CN110952032B - 一种低成本含铝耐热钢及其制备方法 - Google Patents

一种低成本含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含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1.39～1.62wt％，Mn为1.5～2.1wt％，Cr为23～24.3wt％，Al为3.3～6.6wt％，V为0.11～0.21wt％，Ti<0.3wt％，Ta为0.06～0.14wt％，Nb为0.06～0.14wt％，Zr为0.003～0.03wt％，P<0.035wt％，S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，且同时满足0.24<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<2.82。按所述低成本含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，即得低成本含铝耐热钢。本发明所制制品不含镍、钴、钨和钼等高成本元素，不添加冶炼难度高的氮元素，具有成本低和抗氧化性优异的特点。

Description

一种低成本含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含铝耐热钢及其制备方法。
背景技术
耐热钢是在高温环境下使用的钢种，需要有足够的高温抗氧化性和高温强度，广泛应用于相关工业生产过程中，如以天然气为热源的热处理炉喷嘴、水泥工业中的分解炉和石油化工产业中的裂解管等零部件。由于苛刻的工作条件，耐热钢的损耗非常大，所以耐热钢成本的降低和性能的改善对提高经济效益具有重大作用。
现有耐热钢的适用温度大多在1000℃以下，如果用在1000℃以上的工作环境中，则会有高温抗氧化性不足以及成本过高的缺点。如“奥氏体耐热铸钢、其制备方法及应用”(CN201510952246)专利技术，用该专利技术得到的耐热钢虽具备良好的综合性能，但其含有一定量成本较高的钴、钼以及超过10wt％的镍元素，氮元素的添加也会增加熔炼控制难度，对成本造成压力；此外，所述耐热钢的高温抗氧化层以Cr2O3为主要组成物相，在含有水蒸气的环境中易生成CrO2(OH)2，进而挥发造成氧化膜破裂，从而使设备性能降低和使用寿命缩短。日本住友金属工业株式会社的“奥氏体系耐热合金”(CN201080055959)专利技术，采用该技术得到的耐热钢不仅镍含量高达40wt％以上，还含有一定量的钴、钨和钼元素，如此高成本的耐热钢若大量使用，会对企业成本与自然资源造成巨大的压力；且用该专利技术得到的耐热钢仍以铬为主要抗氧化元素，依然存在上述CrO2(OH)2挥发的问题，其抗氧化性与实际工业生产中的需求仍存在差距。
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抗高温氧化性好的低成本含铝耐热钢。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述低成本含铝耐热钢的化学成分及其含量是：C为0.4～0.5wt％，Si为1.39～1.62wt％，Mn为1.5～2.1wt％，Cr为23～24.3wt％，Al为3.3～6.6wt％，V为0.11～0.21wt％，Ti<0.3wt％，Ta为0.06～0.14wt％，Nb为0.06～0.14wt％，Zr为0.003～0.03wt％，P<0.035wt％，S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，且同时满足0.24<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<2.82。
所述低成本含铝耐热钢的制备方法是：按所述低成本含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，即得低成本含铝耐热钢。
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：本发明制备的低成本含铝耐热钢不含镍、钴、钨和钼等常见的高成本强化元素，而通过优化碳元素及易与碳结合的合金元素的含量，形成弥散分布的碳化物，在晶界析出进而固定晶界，防止晶粒过度长大；或在晶粒内部析出钉扎位错强化基体；这些碳化物还能提高耐热钢的高温耐磨性。一般认为过高的碳含量对合金的高温抗氧化性不利，本发明通过优化其他抗氧化元素含量来弥补碳元素对抗氧化性的削弱。故本发明添加0.4～0.5wt％的碳，使所制备的低成本含铝耐热钢在高温抗氧化性能不降低的同时拥有良好的耐磨性，且能将生产成本控制在较低的水平。
Si：硅有利于提高耐热钢在高温下的抗氧化性和抗腐蚀性。适量的硅对Cr2O3和Al2O3的生成具有促进作用，从而进一步强化合金的高温抗氧化性。硅可以在高温条件下在耐热钢表面与铬元素及氧元素结合，形成橄榄石结构，其特殊的晶格结构将铬原子围在近似平面的带状结构中，而不是包裹在常见的四面体或八面体间隙中，这对铬的扩散有利，而铬是重要的抗氧化元素，从而增强了耐热钢的高温抗氧化性。故本发明优选硅含量为1.39～1.62wt％，使所制备的低成本含铝耐热钢表面产生足量的橄榄石结构，进而在保持较低成本的前提下获得优良的高温抗氧化性。
Mn：耐热钢中的锰对硫等有害元素有较强的亲和力，可在冶炼过程中对之进行固定，进而能有效减少耐热钢在后续成型过程中的热裂倾向，提高产品的成材率从而降低成本；同时锰的添加也会提高耐热钢的冲击韧性，但是过量的锰含量会降低耐热钢的蠕变强度。本发明的锰含量为1.5～2.1wt％，所制备的低成本含铝耐热钢在保持良好的蠕变强度和高温抗氧化性的前提下，提高了成材率从而降低了成本。
Cr：铬是耐热钢中的主要抗氧化元素之一。由于电化学势的作用，铬元素倾向于在耐热钢的表面生成连续致密的尖晶石抗氧化层，将基体与外部氧化性气氛隔开，阻止氧化反应的进一步发生；铬元素可以与硅、铝元素产生协同作用，进一步提高耐热钢的高温抗氧化性能；此外铬元素还可以提高耐热钢的热强性。本发明的铬含量控制为23～24.3wt％，使所制备的低成本含铝耐热钢在维持足够热强性的同时具有良好的高温抗氧化性。
Al：铝是耐热钢的主要抗氧化元素之一，能在耐热钢的基体上形成一层致密的、具有保护作用的Al2O3氧化膜，保护底部耐热钢不受进一步的氧化。Al2O3氧化膜即使在超过1250℃的高温下也具有良好的稳定性，可以牢固的黏附在基体上而不脱落，这不仅对提高耐热钢的高温抗氧化性有利，而且还可以对铬元素产生保护作用，减轻其生成挥发性物质的程度。本发明的铝含量控制为3.3～6.6wt％，使所制备的低成本含铝耐热钢的高温抗氧化性得到显著的提高。
V：本发明制备的低成本含铝耐热钢中不含有镍、钴、钨和钼等高成本元素，为了弥补由此造成的对高温强度的削弱，本发明以复合作用的碳化物来提高高温强度。钒和碳有极强的亲和力，并与之形成相应的稳定碳化物，弥散分布在耐热钢中，既可以出现在晶内也可以出现在晶界，起到强化作用。本发明将钒含量控制为0.11～0.21wt％，在保证所制备的低成本含铝耐热钢具有优异的高温抗氧化性的同时，维持了良好的高温强度。
Ti：钛在耐热钢中是时效强化元素，可以通过时效处理提高耐热钢的强度；而且钛在耐热钢中易于形成性质稳定、高硬度、弥散分布的碳化物，通过第二相强化等方法增强合金的高温蠕变强度；此外，钛与硫元素具有极强的亲和力，形成比MnS更稳定的TiS，所以钛的添加可以比锰更有效地减轻硫的危害。本发明将钛含量控制在0.3wt％以下，在保持少量添加、控制成本且不危害高温抗氧化性的同时，制备的低成本含铝耐热钢获得了良好的蠕变强度。
Ta、Nb和Zr：稀土元素钽、铌和锆的添加有助于耐热钢表面抗氧化层的改性，改善其成分与结构，提高其化学稳定性进而增强防护作用。钽、铌和锆都是强碳化物形成元素，能形成多种复合碳化物，这些弥散分布的析出物具有提高高温强度的作用。故本发明优选其含量：Ta为0.05～0.13wt％、Nb为0.05～0.13wt％和Zr为0.002～0.05wt％，在保持低成本含铝耐热钢优良的高温强度的同时，提高了低成本含铝耐热钢的高温抗氧化性。
本发明通过钒、钛、铌、钽和锆的复合添加，形成多种碳化物，相互独立形核长大，相互隔断，进而避免在高温度长时间的环境中粗大化，降低耐热钢的高温强度。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之一，合适的钒钛含量可以避免过多的铬形成碳化物而影响耐热钢的抗氧化性能；而钽、铌和锆与碳的亲和力比钒钛更强，从而避免了单一的钒或钛碳化物的粗大化。本发明将钽、铌和锆之和与钒、钛之和的质量比控制为0.24<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<2.82，使不同合金元素形成的碳化物区别明显，在具有足够的抗氧化性能的同时，获得良好蠕变性能。
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，本发明通过合理地控制铝、铬和硅等成本较低的抗氧化元素的含量，获得了良好的抗氧化性；同时不含镍和钼等高成本元素，而以多种碳化物复合作用来提高蠕变性能等，将成本控制在较低水平。本发明制备的低成本含铝耐热钢适用于1000℃及以上的高温工作环境，如以天然气为热源的热处理炉喷嘴、水泥工业中的分解炉和石油化工产业中的裂解管等零部件。
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
一种低成本含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1.39～1.51wt％、Mn为1.73～2.1wt％、Cr为23.8～24.3wt％、Al为3.3～5.1wt％、V为0.16～0.21wt％、Ti<0.3wt％、Ta为0.06～0.1wt％、Nb为0.06～0.09wt％、Zr为0.003～0.014wt％、P<0.035wt％、S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；且同时满足0.24<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<2.82。
所述低成本含铝耐热钢的制备方法是：按所述低成本含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，即得低成本含铝耐热钢。
实施例2
一种低成本含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1.51～1.62wt％、Mn为1.5～1.73wt％、Cr为23～23.9wt％、Al为5～6.6wt％、V为0.11～0.15wt％、Ti<0.3wt％、Ta为0.1～0.14wt％、Nb为0.09～0.14wt％、Zr为0.015～0.03wt％、P<0.035wt％、S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；且同时满足0.24<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<2.82。
所述低成本含铝耐热钢的制备方法是：按所述低成本含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，即得低成本含铝耐热钢。
实施例3
一种低成本含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1.46～1.59wt％、Mn为1.65～1.95wt％、Cr为23.3～24wt％、Al为4.5～6wt％、V为0.14～0.18wt％、Ti<0.3wt％、Ta为0.09～0.12wt％、Nb为0.08～0.11wt％、Zr为0.01～0.02wt％、P<0.035wt％、S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；且同时满足0.24<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<2.82。
所述低成本含铝耐热钢的制备方法是：按所述低成本含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，即得低成本含铝耐热钢。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
C：本具体实施方式制备的低成本含铝耐热钢不含镍、钴、钨和钼等常见的高成本强化元素，而通过优化碳元素及易与碳结合的合金元素的含量，形成弥散分布的碳化物，在晶界析出进而固定晶界，防止晶粒过度长大；或在晶粒内部析出钉扎位错强化基体；这些碳化物还能提高耐热钢的高温耐磨性。一般认为过高的碳含量对合金的高温抗氧化性不利，本具体实施方式通过优化其他抗氧化元素含量来弥补碳元素对抗氧化性的削弱。故本具体实施方式添加0.4～0.5wt％的碳，使所制备的低成本含铝耐热钢在高温抗氧化性能不降低的同时拥有良好的耐磨性，且能将生产成本控制在较低的水平。
Si：硅有利于提高耐热钢在高温下的抗氧化性和抗腐蚀性。适量的硅对Cr2O3和Al2O3的生成具有促进作用，从而进一步强化合金的高温抗氧化性。硅可以在高温条件下在耐热钢表面与铬元素及氧元素结合，形成橄榄石结构，其特殊的晶格结构将铬原子围在近似平面的带状结构中，而不是包裹在常见的四面体或八面体间隙中，这对铬的扩散有利，而铬是重要的抗氧化元素，从而增强了耐热钢的高温抗氧化性。故本具体实施方式优选硅含量为1.39～1.62wt％，使所制备的低成本含铝耐热钢表面产生足量的橄榄石结构，进而在保持较低成本的前提下获得优良的高温抗氧化性。
Mn：耐热钢中的锰对硫等有害元素有较强的亲和力，可在冶炼过程中对之进行固定，进而能有效减少耐热钢在后续成型过程中的热裂倾向，提高产品的成材率从而降低成本；同时锰的添加也会提高耐热钢的冲击韧性，但是过量的锰含量会降低耐热钢的蠕变强度。本具体实施方式的锰含量为1.5～2.1wt％，所制备的低成本含铝耐热钢在保持良好的蠕变强度和高温抗氧化性的前提下，提高了成材率从而降低了成本。
Cr：铬是耐热钢中的主要抗氧化元素之一。由于电化学势的作用，铬元素倾向于在耐热钢的表面生成连续致密的尖晶石抗氧化层，将基体与外部氧化性气氛隔开，阻止氧化反应的进一步发生；铬元素可以与硅、铝元素产生协同作用，进一步提高耐热钢的高温抗氧化性能；此外铬元素还可以提高耐热钢的热强性。本具体实施方式将铬含量控制在23～24.3wt％，使所制备的低成本含铝耐热钢在维持足够热强性的同时具有良好的高温抗氧化性。
Al：铝是耐热钢的主要抗氧化元素之一，能在耐热钢的基体上形成一层致密的、具有保护作用的Al2O3氧化膜，保护底部耐热钢不受进一步的氧化。Al2O3氧化膜即使在超过1250℃的高温下也具有良好的稳定性，可以牢固的黏附在基体上而不脱落，这不仅对提高耐热钢的高温抗氧化性有利，而且还可以对铬元素产生保护作用，减轻其生成挥发性物质的程度。本具体实施方式的铝含量控制为3.3～6.6wt％，使所制备的低成本含铝耐热钢的高温抗氧化性得到显著的提高。
V：本具体实施方式制备的低成本含铝耐热钢中不含有镍、钴、钨和钼等高成本元素，为了弥补由此造成的对高温强度的削弱，本具体实施方式以复合作用的碳化物来提高高温强度。钒和碳有极强的亲和力，并与之形成相应的稳定碳化物，弥散分布在耐热钢中，既可以出现在晶内也可以出现在晶界，起到强化作用。本具体实施方式将钒含量控制为0.11～0.21wt％，在保证所制备的低成本含铝耐热钢具有优异的高温抗氧化性的同时，维持了良好的高温强度。
Ti：钛在耐热钢中是时效强化元素，可以通过时效处理提高耐热钢的强度；而且钛在耐热钢中易于形成性质稳定、高硬度、弥散分布的碳化物，通过第二相强化等方法增强合金的高温蠕变强度；此外，钛与硫元素具有极强的亲和力，形成比MnS更稳定的TiS，所以钛的添加可以比锰更有效地减轻硫的危害。本具体实施方式将钛含量控制在0.3wt％以下，在保持少量添加、控制成本且不危害高温抗氧化性的同时，所制备的低成本含铝耐热钢获得了良好的蠕变强度。
Ta、Nb和Zr：稀土元素钽、铌和锆的添加有助于耐热钢表面抗氧化层的改性，改善其成分与结构，提高其化学稳定性进而增强防护作用。钽、铌和锆都是强碳化物形成元素，能形成多种复合碳化物，这些弥散分布的析出物具有提高高温强度的作用。故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％，在保持低成本含铝耐热钢优良的高温强度的同时，提高了高温抗氧化性。
本具体实施方式通过钒、钛、铌、钽和锆的复合添加，形成多种碳化物，相互独立形核长大，相互隔断，进而避免在高温度长时间的环境中粗大化，降低耐热钢的高温强度。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之一，合适的钒钛含量可以避免过多的铬形成碳化物而影响耐热钢的抗氧化性能；而钽、铌和锆与碳的亲和力比钒钛更强，从而避免了单一的钒或钛碳化物的粗大化。本具体实施方式将钽、铌和锆之和与钒、钛之和的质量比控制为0.24<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<2.82，使不同合金元素形成的碳化物区别明显，在具有足够的抗氧化性能的同时，获得良好蠕变性能。
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，本具体实施方式通过合理地控制铝、铬和硅等成本较低的抗氧化元素的含量，获得了良好的抗氧化性；同时不含镍和钼等高成本元素，而以多种碳化物复合作用来提高蠕变性能等，将成本控制在较低水平。本具体实施方式制备的低成本含铝耐热钢适用于1000℃及以上的高温工作环境，如以天然气为热源的热处理炉喷嘴、水泥工业中的分解炉和石油化工产业中的裂解管等零部件。

Claims (2)

1.一种低成本含铝耐热钢的制备方法，其特征在于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1.39～1.62wt％，Mn为1.5～2.1wt％，Cr为23～24.3wt％，Al为3.3～6.6wt％，V为0.11～0.21wt％，Ti<0.3wt％，Ta为0.06～0.14wt％，Nb为0.06～0.14wt％，Zr为0.003～0.03wt％，P<0.035wt％，S<0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，且同时满足0.24<(Ta+Nb+Zr)/(V+Ti)<2.82；
所述低成本含铝耐热钢的制备方法是：按所述低成本含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，即得低成本含铝耐热钢。
2.一种低成本含铝耐热钢，其特征在于所述低成本含铝耐热钢是根据权利要求1所述低成本含铝耐热钢的制备方法所制备的低成本含铝耐热钢。
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