CN110938782A - 一种低成本耐热钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低成本耐热钢及其制备方法。其技术方案是：所述低成本耐热钢的化学成分及其含量是：C为0.4～0.5wt％，Si为1.41～1.63wt％，Mn为1.5～2.1wt％，Cr为23.2～24.2wt％，V为0.1～0.2wt％，Ti<0.3wt％，P<0.035wt％，S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，且同时满足0.2<(V+Ti)/C<1.25。按所述低成本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，即得低成本耐热钢。本发明制得的低成本耐热钢不含镍、钨和钼等高成本元素，合理地控制铬等抗氧化元素的含量，不添加冶炼难度高的氮元素，所制制品具有成本低和高温抗氧化性优异的特点。

Description

一种低成本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耐热钢及其制备方法。

背景技术

耐热钢是在高温工作环境下具有高的抗氧化性和足够的高温强度的合金钢。耐热钢可以提高烧结炉窑等设备的工作温度，进而提高生产效率与资源利用率；同时也可以延长设备的使用寿命，提高经济效益。从耐热钢的使用温度分类，一般分为三种：低于700℃为低温耐热钢，700～1000℃为中温耐热钢，1000℃以上为高温耐热钢。

现有的耐热钢使用温度大多在700℃以下，难以满足更高温度下的工作要求。而用于700℃以上的耐热钢，则存在抗氧化性能不足、使用寿命太短，或者因添加了高价合金元素或稀土元素导致成本过高。如“一种奥氏体耐热钢及其热处理工艺”(CN201610829406)专利技术，用该技术得到的耐热钢虽在750℃的环境下能满足一般设备的使用要求，但该耐热钢不仅含有一定量的钨、钼及高达30wt％以上的镍，价格较昂贵，且使用温度提高不明显，仍难达到部分设备的使用要求，如以天然气为燃料的热处理炉等设备，要求在1000℃以上的工作环境中仍有一定的高温抗氧化性。

现有技术中，能够在900℃及以上使用的耐热钢种类较少，如“一种经济型耐热奥氏体不锈钢”(CN201210577976)和“一种抗高温氧化的奥氏体耐热不锈钢”(CN201310727913)专利技术，这两个专利技术制备的不锈钢成本虽相对较低，不含钨、钼等高成本金属，但镍含量仍在10％以上，并且添加了氮元素，不仅增大了冶炼难度，且提高了生产成本。

“低镍耐热钢”(US10337091B2)专利技术，该技术的镍含量高达24～26wt％，且添加了1～2wt％的铌元素，成本较高。类似地，目前在焚烧炉等设备中普遍使用的06Cr23Ni13钢等，虽然不含有钨、钼、氮等元素，但镍含量仍在10wt％以上，且在1000℃以上的工作环境中存在内氧化和氧化层脱落严重等问题，存在高温抗氧化性不足的缺点。

综上所述，现有技术制得的耐热钢，存在着成本高或高温抗氧化性差的问题，或者说存在成本与高温抗氧化性不能兼顾的问题。

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和高温抗氧化性好的低成本耐热钢。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述低成本耐热钢的化学成分及其含量是：C为0.4～0.5wt％，Si为1.41～1.63wt％，Mn为1.5～2.1wt％，Cr为23.2～24.2wt％，V为0.1～0.2wt％，Ti<0.3wt％，P<0.035wt％，S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，且同时满足0.2<(V+Ti)/C<1.25。

所述低成本耐热钢的制备方法是：按所述低成本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：碳在耐热钢中一般被认为有碍于合金的高温抗氧化性，故常将碳含量限定在较低水平，如小于0.1％；而本发明中的低成本耐热钢不含有镍等可以提高力学性能的昂贵元素，而碳作为低成本添加物，可以在钢中与铬、钒等形成碳化物，起到钉扎位错提高强度以及耐磨性等作用，但是过高的碳含量，如大于0.5wt％，则易导致碳化物粗大，影响力学性能。在高温抗氧化性方面，本发明以优化的铬、硅配比达到良好的高温抗氧化性，抵消了较高碳含量的不利影响。故本发明添加0.4～0.5wt％的碳，使所制备的低成本耐热钢在拥有良好的耐磨性的同时，具有良好的高温抗氧化性能。

Si：足量的硅元素含量可以形成富硅氧化层，进而对合金元素的扩散产生控制作用，硅与主要抗氧化元素-铬存在协同作用。在本发明的化学成分中，没有镍元素等干扰，使铬等抗氧化元素的扩散更加便利；硅在高温下形成富硅橄榄石结构，其特殊的晶格结构有利于铬元素的向外扩散，而阻碍了铁等元素的扩散，进而将主要抗氧化元素铬富集在抗氧化层，获得优异的高温抗氧化性能。但过高的硅含量对合金强度不利，本发明将硅含量控制在1.41～1.63wt％，在本发明制备的耐热钢中足够形成连续致密的橄榄石结构氧化膜而又不过量，进而使所制得的低成本耐热钢在保持较高强度的前提下获得了优良的高温抗氧化性。

Mn：锰元素在高温下通常富集在抗氧化层的表面，对合金的内氧化有一定的预防作用，进而减少了由内氧化引起的应力不均所造成的抗氧化层裂纹，对所制备的低成本耐热钢的持久高温抗氧化性有利；同时可以在冶炼过程中促进脱氧并对杂质硫等有固定作用，有利于提高冲击韧性，但锰含量过高会降低蠕变极限。本发明将锰含量控制在1.5～2.1wt％，所制备的低成本耐热钢在保持合金蠕变强度的前提下获得了优异的高温抗氧化性。

Cr：在本发明中，铬是主要抗氧化元素，高温下在基体表面形成致密的保护性氧化层，在氧分压较高的环境下形成Cr₂O₃氧化层，在氧分压较低的环境下形成含铬尖晶石结构，这两者是抗氧化层的主要组成部分，对阻止氧离子向基体扩散具有重要作用；铬含量低则不能起到足够的抗氧化作用，过高则提高成本，本发明将铬含量控制在23.2～24.2wt％，与硅元素协同作用，产生连续致密的抗氧化层，在降低成本的同时，保证了所制备的低成本耐热钢具有良好的高温抗氧化性。

V：本发明中不含镍、钨和钼等高成本元素，而以少量的钒来保持力学性能。钒和碳有极强的亲和力，并与之形成相应的稳定化合物，在钢中主要以碳化物的形式存在，形成的稳定细小碳化物，在晶内析出，起到第二相强化的效果；也可在晶界析出，起到钉扎晶界的作用和细化晶粒的作用，进而提高蠕变断裂强度；钒含量小于0.1wt％，形成的碳化物数量不足，效果不够明显，过高则危害蠕变性能。本发明将钒含量控制在0.10～0.20wt％，在保证蠕强度的同时提高了所制备的低成本耐热钢的高温抗氧化性。

Ti：钛是强碳化物形成元素，在钢中易生成细小弥散的碳化物颗粒，在使用过程中增强位错缠绕，提高蠕变强度。此外，钛还是重要的表面稳定化元素，使本发明中的耐热钢在高温下，形成的抗氧化膜更加稳定致密，不易开裂或脱落，提升高温抗氧化性能；但是过量的钛容易增大钢水粘度，对铸造等流程造成不利影响，本发明将钛含量控制为小于0.3wt％，在不影响铸造性能的同时，保持较好的蠕变性能和高温抗氧化性。

本发明中钒和钛复合添加，避免形成单一碳化物，进而在长时间的使用过程中偏聚粗大化，降低蠕变性能。此外，钒和钛与碳的亲和力比铬更强，而铬在本发明中是主要抗氧化元素，合适的钒钛与碳的比例，可以避免过多的铬形成碳化物，而不是在化学势的作用下富集到表面，进而影响耐热钢的高温抗氧化性能。故本发明将钒钛之和与碳的质量比控制在0.2<(V+Ti)/C<1.25，在具有良好蠕变性能的同时，获得足够的高温抗氧化性能。

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％。

因此，本发明制得的低成本耐热钢不含镍、钨和钼等高成本元素，不添加冶炼难度高的氮元素，合理地控制铬等抗氧化元素的含量，在将成本控制低水平的同时具有良好的高温抗氧化性。本发明制备的低成本耐热钢适用于1000℃及以上的高温工作环境，尤其适用于制造与高温气体等直接接触的零部件，如烧结炉篦条、热处理炉挡板和冶金炉窑烧嘴等。

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1.41～1.51wt％，Mn为1.7～2.1wt％，Cr为23.8～24.2wt％，V为0.15～0.2wt％，Ti<0.3wt％，P<0.035wt％，S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，且同时满足0.2<(V+Ti)/C<1.25。

所述低成本耐热钢的制备方法是：按所述低成本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，即得低成本耐热钢。

实施例2

一种低成本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1.5～1.63wt％，Mn为1.5～1.71wt％，Cr为23.2～23.8wt％，V为0.1～0.15wt％，Ti<0.3wt％，P<0.035wt％，S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，且同时满足0.2<(V+Ti)/C<1.25。

所述低成本耐热钢的制备方法是：按所述低成本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，即得低成本耐热钢。

实施例3

一种低成本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0.43～0.47wt％，Si为1.46～1.58wt％，Mn为1.6～1.9wt％，Cr为23.6～24wt％，V为0.14～0.18wt％，Ti<0.3wt％，P<0.035wt％，S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，且同时满足0.2<(V+Ti)/C<1.25。

所述低成本耐热钢的制备方法是：按所述低成本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：碳在耐热钢中一般被认为有碍于合金的高温抗氧化性，故常将碳含量限定在较低水平，如小于0.1％；而本具体实施方式中的低成本耐热钢不含有镍等可以提高力学性能的昂贵元素，而碳作为低成本添加物，可以在钢中与铬、钒等形成碳化物，起到钉扎位错提高强度以及耐磨性等作用，但是过高的碳含量，如大于0.5wt％，则易导致碳化物粗大，影响力学性能。在高温抗氧化性方面，本具体实施方式以优化的铬、硅配比达到良好的高温抗氧化性，抵消了较高碳含量的不利影响。故本具体实施方式添加0.4～0.5wt％的碳，使所制备的低成本耐热钢在拥有良好的耐磨性的同时，具有良好的高温抗氧化性能。

Si：足量的硅元素含量可以形成富硅氧化层，进而对合金元素的扩散产生控制作用，硅与主要抗氧化元素-铬存在协同作用。在本具体实施方式的化学成分中，没有镍元素等干扰，使铬等抗氧化元素的扩散更加便利；硅在高温下形成富硅橄榄石结构，其特殊的晶格结构有利于铬元素的向外扩散，而阻碍了铁等元素的扩散，进而将主要抗氧化元素铬富集在抗氧化层，获得优异的高温抗氧化性能。但过高的硅含量对合金强度不利，本具体实施方式将硅含量控制在1.41～1.63wt％，在本具体实施方式制备的耐热钢中足够形成连续致密的橄榄石结构氧化膜而又不过量，进而使所制得的低成本耐热钢在保持较高强度的前提下获得了优良的高温抗氧化性。

Mn：锰元素在高温下通常富集在抗氧化层的表面，对合金的内氧化有一定的预防作用，进而减少了由内氧化引起的应力不均所造成的抗氧化层裂纹，对所制备的低成本耐热钢的持久高温抗氧化性有利；同时可以在冶炼过程中促进脱氧并对杂质硫等有固定作用，有利于提高冲击韧性，但锰含量过高会降低蠕变极限。本具体实施方式将锰含量控制在1.5～2.1wt％，所制备的低成本耐热钢在保持合金蠕变强度的前提下获得了优异的高温抗氧化性。

Cr：在本具体实施方式中，铬是主要抗氧化元素，高温下在基体表面形成致密的保护性氧化层，在氧分压较高的环境下形成Cr₂O₃氧化层，在氧分压较低的环境下形成含铬尖晶石结构，这两者是抗氧化层的主要组成部分，对阻止氧离子向基体扩散具有重要作用；铬含量低则不能起到足够的抗氧化作用，过高则提高成本，本具体实施方式将铬含量控制在23.2～24.2wt％，与硅元素协同作用，产生连续致密的抗氧化层，在降低成本的同时，保证了所制备的低成本耐热钢具有良好的高温抗氧化性。

V：本具体实施方式中不含镍、钨和钼等高成本元素，而以少量的钒来保持力学性能。钒和碳有极强的亲和力，并与之形成相应的稳定化合物，在钢中主要以碳化物的形式存在，形成的稳定细小碳化物，在晶内析出，起到第二相强化的效果；也可在晶界析出，起到钉扎晶界的作用和细化晶粒的作用，进而提高蠕变断裂强度；钒含量小于0.1wt％，形成的碳化物数量不足，效果不够明显，过高则危害蠕变性能。本具体实施方式将钒含量控制在0.10～0.20wt％，在保证蠕强度的同时提高了所制备的低成本耐热钢的高温抗氧化性。

Ti：钛是强碳化物形成元素，在钢中易生成细小弥散的碳化物颗粒，在使用过程中增强位错缠绕，提高蠕变强度。此外，钛还是重要的表面稳定化元素，使本具体实施方式中的耐热钢在高温下，形成的抗氧化膜更加稳定致密，不易开裂或脱落，提升高温抗氧化性能；但是过量的钛容易增大钢水粘度，对铸造等流程造成不利影响，本具体实施方式将钛含量控制为小于0.3wt％，在不影响铸造性能的同时，保持较好的蠕变性能和高温抗氧化性。

本具体实施方式中钒和钛复合添加，避免形成单一碳化物，进而在长时间的使用过程中偏聚粗大化，降低蠕变性能。此外，钒和钛与碳的亲和力比铬更强，而铬在本具体实施方式中是主要抗氧化元素，合适的钒钛与碳的比例，可以避免过多的铬形成碳化物，而不是在化学势的作用下富集到表面，进而影响耐热钢的高温抗氧化性能。故本具体实施方式将钒钛之和与碳的质量比控制在0.2<(V+Ti)/C<1.25，在具有良好蠕变性能的同时，获得足够的高温抗氧化性能。

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％。

因此，本具体实施方式制得的低成本耐热钢不含镍、钨和钼等高成本元素，不添加冶炼难度高的氮元素，合理地控制铬等抗氧化元素的含量，在将成本控制低水平的同时具有良好的高温抗氧化性。本具体实施方式制备的低成本耐热钢适用于1000℃及以上的高温工作环境，尤其适用于制造与高温气体等直接接触的零部件，如烧结炉篦条、热处理炉挡板和冶金炉窑烧嘴等。

Claims (2)

1.一种低成本耐热钢的制备方法，其特征在于所述低成本耐热钢的化学成分及其含量是：C为0.4～0.5wt％，Si为1.41～1.63wt％，Mn为1.5～2.1wt％，Cr为23.2～24.2wt％，V为0.1～0.2wt％，Ti<0.3wt％，P<0.035wt％，S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，且同时满足0.2<(V+Ti)/C<1.25；

所述低成本耐热钢的制备方法是：按所述低成本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，即得低成本耐热钢。

2.一种低成本耐热钢，其特征在于所述低成本耐热钢是根据权利要求1所述低成本耐热钢的制备方法所制备的低成本耐热钢。