CN113862562A - 一种抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不锈钢及其制备方法，尤其涉及一种抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢及其制备方法，属于耐热钢材铸造技术领域。本发明的成分按重量百分比包括C:0.3～0.5%、Si：0.7～1.4%、Mn：1～2.5%、P：0.04%以下、S：0.03%以下、Cr：21～26%、Ni:8～11%、Nb：0.5～1.3%、Mo：0.3%以下、N：0.1～0.4%、其余由Fe及不可避免的杂质构成，且需满足三个关系式。本发明对奥氏体耐热不锈铸钢中出现孤岛状σ相提出了独到的见解，并根据这一原理可有效控制孤岛状σ相的析出。其有益效果是：具有成本低廉的特点，确定了满足1000℃抗氧化的临界条件，避免了过多Nb的加入造成的资源浪费和性能恶化。可以在满足排气温度1000℃以上汽车排气系统的使用工况。

Description

一种抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种不锈钢及其制备方法，尤其涉及一种抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢及其制备方法，属于耐热钢材铸造技术领域。

背景技术

随着化石燃料的大规模使用，环保问题一直是世界关注的话题。汽油和柴油不完全燃烧所释放出来的有害气体造成了严重的大气污染。因此各国都在强制要求汽车提升尾气净化处理技术，削减污染物排放。此外，二氧化碳作为主要温室气体之一，对生态环境造成了严重影响。为了减少碳排放，实现碳达峰和碳中和，提高内燃机的燃油经济性，提升燃油利用效率，也成为了世界各大发动机厂商的研发方向。燃料在高温高压下才能充分燃烧，实现减少CO、NO等有害气体和提高燃油效率减少CO₂排放的目的，因此缸内直喷技术、燃料高压喷射、增大压缩比、涡轮增压等发动机技术得到发展和推广。但这些技术全都是以提高尾气排放温度为代价的，这样就导致了排气系统零部件处于越来越高的使用温度，需要长期承受来自复杂氧化环境下的持续高温或冷热交变载荷，因此对材料抗氧化性能和热疲劳性能的要求越来越高。

由于汽车排气系统零件结构复杂，通常采用铸造方法制造。在国V 排放标准出台以前，尾气温度在900℃以下，相应的排气系统零件温度大多在850℃以下，主要采用高SiMo球铁、高镍奥氏体球铁等耐热铸铁，这类材料铸造成型性能好，切削加工性能好，铸件裂纹倾向小，综性价比很高。但在国V 排放标准出台之后，发动机尾气温度必须进一步提升才能满足排放要求。涡轮增加技术能够有效提高燃油效率，降低废气排放量，而且技术可靠性和性价比高，因此被各大汽车厂商广泛采用。与自然吸气相比，涡轮增压使排气温度提高至1000℃以上，传统的高硅钼球铁、高镍奥氏体球铁已不能满足需求，因此耐热温度更高的奥氏体不锈钢成为汽车涡轮增压器等高温服役零件的首选材料。

据申请人了解，目前各国针对汽车排气系统零部件材料的研究均以欧标1.48系列耐热不锈钢为主。一定比例下的Cr、Ni提供的稳定奥氏体组织和抗氧化膜是1.48系列耐热钢具备高温性能的前提，且通常随二者含量的增加，材料的高温性能也增加。因此，不同牌号之间的化学成分跨度大，尤其在贵重金属方面。未来，汽车排气系统零部件材料的研究方向将朝着高耐热性和低成本的方向不断发展。

我国的西陕县内燃机进排气管有限公司通过联合郑州大学申报“Cr-Ni奥氏体耐热铸钢排气歧管研究与产业化”项目，对Cr-Ni奥氏体耐热铸钢材料的化学成分、力学性能、热疲劳性能、铸造工艺及切削性能进行了较为全面的研究，以达到承受1025℃以上的高温，满足冷热循环试验的要求，但是这种成分的耐热铸钢相对于能够耐受1050℃的EN1.4837还提高了贵重金属Ni和Nb的加入量，导致成本过高。

日本丰田汽车公司在对奥氏体耐热铸钢进行大量研究的基础上总结了大量规律，开发了一种低Ni奥氏体耐热铸钢，该种材料具有优异的高温强度和韧性，可在950℃或更高的温度区间工作。该材料的Ni含量仅为3%-8%。但是该材料的高温抗氧化性和蠕变性能较差，不适合作为汽车排气系统所用的材料。

韩国现代汽车公司在对传统奥氏体体系耐热铸钢化学成分进行优化配比的基础上，通过降低Ni含量来降低材料成本，开发出一种具有优异高温蠕变强度和低周疲劳寿命的奥氏体耐热铸钢，实验证明，新开发的低Ni奥氏体耐热铸钢在800、900时，60MPa应力水平下的蠕变寿命分别比传统奥氏体耐热铸钢提高约1.7倍和2.3倍。开发的新材料适用于最高气体排放温度900℃或零件表面温度在850℃以下。但该材料的在1000℃条件下的高温抗氧化性较差，难以适应更加严苛的汽车排气系统环境。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提出一种抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢及其制备方法,所得成品是一种在1000℃以上，抗氧化性能和蠕变性能优良、且贵金属含量少，成本低廉的铸造奥氏体耐热不锈钢，适用于汽车发动机的排气部件。

本发明通过以下技术方案解决技术问题：本发明首先提供一种抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢，包括以下按重量百分比计的化学成分：C 0.3～0.5%、Si 0.7～1.4%、Mn1～2.5%、P≤0.04%、S≤0.03%、Cr 21～26%、Ni 8～11%、Nb 0.5～1.3%、Mo≤0.3%、N 0.1～0.4%、其余为Fe及不可避免的杂质，并且满足下式（1）、（2）、（3），

29 ≤ Cr+Ni ≤ 37 （1）--（约束抗氧化性）

Nb ≤ 0.087(Cr+Ni)-1.1 （2）--（约束抗氧化性）

Cr+5.8Nb ≤ 2.25Ni+45C （3）--（约束西格玛相）。

欧洲标准中的EN1.4826适用温度为950℃，Cr含量为19-21%、Ni含量为9-11%。在1000℃条件下，其抗氧化等级为次抗氧化级，蠕变性能差，研究以EN1.4826为基础，通过适当提升Cr、Si等廉价元素，控制Ni、Nb等贵金属在一个合理的加入范围，获得在1000℃条件下良好的抗氧化性和蠕变性能。

本发明的技术方案是发明人在研究中发现，单独增加Si含量或者Cr含量均可使Cr、Ni含量较低的EN1.4826在1000℃下获得良好的抗氧化性能。但是由于两种元素单独作用，均会产生不平衡析出相。其中，单独将Si增加到一定量后，即会在晶界析出细小的富Si相，其金相组织类似魏氏石墨的形态，电镜下观察发现，是与晶界呈60°夹角的微小裂纹，这种组织无疑会对材料力学性能造成不利影响。若单独将Cr提高至21%以上，即会在晶界处析出胞状的富Cr相，该组织不仅影响力学性能，而且会使材料在铸造过程中的流动性显著降低。进一步的深入研究，得到如下新见解：（1）Cr是形成不锈钢氧化膜的主要元素，当其提升至21%即可形成封闭的氧化膜，起到阻碍氧化的作用，但Cr提高会使流动性显著下降不利于铸造成型，而增加适量的Si则可以平衡其流动性，同时进一步提升其抗氧化性能。（2）Nb是一种强碳化物元素，对氧化性能的作用较为复杂。加入少量的Nb，可以提升其抗氧化性，而到达一定量之后，则会严重降低材料的抗氧化性。其原因在于：通常在高温下，不锈钢晶界处容易析出M₂₃C₆型碳化物，造成晶界贫Cr,导致晶界抗氧化性下降。而少量Nb的加入，会夺走基体中的C，并在晶界形成高温稳定的强碳化物NbC，从而抑制晶界处的M₂₃C₆型碳化物析出，提高了晶界的抗氧化能力。但是当Nb过量时，则会形成大量的NbC富集在晶界，由于NbC的高温稳定性强，因此会保留在形成的Cr₂O₃氧化膜中，这些碳化物会将氧化膜割裂，从而严重恶化材料的抗氧化性能，如图1所示。

研究还发现，C、Cr、Ni、Nb等元素对耐热不锈钢中σ相的形成具有直接影响。σ相是耐热不锈钢中的一种富Cr相固溶体，分布在晶粒的中心位置，呈孤岛状，其硬度极高，对材料塑性和加工性能均造成不利影响。对其深入研究，对其形成机理得到如下新见解：（1）这种孤岛状σ相是富Cr高温铁素体δ相和高温液相发生亚包晶反应的残留产物，而不是通常理解的700～900℃的析出相。亚包晶反应终了，富Cr高温铁素体δ相经过连续冷却转变为常温σ相。（2）Cr是构成耐热不锈铸钢中孤岛状σ相的主要元素，Ni、C、N等元素均有抑制作用。（3）实验发现，添加Nb元素会促进形成σ相，但能谱扫描结果表明σ相中不含Nb元素，说明Nb元素并不直接参与σ相的形成。其影响机理可能如下，Nb、W等高熔点强碳化物元素会在包晶反应温度以上与基体碳结合，从而减少了基体碳含量，而C对高温铁素体δ相的影响很大，从而间接促进了σ相的形成。

蠕变性能是金属材料在高温下具有的一种特性，通常当温度高于0.5T_m（熔点）以上时，由于原子活动能力增大，以及原子沿着晶界的扩散速率加快，使高温下的晶界具有一定的粘滞性特点，它对变形的阻力大为减弱，即使施加很小的应力，只要作用时间足够长，也会发生晶粒沿着晶界的相对滑动，成为多晶体在高温时的一种重要的变形方式。专利CN101946018 B中提到，为了满足力学性能的要求， Nb含量要在1-4%，但本发明人进一步的深入研究发现，Nb在低Cr、Ni的体系中，对其蠕变性能和抗氧化性有着完全相反的双重作用。因此得到如下新见解：（1）金属材料在高温下晶界是最薄弱的环节，因此对于多晶体来说，为了提高材料的高温蠕变性能，采用高熔点金属元素进行合金化，利用这些元素在晶界形成的碳化物钉扎晶界，使合金在高温下晶粒不易产生相对滑动，从而提高蠕变寿命。在耐热不锈钢中加入Nb元素可以形成具有高温稳定性的NbC，对提高高温力学性能效果显著。（2）在C含量为0.3-0.5%的条件下，不锈钢蠕变性能随着Nb的加入，呈现的规律为先提高后降低，其最高点约为1.1%，超过这一点，其蠕变性能则呈现下降趋势，因此如前所述的Nb的加入量需在1-4%则完全没有必要，而且Nb是贵重稀有金属，从资源节约和降低成本的角度，其加入量宜限制在1.3%以下。

本发明进一步提供抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

第一步、配料，将所述化学成分按比例配料；

第二步、熔炼，将所述配料进行投料熔炼；

第三步、脱氧，钢水熔清后采用沉淀脱氧的方式，将钢水总重量的0.5-1.5%铝钙合金加入钢水中，形成的氧化铝和氧化钙浮于钢液表面，除掉钢水表面的氧化渣后，向钢水中加入钢水总重量0.2%-0.5%的硅钙稀土合金进行扩散脱氧;

第四步、精炼，在完成脱氧之后，将99.99%纯度的氩气通过安装在坩埚底部的透气砖导入到钢液中，吹气压力为0.2-0.8MPa，氩气流量2-6L/min，通气时间1h以上。

第五步、浇注，去除钢水表面杂物，测量成分符合组分要求，温度达到1680-1720℃，转入浇注包进行浇注。

上述方法的所述第一步中，配料时依照合金成分及烧损量配备原材料，所需的主要材料包括增碳剂、回炉料与废钢、电解锰、硅铁、铬铁、电解镍、铌铁、氮化铬铁。回炉废料加入比例≤70%，普通废钢和合金材料占比至少≥30%。

所述第二步中，熔炼时依次加入增碳剂、回炉料与废钢、电解锰、硅铁、造渣剂、铬铁、电解镍、铌铁、氮化铬铁、造渣剂。熔炼前对原辅材料进行预处理，将所述增碳剂、电解锰、铬铁、氮化铬铁和造渣剂进行200-300℃烘烤30min以上的处理步骤。

熔炼时依次加入增碳剂、回炉料、废钢、电解锰、硅铁、铬铁、电解镍、铌铁、氮化铬铁。两次造渣剂的加入目的是第一次除渣，方便后面的贵重合金加入，减少贵金属损耗。第二次除渣和保温。按顺序依次加入的原因是增碳剂比重轻，要放在炉子的底部，以防止过多的碳飘浮到铁水表面高温氧化烧损；废钢和回炉料是冶炼的主体材料，需早加入；电解猛和硅铁起脱氧作用，且合金价格便宜，烧损导致的经济损失小，宜早加入；铬铁、电解镍和铌铁是耐热不锈钢的核心元素，且价格较贵，是最后加入的合金；氮化铬铁容易产生氮气析出，因此最后加入，确保氮的收得率；造渣剂最后加入，形成的氧化渣滓会像个盖子一样覆盖住钢水表面，起收集氧化渣、防止钢水氧化、保温的作用。

所述第三步，在熔化完毕的钢水中，加入钢水总重量0.5-1.5%的铝钙合金，进行第一次脱氧；待沉淀脱氧完成后，去除钢水表面浮渣，向钢水中加入钢水总重量0.2-0.5%的硅钙稀土合金，进行第二次脱氧。

按照上述方法所得不锈钢的铸态组织无孤岛状σ相析出,在大气中、1000℃的条件下，氧化增重速率小于0.8g/m².h;在大气中、1000℃条件下，施加40MPa的持续应力，其蠕变寿命大于50h。

本发明对奥氏体耐热不锈铸钢中出现孤岛状σ相提出了独到的见解，并根据这一原理可有效控制孤岛状σ相的析出。其有益效果是：具有成本低廉的特点，通过试验研究，确定了满足1000℃抗氧化的临界条件，在贵金属Nb的加入量上，通过材料氧化性能和蠕变性能的优选，避免了过多Nb的加入造成的资源浪费和性能恶化。可以在满足排气温度1000℃以上汽车排气系统的使用工况，包括涡轮壳、废气旁通阀、排气岐管等。

附图说明

图1是表示过量Nb的碳化物所导致的氧化膜的破坏机理图,图中标号1为Nb碳化物，2为氧化膜，3为过渡层，4为基体。

图2是表示奥氏体耐热铸钢中出现的孤岛状σ相。

图3是表示Cr、Ni、Nb三种元素在材料抗氧化性方面的交互关系。

图4是表示奥氏体耐热铸钢中出现孤岛状σ相的临界条件。

具体实施方式

以下对本发明的一种抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢及其制备方法做详细说明。另外关于构成的各元素含量，均为质量分数，不再赘述。

C：0.3～0.5%、

C在钢铁材料中具有重要作用，首先大于0.3%的C会在Fe原子晶格形成间隙固溶体，从而强化基体，同时碳可与多种金属元素形成碳化物强化晶界，另外碳可以提高钢的流动性。而过高的C超过0.5%则会形成大量的碳化物，使塑性和加工性能变差，因此规定在0.3～0.6%。C的优选含量为0.4～0.5%。

Si：0.7～1.4%

Si在炼钢过程中常常作为重要的脱氧元素之一被加入。此外，Si可以在奥氏体不锈钢氧化膜的内侧形成二氧化硅层，对材料的抗氧化性有益，在耐热材料中常用。但由于Si含量过高容易形成晶界析出物，并导致晶界微小裂纹的发生，这将对材料的疲劳性能产生极为不利的影响，因此本实施例的材料，抗氧化性主要靠Cr和Ni元素保证，添加Si的主要目的在于提高钢水的流动性。通过试验确定了Si含量在0.7～1.4%，既可以保障钢水的流动性，又能确保不会有晶界微小裂纹出现。Si的优选含量为0.9～1.1%。

Mn：1～2.5%

Mn与硅一样是重要的脱氧元素，同时具有稳定奥氏体化的能力，因此在不锈钢中是一种有益元素，同时Mn可以与S结合形成硫化锰，改善材料的切削性能。Mn含量设定为1～2.5%。

P：0.04%以下

P是不锈钢中危害性极大的元素之一，形成的磷化物会显著降低材料的塑性，由于国内现有的废钢中，P含量大多在0.08以下。考虑到P在钢中难以被去除，因此P含量通常需要严格控制原材料的化学成分。P限定在0.04%以下。

S：0.03%以下

虽然硫在钢中形成MnS有利于缺削性能，但S和P一样都是不锈钢中的有害元素，会对不锈钢的各项力学性能指标都会造成不良影响，尤其容易导致铸造过程中产生热裂纹，因此在奥氏体耐热铸钢中限定在0.03%以下。

Cr：21～26%

Cr是使奥氏体耐热铸钢具有抗氧化性的核心元素，其形成的封闭氧化膜是阻碍基体进一步氧化的主要原因。试验发现，若要在Ni含量较低的条件下，在1000℃形成封闭的三氧化二铬氧化膜，其临界含量要大于21%，否则氧化膜不封闭，在1000℃时将发生失稳氧化。而过高的Cr会增加材料脆性，降低流动性，此外还会增加σ相的形成，因此其含量需控制在26%以下。优选的成分范围在22～24%。

Ni:8～11%。

Ni是奥氏体耐热铸钢形成稳定奥氏体的核心元素，Ni的加入可以使材料形成单一的奥氏体组织，减少材料在冷热交变过程中的相变应力。同时，Ni可以提高耐热钢中Cr元子的扩散速率，从而使氧化膜稳定性加强，促进抗氧化性。Ni还可以降低耐热钢中σ相的形成和析出，提高材料的塑性和韧性。但由于Ni的价格昂贵，通常在耐热钢中会尽量少加，因此设定其范围在8～11%，优选的范围在9～10%。

Nb：0.5～1.3%

Nb是一种熔点极高的难熔金属元素，可与C结合形成在高温下稳定的碳化铌，从而提高材料的高温力学性能。Nb对本发明中的奥氏体耐热铸钢具有多方面的影响。（1）在C含量为0.3～0.5%的条件下，不锈钢蠕变性能随着Nb的加入，呈现的规律为先提高后降低，其最高点约为1.1%，超过这一点，其蠕变性能则呈现下降趋势，因此过量加入Nb则完全没有必要，而且Nb是贵重稀有金属，从资源节约和降低成本的角度，其加入量应在0.5%以上，但上限应当加以限制。（2）Nb是一种强碳化物元素，对氧化性能的作用较为复杂。加入少量的Nb，可以提升其抗氧化性，而到达一定量之后，则会严重降低材料的抗氧化性。其原因在于，通常在高温下，不锈钢晶界处容易析出M₂₃C₆型碳化物，造成晶界贫Cr,导致晶界抗氧化性下降。而少量Nb的加入，会夺走基体中的C，并在晶界形成高温稳定的强碳化物NbC，从而抑制晶界处的M₂₃C₆型碳化物析出，提高了晶界的抗氧化能力。但是当Nb含量超过1.3%，则会形成大量的NbC富集在晶界，由于NbC的高温稳定性强，因此会保留在形成的Cr₂O₃氧化膜中，这些碳化物会将氧化膜割裂，从而严重恶化材料的抗氧化性能；（2）添加Nb元素会促进形成σ相，但能谱扫描结果表明σ相中不含Nb元素，说明并Nb元素不直接参与σ相的形成。其影响机理可能如下，Nb、W等高熔点强碳化物元素会在包晶反应温度以上与基体碳结合，从而减少了基体碳含量，而C对高温铁素体δ相的影响很大，从而间接促进了σ相的形成。综合上述三方面的原因考虑，Nb的加入量控制在0.5～1.3%,更加优选的范围0.8～1.1%。

Mo：0.3%以下

Mo元素在900℃以下的耐热材料中比较常见，因为形成的碳化物具有较高的高温稳定性，可以提高材料的力学性能，但在900℃以上的耐热材料中，一般会限制其加入量，这是因为其氧化产物二氧化钼会在高温和高氧分压条件下进一步氧化形成低熔点的三氧化钼，这会严重破坏氧化膜的完整性，从而导致灾难性氧化，因此Mo含量限定在0.3%以下。

N：0.1～0.4%

N具有极强的奥氏体化能力，其奥氏体化能力约为Ni的20倍，因此在Ni价高涨的上世纪，催生了一大批高N节Ni不锈钢。由于空气中存在大量的N,因此不锈钢的熔炼过程中会溶解一部分N，正常状态下其含N量约为0.08%。但过高的N在常压下铸造会形成气孔。因此考虑加入的有效性，检测含量不应低于0.1%，其加入量设定在0.1～0.4%。

其余由Fe及不可避免的杂质构成。

除上述化学成分之外，还应满足下式（1）、（2）、（3）；

29 ≤ Cr+Ni ≤ 37 （1）式是本材料具有良好抗氧化性的约束条件之一；

Nb ≤ 0.087(Cr+Ni)-1.1 （2）式是本材料具有良好抗氧化性的约束条件之二；

Cr+5.8Nb ≤ 2.25Ni+45C （3）式是抑制本发明所述奥氏体耐热铸钢产生σ相的约束条件。

抗氧化性

试验采用GBT13303《钢的抗氧化性测定方法》，选择氧化增重法。样品取自Y型试块，样品切割成30mm×15mm×4mm，每组试验使用三组平行样，对试样进行研磨，经水砂纸打磨，除去表面氧化皮及线切割加工痕迹，然后用乙醇清洗干燥。准备与试样相同数量的坩埚，对坩埚进行编号，用电阻加热炉进行烘烤，使坩埚中的残留物质充分挥发，直至连续三次称量质量恒定，随炉自然冷却备用。将试验试样放入坩埚中，一起放入箱式电阻炉中进行高温氧化。试验气氛为空气，氧化温度为1000℃，高温氧化时间为200小时，每间隔50小时，取出称重，称重仪器为电子分析天平，使用前需确认电子天平处于定检期内，并进行校准。

蠕变性能

使用电子式蠕变持久试验机在1000℃，40MPa条件下进行试验。为了提高铸态合金蠕变性能的可靠性，降低试验误差，每种材料取3根试样进行蠕变性能测试，取其平均值。为了减小铸造缺陷（如缩孔、杂质等）对蠕变性能测试的影响，选用试块的中段作为试验材料。蠕变试样取样方向与试块长边方向平行，所有样品经过机加工为标距长25 mm，标距直径5mm的标准圆棒蠕变试样，试样在加工完成之后需进行射线探伤，以确保铸件无内部缺陷影响试验结果。

σ相

试样打磨抛光后，采用4%硝酸酒精溶液,在3～5V的电压下电解腐蚀5～15S，或者采用5%硫酸铜+氢氧化钠溶液腐蚀，所获得的金相照片中，彩色的组织即为σ相。

熔炼工艺

以下对本发明的奥氏体耐热不锈钢熔炼铸造方法做详细说明；

（1）配料

根据上述化学成分进行配料，所选择的原材料应该具有明确的主要元素含量、夹杂物含量以及有害元素含量。其中回炉废料加入比例不得超过70%，普通废钢和合金材料占比至少在30%以上。

（2）熔炼

按照配料单，依次加入增碳剂—回炉料—废钢—电解锰—硅铁—造渣剂—铬铁—电解镍—铌铁—氮化铬铁—造渣剂。为减少钢水夹杂物和有害气体含量，需对部分关键原辅材料进行预处理措施：（1）熔炼前对部分原辅材料进行预处理，增碳剂、电解锰、铬铁、氮化铬铁和造渣剂等合金需进行高温烘烤，使用前采用高温200-300℃烘烤30min以上。（2）回炉料表面往往含有较多的泥沙和铸造涂料，废钢表面往往会有一定的铁锈和油污，这些材料进入钢液中会导致夹杂物增多，须对回炉料及废钢进行抛丸或清洗。以下实施例中造渣剂均为市售，不再赘述。

（3）脱氧

钢水熔清后采用钢水重量0.5-1.5%的铝钙合金进行第一次脱氧，铝钙熔点低、还原性强，可与钢水中溶解的氧原子反应形成氧化物，其密度远低于钢水，可以迅速上浮到钢液表面，形成氧化渣。从而达到降低钢液中氧含量的目的。使用钢水重量0.2-0.5%的硅钙稀土合金进行第二次脱氧，并起到对夹杂物改性的作用。

（4）精炼

在完成脱氧之后，将高纯度的氩气通过安装在坩埚底部的透气砖导入到钢液中，当氩气通过透气砖后形成无数分散度较高的上升气泡流，其中CO、H₂等钢水中溶解的有害气体会向气泡中扩散，并随气泡上浮，从而达到脱气的目的，同时在气泡上浮的过程中，会产生吸附和尾流两个现象，将钢液中的脱氧产物等夹杂物捕获，随气泡上浮至钢液表面，从而达到进一步去除夹杂物净化钢液的目的，实现钢水精炼。其中吹气压力需控制在0.2-0.8MPa，氩气流量2-6L/min，通气时间1h以上。

（5）浇注

完成上述步骤之后，将钢水表面夹杂物扒干净，测量成分达到配料组分要求，钢水温度达到1680-1720℃，转入浇注包进行浇注。

下述实施例按照上述方法制备，元素的配比见表1。

表1

No.	C	Si	Mn	P	S	Mo	N	Cr	Ni	Nb
											1	0.42	0.92	1.23	0.03	0.01	0.12	0.13	22.5	9.4	0.59
2	0.41	0.91	1.1	0.03	0.02	0.05	0.11	24.6	10.9	0.53
											3	0.43	0.88	1.35	0.02	0.01	0.08	0.17	21.3	8.9	0.81
4	0.44	0.94	1.24	0.03	0.01	0.13	0.15	21.1	9.8	1.29
											5	0.46	0.91	1.21	0.02	0.01	0.11	0.13	22.3	9.2	1.18
6	0.44	0.89	1.15	0.01	0.01	0.09	0.14	24.4	10.5	1.03
											7	0.43	0.83	1.2	0.03	0.01	0.07	0.15	21.2	13.1	0.85
8	0.41	1.02	1.3	0.03	0.01	0.16	0.12	22.8	9.5	1.1
											9	0.35	1.1	1.1	0.02	0.02	0.18	0.17	21.3	10.8	1.26
10	0.39	0.98	1.1	0.02	0.02	0.08	0.18	24.4	9.8	0.85

比较例。

比较例10组，元素的配比见表2，除配比不同之外，制备方法与实施例相同。

表2

No.	C	Si	Mn	P	S	Mo	N	Cr	Ni	Nb
											1	0.39	0.83	1.17	0.02	0.01	0.12	0.12	20.1	8.2	0.18
2	0.42	0.92	1.32	0.03	0.01	0.05	0.13	19.2	9.5	0.64
											3	0.38	1.05	1.5	0.03	0.02	0.08	0.13	18.2	8.3	0.98
4	0.41	0.82	1.26	0.02	0.01	0.13	0.18	20.2	8.3	1.46
											5	0.4	0.95	1.18	0.03	0.01	0.11	0.15	22.2	9.1	1.63
6	0.39	0.83	1.25	0.02	0.01	0.09	0.12	21.1	8.1	0.23
											7	0.42	0.84	1.26	0.03	0.02	0.12	0.12	24.7	9.2	0.35
8	0.42	0.84	1.26	0.01	0.01	0.13	0.14	24.3	10.8	1.93
											9	0.32	1.35	1.05	0.03	0.01	0.08	0.15	24.6	8.9	1.82
10	0.31	0.97	1.3	0.03	0.01	0.12	0.12	25.2	9.8	2.04

数据对比：

实施例1～5及比较例1～5；实施例的氧化速率均在0.8g/m².h以下，抗氧化性能优良。而比较例的氧化速率均在0.8g/m².h以上，抗氧化性相对较差。如图3所示，其中对比例4～5虽然Cr含量达到了1000℃抗氧化的水平，但由于Nb加入量过高，所形成的碳化物会割裂氧化膜并增加内应力导致氧化膜稳定性下降，如图1所示。

实施例6～8及比较例6～8；实施例在1000℃，40MPa应力下，其蠕变寿命均在50小时以上，而比较例不能达到这一指标。

实施例9～10及比较例9～10；σ相的金相对比结果表明，实施例在满足材料化学成分要求，且满足式（3）的要求时，未发现如图2中所示的孤岛状σ相，而比较例9～10不满足所述成分要求，因此均出现了σ相，如图4所示。

经过前期材料试验验证，将该材料应用于涡轮壳，并提供两件成品进行了进行发动机台架耐久试验。完成试验后，经拆解分析，涡壳未发生漏气、开裂等现象。采用本发明成分制造的涡轮壳，适用于涡轮增压发动机的应用环境。

以上，对抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢及其制备方法进行了较为详细的说明，但本发明不限于此。

除上述实施外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢，包括以下按重量百分比计的化学成分：C0.3～0.5%、Si 0.7～1.4%、Mn 1～2.5%、P≤0.04%、S≤0.03%、Cr 21～26%、Ni 8～11%、Nb0.5～1.3%、Mo≤0.3%、N 0.1～0.4%、其余为Fe及不可避免的杂质，并且满足下式（1）、（2）、（3），

29 ≤ Cr+Ni ≤ 37 （1）

Nb ≤ 0.087(Cr+Ni)-1.1 （2）

Cr+5.8Nb ≤ 2.25Ni+45C （3）。

2.根据权利要求1所述抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

第一步、配料，将所述化学成分按比例配料；

第二步、熔炼，将所述配料进行投料熔炼；

第三步、脱氧，钢水熔清后采用沉淀脱氧的方式，将钢水总重量的0.5-1.5%铝钙合金加入钢水中，形成的氧化铝和氧化钙浮于钢液表面，除掉钢水表面的氧化渣后，向钢水中加入钢水总重量0.2%-0.5%的硅钙稀土合金进行扩散脱氧;

第四步、精炼，在完成脱氧之后，将99.99%纯度的氩气通过安装在坩埚底部的透气砖导入到钢液中，吹气压力为0.2-0.8MPa，氩气流量2-6L/min，通气时间1h以上;

第五步、浇注，去除钢水表面杂物，测量成分符合组分要求，温度达到1680-1720℃，转入浇注包进行浇注。

3.根据权利要求2所述抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：所述第一步中，配料时依照合金成分及烧损量配备原材料，所需的主要材料包括增碳剂、回炉料与废钢、电解锰、硅铁、铬铁、电解镍、铌铁、氮化铬铁。

4.根据权利要求3所述抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：回炉废料加入比例≤70%，普通废钢和合金材料占比至少≥30%。

5.根据权利要求2所述抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：所述第二步中，熔炼时依次加入增碳剂、回炉料与废钢、电解锰、硅铁、造渣剂、铬铁、电解镍、铌铁、氮化铬铁、造渣剂。

6.根据权利要求5所述抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：所述增碳剂、电解锰、铬铁、氮化铬铁和造渣剂在熔炼前需进行200-300℃烘烤30min以上的预处理步骤。

7.根据权利要求2所述抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：所述第三步，在熔化完毕的钢水中，加入钢水总重量0.5-1.5%的铝钙合金，进行第一次脱氧；待沉淀脱氧完成后，去除钢水表面浮渣，向钢水中加入钢水总重量0.2-0.5%的硅钙稀土合金，进行第二次脱氧。

8.根据权利要求2所述抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：所得不锈钢的铸态组织无孤岛状σ相析出。

9.根据权利要求2所述抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：所得不锈钢在大气中、1000℃的条件下，氧化增重速率小于0.8g/m².h。

10.根据权利要求2所述抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：所得不锈钢在大气中、1000℃条件下，施加40MPa的持续应力，其蠕变寿命大于50h。

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