CN112899568B

CN112899568B - 一种抗高温氧化奥氏体不锈钢

Info

Publication number: CN112899568B
Application number: CN202110064988.8A
Authority: CN
Inventors: 曾莉; 张威; 郭宏钢; 王岩
Original assignee: Shanxi Taigang Stainless Steel Co Ltd
Current assignee: Shanxi Taigang Stainless Steel Co Ltd
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2041-01-18
Also published as: CN112899568A

Abstract

本发明提供了一种抗高温氧化奥氏体不锈钢，其特征在于，按照重量百分比计，包括：C≤0.080％，Si≤1.50％，Mn≤2.00％，P≤0.045％，S≤0.030％，Ni 19.00～22.00％，Cr 24.00～26.00％，B 0.20～0.40％，N≤0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的奥氏体不锈钢的抗高温氧化性能得以提高，在高温环境下能够长期服役，服役时间至少是目前普通奥氏体不锈钢的2‑3倍。

Description

一种抗高温氧化奥氏体不锈钢

技术领域

本发明属于冶金领域，具体地，本发明涉及一种抗高温氧化奥氏体不锈钢。

背景技术

高温氧化带来很多的危害，表面形成氧化皮，引起使用部件的尺寸发生变化，影响使用功能。当氧化皮破坏以后，金属母体进一步氧化。在某些区域由于合金化元素的分布差异导致氧化严重，引起使用零件的应力集中，应力疲劳等。在高温下，氧化皮还会蒸发掉，极大地加剧了零件的破损报废。

申请号为201310727913.9的中国发明专利申请公开了一种抗高温氧化的奥氏体耐热不锈钢，其化学成分质量百分比是：C<0.02％、Si 2.0～2.5％、Mn 1～2％、Cr 20～22％、Ni 12～14％、N 0.11～0.15％、P<0.035％、S<0.005％、Ce+La+Y 0.06～0.11％、V0.05～0.15％、Nb 0.1～0.3％，其余为Fe和不可避免杂质；并且，同时满足1.4≤(Cr+1.5Si+0.5Nb)/(Ni+0.5Mn+20N)≤1.6、1.5(C+N)≤(Nb+V)≤0.35％。但是，其合金成分体系复杂，极大的增加了制造难度，同时添加了Ce、La、Y等稀土元素，由于稀土元素氧化物聚集堵连铸水口，使得此钢种无法实现连铸生产，只能采用模铸，单工序成材率比连铸低12％以上，生产成本急剧增加，并且该发明仅适用于汽车排气系统特定的服役环境。

申请号为201910201237.9的中国发明专利申请公开了一种抗高温氧化的奥氏体耐热不锈钢，，按重量百分比计包括：C 0.04-0.1％，Cr 14-17％，Ni 20-27％，Al 2-4％，Nb0.2-2.5％，W 0.5-5％，Cu 1.5-4％，Mn 0.5-1％，S＜0.005％，P＜0.02％，N＜0.02％，和余量的Fe。但是，该合金成分体系复杂，Ni含量较高，并且添加了W等贵金属元素，提高了制造成本及生产难度。并且该专利申请的奥氏体耐热不锈钢只是适用于超超临界燃煤锅炉，其目的在于获得良好的抗高温氧化以及具有较高的蠕变性能，但是其最高服役温度只能达到700℃左右，并不适合900℃以上的高温环境下长期服役。

发明内容

本发明的发明目的是针对现有技术中存在的缺陷，提供了一种抗高温氧化奥氏体不锈钢。

本发明的技术方案具体如下：

一种抗高温氧化奥氏体不锈钢，按照重量百分比计，包括：C≤0.080％，Si≤1.50％，Mn≤2.00％，P≤0.045％，S≤0.030％，Ni 19.00～22.00％，Cr 24.00～26.00％，B0.20～0.40％，N≤0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。

可选地，N和B的含量满足(11×N)/(14×B)≤0.1。

可选地，C和N的含量满足C/(C+N)≥0.6。

可选地，B、C和N满足B/(C+N)≥2.0。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：

本发明的奥氏体不锈钢的抗高温氧化性能得以提高，在高温环境下能够长期服役，服役时间至少是目前普通奥氏体不锈钢的2-3倍。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。

本发明的发明人针对高温环境下长期服役、使用量最为广泛的奥氏体不锈钢进行研究，重点解决其抗高温长时氧化性能等问题。

本发明提供了一种抗高温氧化奥氏体不锈钢，按照重量百分比计，包括：C≤0.080％，Si≤1.50％，Mn≤2.00％，P≤0.045％，S≤0.030％，Ni 19.00～22.00％，Cr24.00～26.00％，B 0.20～0.40％，N≤0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。优选地，N和B的含量满足(11×N)/(14×B)≤0.1。优选地，C和N的含量满足C/(C+N)≥0.6。优选地，B、C和N满足B/(C+N)≥2.0。

在本发明中，发明人通过选择上述元素与配比，从而使各种元素之间协同作用，具体如下：

C：主要起到固溶强化的作用，并且在高温服役时提升材料的高温力学性能及蠕变性能。但是C过多会导致大量碳化物析出，其起到有害作用。因此在本发明中将C的最高加入量限制在0.080％。

Si：在高温下，Si与氧化合反应可以在钢材表面形成一层保护性良好的、致密的氧化硅膜，从而提高耐热钢的抗高温氧化性能。但是当Si含量过大时，长期服役后会形成含Si有害相，导致开裂。因此Si含量控制在1.50％以下。

Mn在钢中属于有害元素，会使合金的热塑性降低，因此在本发明中将Mn含量控制在2.0％以下。

Cr是钢中极为重要的合金元素，钢中的铬能够在钢的表面形成致密的氧化铬氧化膜。致密的氧化膜不仅可以阻止氧、硫、氮等腐蚀性气体向钢中扩散，还能阻止钢中金属离子向外扩散。当Cr含量低于24％时，合金的抗游离氧腐蚀性能不能满足要求；但当Cr含量高于26％时，使制造成本增加，并且对抗氧化贡献度不再增加。因此在本发明中将Cr含量控制在24.00～26.00％。

Ni为钢的主要基体元素。Ni具有良好的耐腐蚀作用，当Ni含量低于19％时，其耐腐蚀作用无法完全发挥，会造成服役过程中局部破坏失效，但当Ni含量高于22％时，使制造成本增加，并且对抗氧化贡献度不再增加。因此在本发明中将Ni含量控制在19％～22％。

N在普通奥氏体耐热钢中非主要控制元素，但是对于本发明合金，N需要控制在N≤0.03％，因为N与B极易形成BN析出物，从而降低B的固溶量，从而无法形成足够致密的氧化膜，作用无法充分发挥。

目前的奥氏体不锈钢中通常不添加B。在本发明中，发明人通过研究发现向奥氏体不锈钢中添加0.20～0.40％的B，能够有效提高奥氏体耐热钢的抗高温氧化性能。具体是：0.20～0.40％的B的加入促使耐热钢板材表面形成致密的氧化物薄膜，硼酸盐(Fe₃BO₆)的形成可以抑制氧化行为的深入发展，从而提高材料的高温氧化性能；并且，0.20～0.40％的B的添加极大降低了材料的氧化增重速度，含硼钢表面氧化物层组织平整致密。

此外，本发明的发明人通过研究还发现：

当N和B的含量进一步满足(11×N)/(14×B)≤0.1时，能够防止过多的BN析出及聚集，从而影响抗氧化性能及力学性能。

C和N元素在奥氏体耐热钢中以固溶为主，但是C的作用明显高于N，因此需进行比例性限定，通过使C和N的含量进一步满足C/(C+N)≥0.6，能够平衡二者的作用。

此外，由于C和N元素在奥氏体耐热钢中基本以固溶状态存在，会对B元素的扩散以及析出行为产生重要影响，因此需要使B、C和N满足B/(C+N)≥2.0，如此一来，B促使耐热钢板材表面形成致密的氧化物薄膜的作用才能够充分发挥。

本发明的抗高温氧化奥氏体不锈钢可采用本领域内的常规方法制备。例如，可以采用如下方法：(1)采用AOD+LF冶炼工艺生产连铸坯；(2)去除表面氧化皮，加热至1220℃保温3h后热轧成板材；(3)1050～1100℃固溶热处理。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

下述实施例中的抗氧化性能测量方法如下：

通过试样在长时间服役后的增重来表征材料的抗氧化性能。增重法为材料在试验结束后计算氧化增重值。在热轧板材上截取高温氧化试样，试样规格为30×15×hmm的矩形，试样应厚薄均匀、形状规矩，表面应磨光，表面粗糙度Ra为0.8μm，所有边棱都打磨圆滑。试样测量精度应为0.02mm，至少测量3点，并取平均值。分析天平精度为0.0001g，游标卡尺精度为0.02mm。

单位面积氧化增重(G⁺)按下式(1)计算：

式中，m₂为试验前试样于容器的合重，g；

m₁为试验后试样于容器的合重，g。

实施例1

本实施例的抗高温氧化奥氏体不锈钢的成分如表1所示。

本实施例的抗高温氧化奥氏体不锈钢的制备方法如下：

铸锭坯料加热温度1230℃，终轧温度900℃，成品板尺寸5×1500×4000mm。选择固溶热处理工艺为1050℃-10min。

获得热轧板材经过900℃服役300小时后氧化增重为2.81×10^-6g/mm²。

实施例2

本实施例的抗高温氧化奥氏体不锈钢的成分如表1所示。

本实施例的抗高温氧化奥氏体不锈钢的制备方法如下：

铸锭坯料加热温度1240℃，终轧温度910℃，成品板尺8×1600×4500mm。选择固溶热处理工艺为1050℃-16min。

获得热轧板材经过900℃服役300小时后氧化增重为2.78×10^-6g/mm²。

实施例3

本实施例的抗高温氧化奥氏体不锈钢的成分如表1所示。

本实施例的抗高温氧化奥氏体不锈钢的制备方法如下：

铸锭坯料加热温度1250℃，终轧温度910℃，成品板尺12×1600×4500mm。选择固溶热处理工艺为1050℃-24min。

获得的热轧板材的室温抗拉强度654MPa，室温屈服强度261MPa。获得的热轧板材经过900℃服役300小时后氧化增重为2.73×10^-6g/mm²。

对比例1

采用普通奥氏体不锈钢，其成分如表1所示，规格为8×1600×4500mm。室温抗拉强度552MPa，室温屈服强度233MPa。900℃服役300小时后氧化增重为5.64×10^-6g/mm²。

表1(重量％)

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	B	N	Fe
											实施例1	0.07	0.60	1.03	0.007	0.004	25.79	19.09	0.21	0.022	余量
实施例2	0.054	0.66	0.96	0.007	0.003	25.64	19.25	0.29	0.025	余量
											实施例3	0.074	0.65	1.07	0.005	0.003	25.52	19.45	0.35	0.024	余量
对比例1	0.087	1.58	2	0.05	0.03	22.67	22.35	-	0.032	余量

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种抗高温氧化奥氏体不锈钢，其特征在于，按照重量百分比计，包括：C≤0.080%，Si≤1.50%，Mn≤2.00%，P≤0.045%，S≤0.030%，Ni 19.00~22.00%，Cr 24.00~26.00%，B0.20~0.40%，N≤0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质；

其中，N和B的含量满足（11×N）/（14×B）≤0.1；

其中，C和N的含量满足C/（C+N）≥0.6；

其中，B、C和N满足B/（C+N）≥2.0。