CN110938781B - 一种低成本高铝耐热钢及其制备方法 - Google Patents

一种低成本高铝耐热钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低成本高铝耐热钢及其制备方法。其技术方案是：所述低成本含铝耐热钢的化学成分及其含量是：C为0.4～0.5wt％，Si为1.38～1.65wt％，Mn为1.4～2.2wt％，Cr为22.6～24.2wt％，Al为6.61～9.6wt％，V为0.09～0.19wt％，Ta为0.05～0.13wt％，Nb为0.05～0.13wt％，Zr为0.002～0.05wt％，B为0.001～0.2wt％，Ti<0.35wt％，P<0.035wt％，S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，且同时满足0.18<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<3.45。按所述低成本高铝耐热钢的化学成分及其含量配料，采用真空感应炉熔炼，用模铸工艺浇注钢坯，将所得钢坯锻造或热轧，即得低成本高铝耐热钢。因此，本发明具有生产成本低、抗高温氧化性优异、耐磨性能好、强度高和使用寿命长的特点。

Description

一种低成本高铝耐热钢及其制备方法
技术领域
本发明属于耐热钢技术领域。具体涉及一种低成本高铝耐热钢及其制备方法。
背景技术
随着冶金、炼焦烧结和热处理等产业的不断升级，相关制程的温度也不断提高，相应的对耐热钢零件的要求也越来越苛刻。为保证耐热钢在苛刻的高温条件下的实用性，对其高温抗氧化性和高温耐磨性等提出了相应的要求。如以煤粉或天然气为燃料的炼铁高炉喷嘴和高温炉窑的辐射管，对高温抗氧化性要求较高；而烧结机炉篦条等零部件，除抗氧化性外还对耐磨性提出了要求。相关生产制程中温度的提高，对节约能源提高生产效率具有重要作用，也对耐热钢的性能提出了更高的要求。如热风炉的送风温度对高炉冶炼出铁的品质及产量有重要影响，故其温度由900℃逐渐提高到1000℃甚至1200℃以上，其燃料喷嘴的使用环境也变得更加恶劣。
现有耐热钢的适用温度大多在900℃以下，能够在1000℃及以上的环境中适用的耐热钢较少，如“一种奥氏体耐热钢及其制造方法”(CN201210083162)，用该技术得到的耐热钢在900℃以上具备良好的综合性能，但是当用在直接与火焰接触的地方，则其表面的抗氧化层易在应力的作用下开裂，造成抗氧化性能的恶化，进而导致使用寿命大大降低；且该专利制备的钢含有高达19％以上的镍，制造成本亦较高。
目前，在超过1000℃的环境中大量使用的耐热钢如ZG40Cr25Ni20(HK40)，其性能仍不能完全满足现实工业生产的需求，相关研究人员在其基础上研制了ZG40Cr25Ni35Nb(HP40)，其性能虽得到提高，但镍含量由原来的20％提高到35％，成本大幅增加。这两种耐热钢以铬为主要抗氧化元素，依靠其在耐热钢表面形成的氧化铬层来维持高温抗氧化性，但氧化铬在复杂的燃烧环境中易反应生成挥发性物质，造成抗氧化膜破裂而使耐热钢的抗氧化性能被削弱，此外，如果将其用在煤粉喷射燃烧嘴上，煤粉的高速冲击也会对氧化层造成难以避免的磨损，进而寿命降低、损耗增大，对企业的生产成本造成压力。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种生产成本低、抗高温氧化性优异、耐磨性能好、强度高和使用寿命长的低成本高铝耐热钢。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述低成本高铝耐热钢的化学成分及其含量是：所述低成本高铝耐热钢的化学成分及其含量是：C为0.4～0.5wt％，Si为1.38～1.65wt％，Mn为1.4～2.2wt％，Cr为22.6～24.2wt％，Al为6.61～9.6wt％，V为0.09～0.19wt％，Ta为0.05～0.13wt％，Nb为0.05～0.13wt％，Zr为0.002～0.05wt％，B为0.001～0.2wt％，Ti<0.35wt％，P<0.035wt％，S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，且同时满足0.18<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<3.45。
所述低成本高铝耐热钢的制备方法是：按所述低成本高铝耐热钢的化学成分及其含量配料，采用真空感应炉熔炼，用模铸工艺浇注钢坯，将所得钢坯锻造或热轧，即得低成本高铝耐热钢。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
C：碳是耐热钢中普遍存在的元素之一，成本低廉，能与多种强碳化物形成稳定的碳化物，如与钒、钛、铬、铌等结合，形成M7C3、M23C6、MC等，这些碳化物在基体中弥散析出，对提高耐热钢的高温强度有利；本发明所制备的耐热钢不含镍或钴等高成本元素，由此造成的对强度等性能的不利影响，由多种碳化物的复合作用而得到弥补。本发明因较高的铝含量而形成了富铝抗氧化层，对碳的内渗透和外扩散均有良好的防护作用，因而抵消了高碳含量对抗氧化性的危害，故本发明优选0.4～0.5wt％的碳，使所制备的低成本高铝耐热钢在拥有优异的高温抗氧化性能的同时，具有良好的高温强度。
Si：硅不仅是耐热钢中相对廉价的元素，而且是重要的抗高温氧化和抗腐蚀元素，可以在耐热钢表面生成SiO2或Cr2SiO4等增强高温抗氧化性；此外硅也可以与其他元素如铬、铁等形成协同作用，促进抗氧化性能更好的铬元素扩散而拦截次要的铁元素，进一步增强合金的高温抗氧化性。此外一定的硅含量可以提高合金的屈服强度，但过量则会使耐热钢的韧性降低，本发明将硅含量控制为1.38～1.65wt％，所制得的低成本高铝耐热钢在保持低成本和较好的韧性的前提下获得了优良的高温抗氧化性。
Mn：耐热钢在高温下容易产生内氧化，造成抗氧化层开裂脱落、缩短耐热钢的使用寿命和增加生产成本；而锰元素在高温下的扩散速度较快，在抗氧化层表面形成一层均匀的氧化层，可以减轻内氧化的程度及危害，强化耐热钢的高温抗氧化性能。此外锰还可以提高耐热钢的耐磨性能，有利于减小耐热钢在复杂工况下的损耗，延长使用寿命。本发明的锰含量为1.4～2.2wt％，所制备的低成本高铝耐热钢在保持优良的耐磨性的前提下获得了足够的高温抗氧化性。
Cr：铬能在钢中形成大量的Cr23C6等碳化物，提高合金的耐磨性。也可以在高温氧化性气氛中生成连续致密的抗氧化层，使耐热钢在含硫的复杂气氛中拥有优良的耐蚀性。铬还能增强耐热钢的二次硬化作用，提高耐热钢的淬透性，有利于延长耐热钢在冷热交替的复杂环境下的使用寿命。本发明的铬含量为22.6～24.2wt％，保证了所制备的低成本耐热钢在冷热交替的工作环境中具有良好的实用性，包括良好的高温抗氧化性以及优异的耐蚀性和耐磨性。
Al：本发明用较高的铝含量来获得优良的高温抗氧化性。铝在耐热钢中逐渐扩散至表面，进而形成连续致密的抗氧化层，对耐热钢基体具有良好的保护作用；含铝氧化物层不仅具有优异的抗氧化，而且具有良好的耐渗碳性和抗氯侵蚀的作用，使所制耐热钢在高温下，对燃料中大量杂质的侵蚀现象有极强的抵抗力，进而延长使用寿命。此外，含铝抗氧化层对铬在含水汽环境中的挥发具有减轻作用。本发明将铝含量控制为6.61～9.6wt％，使所制备的低成本高铝耐热钢在更复杂的燃烧环境中具有良好的高温耐侵蚀性和抗渗碳性，在1000℃及以上的氧化环境中使用寿命长。
V：在耐热钢中添加少量的钒元素，有助于抗氧化层在初始阶段的形核长大，在一定程度上提高了钢的高温抗氧化性。此外，钒元素的添加对耐热钢的蠕变性能有利，因为弥散分布在基体中的VC具有限制晶粒长大从而细化晶粒的作用。故本发明将钒含量控制为0.09～0.19wt％，在保证所制备的低成本高铝耐热钢具有优异的高温抗氧化性的同时，具有足够的蠕变强度。
Ti：钛是强碳氮化合物形成元素，易在钢中生成TiC和TiN，其中TiC属于纳米级的高熔点析出相，可以起到阻止晶粒长大的作用，也有利于减少网状碳化物的生成，弱化由粗大网状碳化物引起的脆性断裂，进而提高高温强度；Ti可以通过形成TiN固定冶炼过程中因真空度不足而进入钢中的N。另外，钛在高温下形成的TiO或TiO2，对Al2O3氧化膜具有强化作用，有利于提高耐热钢的高温抗氧化性。本发明的钛含量小于0.35wt％，在保持较好的高温强度的同时，获得良好的高温抗氧化性。
Ta、Nb、Zr：钽、铌、锆等稀土元素在耐热钢发生内氧化时可以形成楔形钉扎物，在抗氧化层与基体之间起到连接作用，增强抗氧化层的黏附性和热稳定性，减少脱落，延长使用寿命。另一方面，这些稀土元素形成碳化物在晶内析出，能钉扎位错提高高温强度，也能在晶界偏聚，提高耐晶间腐蚀性。本发明优选其含量：Ta为0.05～0.13wt％、Nb为0.05～0.13wt％和Zr为0.002～0.05wt％，在保持良好的高温强度的同时，获得了优良的高温抗氧化性和晶间耐腐蚀性，以及更长的使用寿命。
本发明中的钒、钛、铌、钽和锆等元素都对高温抗氧化性有利，也都是强碳化物形成元素，但他们作用机理各有不同，本发明将其复合添加，结合不同元素的特有性质来提升耐热钢的综合性能，且避免添加单一元素过度而引起的偏聚等危害。本发明将稀土元素钽、铌和锆之和与钒合钛元素之和的质量比控制为0.18<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<3.45，使不同元素产生的作用互补加强，获得优异的抗氧化性能。
B：硼以固溶体的形式存在于耐热钢基体中，使晶格畸变并在其周围形成高密度位错，进而通过位错缠绕来提高钢的强度；硼也能在晶界偏析进而强化晶界，并使其他元素形成的晶界碳化物更加分散，从而提高蠕变强度。一般认为过多的硼元素对耐热钢的高温抗氧化性不利，本发明则以较高的铝、铬和硅含量来弥补其对高温抗氧化性的危害，本发明将硼含量控制为0.001～0.2wt％，维持足够的高温抗氧化性的同时，获得良好的蠕变性能。
磷和硫在耐热钢中为有害元素，含量控制得越低越好；本发明兼顾产品性能和成本的同时，磷含量的上限控制为0.035wt％，硫含量的上限控制为0.005wt％。
综上所述，本发明制得的低成本高铝耐热钢不含镍、钨、钴和钼等高成本元素，不添加冶炼难度高的氮元素，使所制制品的生产成本显著降低，且利用低成本的铝和硅等元素获得优异的高温抗氧化性能和更长的使用寿命；同时，复合添加了稀土元素钽、铌和锆，在改善抗氧化层性能的同时，获得了良好的高温强度。另外，硼元素的添加通过强化晶界而提高了制品的强度和锰元素的添加提高了制品的耐磨性。本发明制备的低成本高铝耐热钢适用于制造以煤粉为燃料的炼铁高炉喷嘴、高温炉窑的辐射管和烧结机炉篦条等，在1000℃及以上的氧化环境中使用寿命长。
因此，本发明具有生产成本低、抗高温氧化性优异、耐磨性能好、强度高和使用寿命长的特点，在高温氧化环境中具有良好的实用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
实施例1
一种低成本高铝耐热钢及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述低成本耐热钢的化学成分及其含量是：C为0.4～0.45wt％，Si为1.38～1.53wt％，Mn为1.8～2.2wt％，Cr为23.4～24.2wt％，V为0.09～0.12wt％，Al为6.61～8.1wt％，Ta为0.05～0.1wt％，Nb为0.05～0.09wt％，Zr为0.002～0.025wt％，B为0.001～0.1wt％，Ti<0.35wt％，P<0.035wt％，S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；且同时满足0.18<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<3.45。
所述低成本高铝耐热钢的制备方法是：按所述低成本高铝耐热钢的化学成分及其含量配料，采用真空感应炉熔炼，用模铸工艺浇注钢坯，将所得钢坯热轧，即得低成本高铝耐热钢。
实施例2
一种低成本高铝耐热钢及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述低成本耐热钢的化学成分及其含量是：C为0.45～0.5wt％，Si为1.53～1.65wt％，Mn为1.4～1.8wt％，Cr为22.6～23.4wt％，V为0.12～0.19wt％，Al为8～9.6wt％，Ta为0.09～0.13wt％，Nb为0.1～0.13wt％，Zr为0.025～0.05wt％，B为0.009～0.2wt％，Ti<0.35wt％，P<0.035wt％，S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；且同时满足0.18<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<3.45。
所述低成本高铝耐热钢的制备方法是：按所述低成本高铝耐热钢的化学成分及其含量配料，采用真空感应炉熔炼，用模铸工艺浇注钢坯，将所得钢坯锻造，即得低成本高铝耐热钢。
实施例3
一种低成本高铝耐热钢及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述低成本耐热钢的化学成分及其含量是C为0.43～0.48wt％，Si为1.47～1.6wt％，Mn为1.6～2wt％，Cr为23～24wt％，V为0.1～0.16wt％，Al为7～8.5wt％，Ta为0.08～0.11wt％，Nb为0.065～0.11wt％，Zr为0.019～0.045wt％，B为0.008～0.14wt％，Ti<0.35wt％，P<0.035wt％，S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；且同时满足0.18<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<3.45。
所述低成本高铝耐热钢的制备方法是：按所述低成本高铝耐热钢的化学成分及其含量配料，采用真空感应炉熔炼，用模铸工艺浇注钢坯，将所得钢坯热轧，即得低成本高铝耐热钢。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
C：碳是耐热钢中普遍存在的元素之一，成本低廉，能与多种强碳化物形成稳定的碳化物，如与钒、钛、铬、铌等结合，形成M7C3、M23C6、MC等，这些碳化物在基体中弥散析出，对提高耐热钢的高温强度有利；本具体实施方式所制备的耐热钢不含镍或钴等高成本元素，由此造成的对强度等性能的不利影响，由多种碳化物的复合作用而得到弥补。本具体实施方式因较高的铝含量而形成了富铝抗氧化层，对碳的内渗透和外扩散均有良好的防护作用，因而抵消了高碳含量对抗氧化性的危害，故本具体实施方式优选0.4～0.5wt％的碳，使所制备的低成本高铝耐热钢在拥有优异的高温抗氧化性能的同时，具有良好的高温强度。
Si：硅不仅是耐热钢中相对廉价的元素，而且是重要的抗高温氧化和抗腐蚀元素，可以在耐热钢表面生成SiO2或Cr2SiO4等增强高温抗氧化性；此外硅也可以与其他元素如铬、铁等形成协同作用，促进抗氧化性能更好的铬元素扩散而拦截次要的铁元素，进一步增强合金的高温抗氧化性。此外一定的硅含量可以提高合金的屈服强度，但过量则会使耐热钢的韧性降低，本具体实施方式将硅含量控制为1.38～1.65wt％，所制得的低成本高铝耐热钢在保持低成本和较好的韧性的前提下获得了优良的高温抗氧化性。
Mn：耐热钢在高温下容易产生内氧化，造成抗氧化层开裂脱落、缩短耐热钢的使用寿命和增加生产成本；而锰元素在高温下的扩散速度较快，在抗氧化层表面形成一层均匀的氧化层，可以减轻内氧化的程度及危害，强化耐热钢的高温抗氧化性能。此外锰还可以提高耐热钢的耐磨性能，有利于减小耐热钢在复杂工况下的损耗，延长使用寿命。本本具体实施方式优选锰含量为1.4～2.2wt％，所制备的低成本高铝耐热钢在保持优良的耐磨性的前提下获得了足够的高温抗氧化性。
Cr：铬能在钢中形成大量的Cr23C6等碳化物，提高合金的耐磨性。也可以在高温氧化性气氛中生成连续致密的抗氧化层，使耐热钢在含硫的复杂气氛中拥有优良的耐蚀性。铬还能增强耐热钢的二次硬化作用，提高耐热钢的淬透性，有利于延长耐热钢在冷热交替的复杂环境下的使用寿命。本具体实施方式优选铬含量为22.6～24.2wt％，保证了所制备的低成本耐热钢在冷热交替的工作环境中具有良好的实用性，包括良好的高温抗氧化性以及优异的耐蚀性和耐磨性。
Al：本具体实施方式用较高的铝含量来获得优良的高温抗氧化性。铝在耐热钢中逐渐扩散至表面，进而形成连续致密的抗氧化层，对耐热钢基体具有良好的保护作用；含铝氧化物层不仅具有优异的抗氧化，而且具有良好的耐渗碳性和抗氯侵蚀的作用，使所制耐热钢在高温下，对燃料中大量杂质的侵蚀现象有极强的抵抗力，进而延长使用寿命。此外，含铝抗氧化层对铬在含水汽环境中的挥发具有减轻作用。本具体实施方式将铝含量控制为6.61～9.6wt％，使所制备的低成本高铝耐热钢在更复杂的燃烧环境中具有良好的高温耐侵蚀性和抗渗碳性，在1000℃及以上的氧化环境中使用寿命长。V：在耐热钢中添加少量的钒元素，有助于抗氧化层在初始阶段的形核长大，在一定程度上提高了钢的高温抗氧化性。此外，钒元素的添加对耐热钢的蠕变性能有利，因为弥散分布在基体中的VC具有限制晶粒长大从而细化晶粒的作用。故本具体实施方式将钒含量控制为0.09～0.19wt％，在保证所制备的低成本高铝耐热钢具有优异的高温抗氧化性的同时，具有足够的蠕变强度。
Ti：钛是强碳氮化合物形成元素，易在钢中生成TiC和TiN，其中TiC属于纳米级的高熔点析出相，可以起到阻止晶粒长大的作用，也有利于减少网状碳化物的生成，弱化由粗大网状碳化物引起的脆性断裂，进而提高高温强度；钛可以通过形成TiN固定冶炼过程中因真空度不足而进入钢中的N。另外，钛在高温下形成的TiO或TiO2，对Al2O3氧化膜具有强化作用，有利于提高耐热钢的高温抗氧化性。本具体实施方式的钛含量小于0.35wt％，在保持较好的高温强度的同时，获得良好的高温抗氧化性。
Ta、Nb、Zr：钽、铌、锆等稀土元素在耐热钢发生内氧化时可以形成楔形钉扎物，在抗氧化层与基体之间起到连接作用，增强抗氧化层的黏附性和热稳定性，减少脱落，延长使用寿命。另一方面，这些稀土元素形成碳化物在晶内析出，能钉扎位错提高高温强度，也能在晶界偏聚，提高耐晶间腐蚀性。本具体实施方式优选其含量：Ta为0.05～0.13wt％、Nb为0.05～0.13wt％和Zr为0.002～0.05wt％，在保持良好的高温强度的同时，获得了优良的高温抗氧化性和晶间耐腐蚀性，以及更长的使用寿命。
本具体实施方式中的钒、钛、铌、钽和锆等元素都对高温抗氧化性有利，也都是强碳化物形成元素，但他们作用机理各有不同，本发明将其复合添加，结合不同元素的特有性质来提升耐热钢的综合性能，且避免添加单一元素过度而引起的偏聚等危害。本具体实施方式将稀土元素钽、铌和锆之和与钒合钛元素之和的质量比控制为0.18<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<3.45，使不同元素产生的作用互补加强，获得优异的抗氧化性能。
B：硼以固溶体的形式存在于耐热钢基体中，使晶格畸变并在其周围形成高密度位错，进而通过位错缠绕来提高钢的强度；硼也能在晶界偏析进而强化晶界，并使其他元素形成的晶界碳化物更加分散，从而提高蠕变强度。一般认为过多的硼元素对耐热钢的高温抗氧化性不利，本发明则以较高的铝、铬和硅含量来弥补其对高温抗氧化性的危害，本具体实施方式将硼含量控制为0.001～0.2wt％，维持足够的高温抗氧化性的同时，获得良好的蠕变性能。
磷和硫在耐热钢中为有害元素，含量控制得越低越好；本具体实施方式兼顾产品性能和成本的同时，磷含量的上限控制为0.035wt％，硫含量的上限控制为0.005wt％。
综上所述，本具体实施方式制得的低成本高铝耐热钢不含镍、钨、钴和钼等高成本元素，不添加冶炼难度高的氮元素，使所制制品的生产成本显著降低，且利用低成本的铝和硅等元素获得优异的高温抗氧化性能和更长的使用寿命；同时，复合添加了稀土元素钽、铌和锆，在改善抗氧化层性能的同时，获得了良好的高温强度。另外，硼元素的添加通过强化晶界而提高了制品的强度和锰元素的添加提高了制品的耐磨性。故本具体实施方式制备的低成本高铝耐热钢适用于制造以煤粉为燃料的炼铁高炉喷嘴、高温炉窑的辐射管和烧结机炉篦条等，在1000℃及以上的氧化环境中使用寿命长。
因此，本具体实施方式具有生产成本低、抗高温氧化性优异、耐磨性能好、强度高和使用寿命长的特点，在高温氧化环境中具有良好的实用前景。

Claims (2)

1.一种低成本高铝耐热钢的制备方法，其特征在于所述低成本高铝耐热钢的化学成分及其含量是：C为0.4～0.5wt％，Si为1.38～1.65wt％，Mn为1.4～2.2wt％，Cr为22.6～24.2wt％，Al为6.61～9.6wt％，V为0.09～0.19wt％，Ta为0.05～0.13wt％，Nb为0.05～0.13wt％，Zr为0.002～0.05wt％，B为0.001～0.2wt％，Ti<0.35wt％，P<0.035wt％，S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，且同时满足0.18<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<3.45；
所述低成本高铝耐热钢的制备方法是：按所述低成本高铝耐热钢的化学成分及其含量配料，采用真空感应炉熔炼，用模铸工艺浇注钢坯，将所得钢坯锻造或热轧，即得低成本高铝耐热钢。
2.一种低成本高铝耐热钢，其特征在于所述低成本高铝耐热钢是根据权利要求1所述低成本高铝耐热钢的制备方法所制备的低成本高铝耐热钢。
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