CN113293335A

CN113293335A - 低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料及其应用

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Publication number: CN113293335A
Application number: CN202110848249.8A
Authority: CN
Inventors: 王寅杰; 宫高全; 陈小华
Original assignee: Kehua Holdings Co ltd
Current assignee: Kehua Holdings Co ltd
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2021-08-24
Anticipated expiration: 2041-07-27
Also published as: CN113293335B

Abstract

本发明属于奥氏体耐热钢材料技术领域，具体涉及一种低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料及其应用。本发明提供的低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料，包括以下组分：碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、磷（P）、硫（S）、铜（Cu）和氮（N）；其中所述Ni的质量份数为5～7；本发明以氮、碳作为强烈的奥氏体形成元素，在作为间隙型固溶元素时，其稳定奥氏体的作用是镍的30倍左右，可以大幅降低奥氏体耐热钢中镍的使用量，从而降低原材料成本。

Description

低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料及其应用

技术领域

本发明属于奥氏体耐热钢材料技术领域，具体涉及一种低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料及其应用。

背景技术

沉淀硬化奥氏体耐热钢是在奥氏体基体上通过第二相沉淀强化的耐热钢，用于制造600～750℃的燃气轮机部件。沉淀硬化奥氏体耐热钢是在18/8和18/12铬-镍不锈钢的基础上发展起来的。为保证有足够的抗氧化性，镍含量均在12%以上，加入足够量的镍以稳定奥氏体组织。

奥氏体耐热钢中，镍是主要的奥氏体化元素，其主要作用是形成并稳定奥氏体，使得耐热钢获得良好的高温机械性能及抗氧化、耐腐蚀性能，同时避免冷却到室温时出现相变。

发明内容

本发明提供了一种低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料及其应用。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料，包括以下质量份数的各组分：Ni：5～7；C：0.25～0.5；Si：0.5～1.5；Mn：0～0.5；Cr：23～26；Cu：1～2；以及N：0.25～0.45。

又一方面，本发明还提供了一种涡轮增压器壳体，采用如前所述的低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料。

本发明的有益效果是，本发明提供了一种低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料，包括以下组分：碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、磷（P）、硫（S）、铜（Cu）和氮（N）；其中所述Ni的质量份数为5～7；本发明以氮、碳作为强烈的奥氏体形成元素，在作为间隙型固溶元素时，其稳定奥氏体的作用是镍的30倍左右，可以大幅降低奥氏体耐热钢中镍的使用量，从而降低原材料成本。本发明提供的低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料在1000℃时具有优良的机械性能，可用于涡轮增压器壳体等耐高温铸钢产品。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的实施例7中制得的奥氏体耐热钢材料的金相结构图；

图2是本发明的对比例2中制得的奥氏体耐热钢材料的金相结构图；

图3是本发明的实施例7中制得的奥氏体耐热钢材料的样品图；

图4是本发明的对比例2中制得的奥氏体耐热钢材料的样品图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

奥氏体耐热钢是指在常温下具有奥氏体组织的耐热钢。钢中含有Cr约20～25%，Ni约9～40%；而镍是一种贵重的金属元素，属于战略资源，奥氏体耐热钢的生产消耗了大量的镍元素，造成其产品价格居高不下。因此，亟需发展以其它廉价合金元素全部或部分代替镍的低镍奥氏体耐热钢以利于降低成本，提高耐热钢产品市场竞争力。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料，包括以下组分：碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、磷（P）、硫（S）、铜（Cu）和氮（N）；其中所述Ni的质量份数为5～7。

具体的，本发明以氮、碳作为强烈的奥氏体形成元素，在作为间隙型固溶元素时，其稳定奥氏体的作用是镍的30倍左右，可以大幅降低奥氏体耐热钢中镍的使用量，从而降低原材料成本。

在本发明所述奥氏体耐热钢中，Ni是主要的奥氏体形成元素，通常也是耐热钢原材料成本中占比最高的合金元素；然而Ni的加入会降低奥氏体耐热钢中N的溶解度，在这两种元素含量都较高时，会增加铸造气孔缺陷；但是Ni的加入可以提高Cu在奥氏体基体中的溶解度，避免Cu的热脆性危害；在其余合金元素含量满足要求时，Ni质量份数小于5时，铸态组织中铁素体含量将超过5；基于此，在本发明所述的技术方案中，控制Ni的质量份数为5～7。

可选的，所述N的质量份数可以但不限于为0.25～0.45。

在本发明所述奥氏体耐热钢中，N是主要的奥氏体形成元素，固溶的N可以取代约30倍的Ni；但N的质量份数超过0.45时，加入25质量份的Cr和控制Mn小于0.5质量份均无法抑制析出型氮气孔缺陷，同时还会造成加工性能的恶化。基于此，在本发明所述的技术方案中，控制N的质量份数为0.25～0.45。

可选的，所述C的质量份数可以但不限于为0.25～0.5。

在本发明所述奥氏体耐热钢中，C可与Cr元素在晶界处形成热稳定性高的碳化物，在高温使用环境下提高晶界强度，降低晶界蠕变速度，从而提高零件使用寿命；同时在本发明中，C与N一同取代贵重金属Ni，起到降低原材料成本的作用；在本发明规定的N、Ni、Cr含量下，不加C时材料基体中含有20%（体积百分比）左右的铁素体相，该相在900℃的蠕变极限仅为奥氏体相的1/10，高温抗氧化性也比奥氏体相差，该相的含量、形态、位置都会对材料总体的服役性能产生影响，当铁素体相在晶界分布并连成网状时，材料在1000℃的短时拉伸强度至少下降70%；C的质量份数小于0.3时，随着C含量的增加，铁素体相逐渐减少到0；继续增加C含量，晶界碳化物的析出量等比例增加，在1000℃以上的拉伸强度也逐渐提高；但当C的质量份数超过0.45时，晶粒内部出现碳化物，加工性能严重恶化，加工刀具成本增加100～900%。基于此，在本发明所述的奥氏体耐热钢中C的质量份数控制在0.25～0.5。

在本发明中，可以使用C、N取代10%以上的Ni，极大地降低了原材料成本。

可选的，所述Cu的质量份数可以但不限于为1～2。

在本发明所述奥氏体耐热钢中，Cu的主要作用是减小切削力，改善材料加工性能，同时Cu也可以部分取代Ni用来稳定奥氏体组织，Cu元素在奥氏体基体的溶解度有限，过量的Cu可以形成富Cu相，在800℃以下使用的耐热钢中会使用该相作为强化相，提高材料的耐高温性能；但是该相的高温稳定性差，存在热脆性风险，目前在950℃以上使用的Cr-Ni奥氏体耐热钢都将Cu视为有害元素，通常规定Cu含量小于0.5%；本发明通过控制Ni、Cu的加入量，使得Cu完全处于固溶状态，即利用了Cu降低加工成本的作用，又避免了Cu在950～1050℃的热脆性风险。基于此，在本发明所述的技术方案中，控制Cu的质量份数为1～2。

在本发明中，通过N的固溶强化作用及Cu的沉淀强化作用使得单铸试棒高温机械性能较普通铬镍奥氏体耐热钢提升40～50%。

可选的，所述Mn的质量份数不超过0.5。

在本发明所述奥氏体耐热钢中，Mn是有害元素。通常来说Mn具有取代Ni降低原材料成本的作用，也可以与有害元素S反应生成球形MnS，降低晶界FeS的热脆性；但在本发明中当其质量份数大于0.5时，析出性气孔缺陷显著增加，且熔炼时N的吸收率大幅降低，由于N元素是通过含N合金加入钢水中，会带入其他合金元素，N的吸收率降低导致含N合金加入量增加，带入的其他合金元素亦增加，从而使钢水成分调整更加困难。在大批量生产时，由于铸造返材中也含有N，在Mn过高时，返材中的N在钢水熔炼过程中也损失严重，该部分N也需要含N合金补充，从而降低了铸造返材的使用比例，在实际工艺出品率较低时会造成铸造返材积压，无法循环使用。

可选的，所述Si的质量份数为0.5～1.5。

在本发明所述奥氏体耐热钢中，Si的作用是熔炼时的辅助脱氧以改善钢水流动性，减少铸造渣孔缺陷，并略微改善高温抗氧化性能及耐腐蚀性能；当Si的质量份数超过1.5或低于0.5时，耐热钢的流动性大幅下降，铸造渣孔缺陷急剧增加；Si是主要的铁素体形成元素，含量过高会使铸态下出现铁素体相，并降低奥氏体基体及碳化物的高温稳定性，降低零件使用寿命。在本发明所述奥氏体耐热钢中，Si的质量份数控制住0.5～1.5。

可选的，所述Cr的质量份数为23～26。

在本发明所述奥氏体耐热钢中，Cr的主要作用是提供900～1050℃的抗氧化性及耐腐蚀性，以及提高钢水中N的溶解度，从而提高含N合金加入时N的吸收率，减少高温下钢水的沸腾现象，减少铸造气孔缺陷；但Cr也是铁素体形成元素，含量过高会使铸态下出现铁素体相，并降低奥氏体基体的高温稳定性，降低零件使用寿命；当Cr的质量份数小于23时，N在钢水凝固时的溶解度小于0.3%，降低了镍当量使铸态组织出现铁素体相，同时增大了产生析出性气孔缺陷的倾向；当Cr的质量份数大于26时，铬当量过高，在其余合金元素含量满足要求时，铸态下也会出现铁素体相。基于此，在本发明所述的技术方案中，控制Cr的质量份数在23～26。

可选的，本发明的低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料，各组分的质量份数可以但不限于为：C：0.25～0.5；Si：0.5～1.5；Mn：0～0.5；Cr：23～26；P：0～0.04；S：0～0.3；Cu：1～2；以及N：0.25～0.45。

可选的，所述低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料在1000℃时的抗拉强度不低于120MPa，屈服强度不低于80MPa，断后延伸率不低于15%。

进一步的，本发明提供的低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料可用于制备涡轮增压器壳体等耐高温铸钢产品。

本发明的低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料的铸造工艺与量产铬镍耐热钢无任何区别，且铸件加工成本无明显提升。

根据本发明中各组分的含量制备奥氏体耐热钢材料的各实施例及对比例的参数，以及制得的奥氏体耐热钢材料的性能汇总于表1。

表1 各实施例及对比例中的各组分的含量及制得的奥氏体耐热钢材料的性能

根据表1中数据，及图1至图4中样品的结构图中，可以看出，各实施例中制得的耐热钢材料，通过降低Mn的含量，抑制了高温铁素体相的形成，消除了析出性氮气孔缺陷；优化了氮、碳元素的加入范围，同时加入适量易切削元素Cu，使得铸件加工成本低于对比例中的普通铬镍奥氏体耐热钢；各实施例中制得的耐热钢材料在1000℃左右的抗氧化性及机械性能亦优于对比例中的普通铬镍奥氏体耐热钢；其中在1000℃时，本发明制得的耐热钢材料的抗拉强度达到120～140MPa，屈服强度达到80～90MPa，其高温强度超过对比例中制得的材料50%。

综上所述，本发明提供了一种低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料，包括以下组分：碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、磷（P）、硫（S）、铜（Cu）和氮（N）；其中所述Ni的质量份数为5～7；本发明以氮、碳作为强烈的奥氏体形成元素，在作为间隙型固溶元素时，其稳定奥氏体的作用是镍的30倍左右，可以大幅降低奥氏体耐热钢中镍的使用量，从而降低原材料成本；本发明提供的低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料在1000℃时具有优良的机械性能，可用于涡轮增压器壳体等耐高温铸钢产品。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料，其特征在于，包括以下质量份数的各组分：Ni：5～7；C：0.25～0.5；Si：0.5～1.5；Mn：0～0.5；Cr：23～26；Cu：1～2；以及N：0.25～0.45。

2.如权利要求1所述的低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料，其特征在于，还包括：不超过0.04质量份数的P。

3.如权利要求1所述的低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料，其特征在于，还包括S；其中S的质量份数不超过0.3。

4.如权利要求1所述的低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料，其特征在于，所述低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料在1000℃时的抗拉强度不低于120MPa，屈服强度不低于80MPa，断后延伸率不低于15%。

5.一种涡轮增压器壳体，其特征在于，采用如权利要求1中所述的低镍沉淀硬化奥氏体耐热钢材料制得。