于燃气中存在大量的氧、水汽，并存在SO2、H2S等腐蚀性气体，都会对高温零件起到氧化和腐蚀作用。
随着科学的发展，航空发动机推重比日益提高，发动机工作环境温度也越来越高，对航空发动机零部件性能要求更加苛刻。因此对具有特殊性能的合金材料及品种的需求日益扩大，对质量的要求也越来越严格。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐热不锈钢材料及其制备方法，本发明的耐热不锈钢材料具有优异的力学性能，室温抗拉强度бb≥880MPa；屈服强度б0.2≥735MPa；伸长率δ5≥9％；断面收缩率ψ≥30％，冲击韧性ak≥245KJ/m2。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种耐热不锈钢材料，所述材料至少包括以下质量百分比的化学成分：C：0.09％～0.15％；Si：0.2％～0.8％；Mn：0.2％～0.8％；S：≤0.025％；P≤0.025％；Cr：11.5％～13.5％；Ni：2.3％～3.0％；W：1.6％～2.2％；V：0.18％～0.28％；B：0.003～0.006％；其余为Fe。
根据一种优选实施方式，所述材料包括以下质量百分比的化学成分：C：0.09％～0.14％；Si：0.2％～0.8％；Mn：0.2％～0.8％；S：≤0.025％；P≤0.025％；Cr：11.5％～13.5％；Ni：2.3％～3.0％；W：1.6％～2.2％；V：0.18％～0.28％；B：0.003～0.006％；其余为Fe。
根据一种优选实施方式，所述材料包括以下质量百分比的化学成分：C：0.1％～0.12％；Si：0.2％～0.8％；Mn：0.2％～0.8％；S：≤0.025％；P≤0.025％；Cr：11.5％～13.5％；Ni：2.3％～3.0％；W：1.6％～2.2％；V：0.18％～0.28％；B：0.003～0.006％；其余为Fe。
根据一种优选实施方式，所述的耐热不锈钢材料的的合金试棒的室温抗拉强度бb≥880MPa；屈服强度б0.2≥735MPa；伸长率δ5≥9％；断面收缩率ψ≥30％，冲击韧性ak≥245KJ/m2。
根据一种优选实施方式，用于制备所述耐热不锈钢材料的原材料包括：合金返回料、纯铁、合金铬、金属锰、电解镍、工业硅、钨条、石墨电极、钒铁、Ni-B中间合金、脱氧剂以及熔剂。
根据一种优选实施方式，所述脱氧剂包括Mn块、Al块和/或Si-Ca；所述熔剂包括CaO、SiO2、镁砂和/或碎烧土。
本发明还提供了一种耐热不锈钢材料的制备方法，所述制备方法用于制备权利要求1至6任一项所述的耐热不锈钢材料，所述制备方法包括如下步骤：
在感应熔炼炉炉底加入熔剂进行润湿；
在炉内依次加入金属锰、合金铬、电解镍、钨条、Mo、纯铁和返回料，其中，所述返回料的配比≤50％；送电将上述物料进行熔化；
待上述物料熔化后向熔融的合金液上加入适量熔剂，并不断捣料；
当钢水温度升至1610℃±10℃时，加入Si-Ca脱氧剂进行脱氧；
待Si-Ca脱氧剂反应完后加入Si或Si-Fe、钒铁、Ni-B中间合金和石墨电极；
待石墨电极反应完成后，覆盖熔剂；
待钢水温度升至1620℃±10℃时，加入Al块脱氧；
反应完成后，停电降温；
分析试样，分析试样中的各元素是否符合规定范围；
若试样分析合格，待钢水温度降至1560℃±10℃时，扒渣出钢。
根据一种优选实施方式，所述制备方法还包括：
原材料的准备；按照组成所述不锈钢材料的元素质量百分比准备用于制备所述不锈钢材料的原材料；
感应熔炼炉的熔炼前准备：对感应熔炼炉中坩埚、钢锭模和手台浇包进行清洗，并烘烤干，同时采用所述合金返回料对感应炉进行洗炉。
根据一种优选实施方式，所述制备方法还包括：在转包浇注时，对浇包进行高温预热，并在所述浇包的底部放入Si-Ca脱氧剂。
根据一种优选实施方式，所述制备方法包括：待试样成分分析合格后，将制备的合金锭用于浇注铸件；在试样分析合格时，其中，试样中C的含量小于0.14％。
基于上述技术方案，本发明的耐热不锈钢材料至少具有以下技术效果：
本发明的耐热不锈钢材料通过试验表明，其具有较高的热稳定性、屈服强度和抗拉强度，其冲击韧性较高，达到了航空发动机零部件对材料的要求。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明提供了一种耐热不锈钢材料，其中，用于制备所述材料的原材料包括：合金返回料、纯铁、合金铬、金属锰、电解镍、工业硅、钨条、石墨电极、钒铁、Ni-B中间合金、脱氧剂以及熔剂。所述脱氧剂包括Mn块、Al块和/或Si-Ca；所述熔剂包括CaO、SiO2、镁砂和/或碎烧土。
实施例1
本实施例提供了一种耐热不锈钢材料，本实施例中耐热不锈钢材料至少包括以下质量百分比的化学成分：C：0.09％～0.15％；Si：0.2％～0.8％；Mn：0.2％～0.8％；S：≤0.025％；P≤0.025％；Cr：11.5％～13.5％；Ni：2.3％～3.0％；W：1.6％～2.2％；V：0.18％～0.28％；B：0.003～0.006％；其余为Fe。
实施例2
本实施例中耐热不锈钢材料包括以下质量百分比的化学成分：C：0.09％～0.14％；Si：0.2％～0.8％；Mn：0.2％～0.8％；S：≤0.025％；P≤0.025％；Cr：11.5％～13.5％；Ni：2.3％～3.0％；W：1.6％～2.2％；V：0.18％～0.28％；B：0.003～0.006％；其余为Fe。
实施例3
本实施例中耐热不锈钢材料包括以下质量百分比的化学成分：C：0.1％～0.12％；Si：0.2％～0.8％；Mn：0.2％～0.8％；S：≤0.025％；P≤0.025％；Cr：11.5％～13.5％；Ni：2.3％～3.0％；W：1.6％～2.2％；V：0.18％～0.28％；B：0.003～0.006％；其余为Fe。
对实施例1-实施例3中的耐热不锈钢材料进行分析得到：所述的耐热不锈钢材料的制备的合金试棒的室温抗拉强度бb≥880MPa；屈服强度б0.2≥735MPa；伸长率δ5≥9％；断面收缩率ψ≥30％，冲击韧性ak≥245KJ/m2。具有优异的力学性能和高温热稳定性。
实施例4
本发明实施例4提供了一种耐热不锈钢材料的制备方法，所述制备方法用于制备前述实施例1至3所述的耐热不锈钢材料，所述制备方法包括如下步骤：
1、原材料的准备：按照组成所述不锈钢材料的元素化学成分的质量百分比准备用于制备所述不锈钢材料的原材料；该原材料包括本合金返回料、纯铁、合金铬、金属锰、电解镍、工业硅、钨条、石墨电极、钒铁、Ni-B中间合金；脱氧剂：Mn、Al块、Si-Ca；熔剂：CaO、SiO2、镁砂、碎烧土。
2、感应炉的熔炼前准备：对感应熔炼炉中坩埚、钢锭模和手台浇包进行清洗，凡直接接触钢液的一切工具均要清洗，并烘烤干，同时采用所述合金返回料对感应炉进行洗炉。
3、合金熔炼：
在电磁感应炉炉底加入熔剂进行润湿；优选的，在炉底撒一勺熔剂，润湿炉底；
然后在炉内依次加入金属锰、合金铬、电解镍、钨条、Mo、纯铁和返回料，其中，所述返回料的配比≤50％；装料力求紧实；送电将上述物料进行熔化；
待上述物料熔化后向熔融的合金液上加入适量熔剂，并不断捣料；
当钢水温度升至1610℃±10℃时，加入Si-Ca脱氧剂进行脱氧；
待Si-Ca脱氧剂反应完后加入Si或Si-Fe、钒铁、Ni-B中间合金和石墨电极；
待石墨电极反应完成后，覆盖熔剂；
待钢水温度升至1620℃±10℃时，加入Al块脱氧；
反应完成后，停电降温；
分析试样，分析试样中的各元素是否符合规定范围；所述的规定范围是指本发明实施例1至3中所述的组成耐热不锈钢材料的化成成分的质量百分比的范围；
若试样分析合格，待钢水温度降至1560℃±10℃时，扒渣出钢。
所述制备方法还包括：在转包浇注时，对浇包进行高温预热，并在所述浇包的底部放入Si-Ca脱氧剂。
待试样成分分析合格后，将制备的合金锭用于浇注铸件；在试样分析合格时，其中，试样中C的含量小于0.14％。
实施例5
本实施例对实施例4中的制备方法制备的合金材料进行浇注铸件，并对浇注零件的性能进行测试分析：
采用实施例4的制备方法制备的钢水共浇注4种产品：40-03-312安装座12件，其中，合格6件；51-03-4031接头24件，其中合格20件；40-03-314安装座20件，其中合格14件；40-03-313安装座20件，其中合格11件。
通过浇注2根机械性能试棒进行工艺检查，数据如下表1：
表1性能试棒的检测结果
试验结果显示：其中1根试棒的冲击韧性不合格(标准要求≥245，实测234)，通过对组成该性能试棒的化学成分的分析，发现制备该不合格试棒的化学成分中C的含量均处于最高值为0.16％，因此C含量偏高，会增加钢的强度和硬度，导致塑性降低，从而造成冲击韧性值偏低。
因此，本申请人通过调整配料范围，使C含量控制在0.14％以下，在返回的多项工艺检查报告中，发现当钢水中C含量控制在0.14％以下时，制备的试棒性能较好，均为合格；同时加强浇注过程的掌握控制，防止合金液遗漏，使模壳充满，达到充分的补缩效果。同时必须保证热处理工艺参数的稳定性和工艺规程的可控性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种耐热不锈钢材料，其特征在于，所述材料至少包括以下质量百分比的化学成分：C：0.09％～0.15％；Si：0.2％～0.8％；Mn：0.2％～0.8％；S：≤0.025％；P≤0.025％；Cr：11.5％～13.5％；Ni：2.3％～3.0％；W：1.6％～2.2％；V：0.18％～0.28％；B：0.003～0.006％；其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的耐热不锈钢材料，其特征在于，所述材料包括以下质量百分比的化学成分：C：0.09％～0.14％；Si：0.2％～0.8％；Mn：0.2％～0.8％；S：≤0.025％；P≤0.025％；Cr：11.5％～13.5％；Ni：2.3％～3.0％；W：1.6％～2.2％；V：0.18％～0.28％；B：0.003～0.006％；其余为Fe。
3.根据权利要求1所述的耐热不锈钢材料，其特征在于，所述材料包括以下质量百分比的化学成分：C：0.1％～0.12％；Si：0.2％～0.8％；Mn：0.2％～0.8％；S：≤0.025％；P≤0.025％；Cr：11.5％～13.5％；Ni：2.3％～3.0％；W：1.6％～2.2％；V：0.18％～0.28％；B：0.003～0.006％；其余为Fe。
4.根据权利要求1至3之一所述的耐热不锈钢材料，其特征在于，所述的耐热不锈钢材料制备的合金试棒的室温抗拉强度бb≥880MPa；屈服强度б0.2≥735MPa；伸长率δ5≥9％；断面收缩率ψ≥30％，冲击韧性ak≥245KJ/m2。
5.根据权利要求1至3之一所述的耐热不锈钢材料，其特征在于，用于制备所述耐热不锈钢材料的原材料包括：合金返回料、纯铁、合金铬、金属锰、电解镍、工业硅、钨条、石墨电极、钒铁、Ni-B中间合金、脱氧剂以及熔剂。
6.根据权利要求5所述的耐热不锈钢材料，其特征在于，所述脱氧剂包括Mn块、Al块和/或Si-Ca；所述熔剂包括CaO、SiO2、镁砂和/或碎烧土。
7.一种耐热不锈钢材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1至6任一项所述的耐热不锈钢材料，所述制备方法包括如下步骤：
在电磁感应炉炉底加入熔剂进行润湿；
在炉内依次加入金属锰、合金铬、电解镍、钨条、Mo、纯铁和返回料，其中，所述返回料的配比≤50％；送电将上述物料进行熔化；
待上述物料熔化后向熔融的合金液上加入适量熔剂，并不断捣料；
当钢水温度升至1610℃±10℃时，加入Si-Ca脱氧剂进行脱氧；
待Si-Ca脱氧剂反应完后加入Si或Si-Fe、钒铁、Ni-B中间合金和石墨电极；
待石墨电极反应完成后，覆盖熔剂；
待钢水温度升至1620℃±10℃时，加入Al块脱氧；
反应完成后，停电降温；
分析试样，分析试样中的各元素是否符合规定范围；
若试样分析合格，待钢水温度降至1560℃±10℃时，扒渣出钢。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
原材料的准备；按照组成所述不锈钢材料的化学成分的质量百分比准备用于制备所述不锈钢材料的原材料；
感应炉的熔炼前准备：对感应熔炼炉中坩埚、钢锭模和手台浇包进行清洗，并烘烤干，同时采用合金返回料对感应炉进行洗炉。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：在转包浇注时，对浇包进行高温预热，并在所述浇包的底部放入Si-Ca脱氧剂。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：待试样成分分析合格后，将制备的合金液用于浇注铸件；在试样分析合格时，其中，试样中C的含量小于0.14％。
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