CN115011879B - 一种奥氏体耐热钢及其热处理方法 - Google Patents

一种奥氏体耐热钢及其热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种奥氏体耐热钢及其热处理方法，由以下摩尔百分比的组分组成：Al 8‑12at％、Cr 10‑12at％、Fe 50‑56at％、Ni 22‑26at％、Mo 0‑2at％、Ti 0‑3at％、Cu 0‑1at％、W 0‑2at％、Nb 0‑1at％、Si 0‑2at％、V 0‑2at％、Mn 0‑0.01at％、Zr 0‑0.02at％、B 0‑0.04at％、C 0‑0.01at％；2≤Ni/Al≤3；本发明以提高Al含量为切入点，设计高Al的奥氏体耐热钢，以实现其在700℃具有高强度的综合力学性能。

Description

一种奥氏体耐热钢及其热处理方法
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种奥氏体耐热钢及其热处理方法。
背景技术
随着现代工业技术的发展，人们对于钢的性能有了越来越高的要求，其中，在高温环境下使用的钢更是在民用和国防工业中承担着不可替代的作用。高温环境下，除了要求钢有良好的综合力学性能外，对于钢的抗氧化性也有一定的要求。
目前研究较多的是含Al奥氏体不锈钢，该类奥氏体不锈钢，其含Cr量较高，而含Al量少，例如专利CN 110230004 B，一种含铝奥氏体耐热钢及其制备方法，其公开的成分中Cr含量为13-23％，Al含量为1-5％；专利一种高温抗氧化奥氏体耐热钢及其制备工艺CN108642373 A，其公开的成分中，Cr含量为18-23％，Al含量为0.5-2％；专利一种低成本高铝耐热钢及其制备方法CN 110938781 B，其公开的成分中，Cr含量为22.6-24.2％，Al含量为6.61-9.6％；专利Cr-Ni系抗高温氧化奥氏体耐热钢棒材及其制备方法CN 102383050 A，其公开的成分中，Cr含量为22-32％，Al含量为0.5-1.5％；
上述专利缺点：Al仍较低，高温下氧化膜的主要成分为Cr2O3，在温度高于650℃的蒸汽环境中氧化层容易以Cr2O2(OH)2的形式挥发，造成氧化膜剥离，合金的耐腐蚀性能下降；为了保证较好的抗腐蚀和耐热性能，合金中含有较高的Cr，在已经公开的钢组成中，Al含量若进一步升高，则会使得合金中出现较多的BCC相和σ相，对合金的综合性能不佳，且不利于高温下氧化膜的稳定性；并且上述钢中均含有较高C元素，易形成碳化物析出，但碳化物的形态和分布不良易引起材料脆性，影响了强化效果，缺乏有效的强化相，钢材料的高温强度低。
发明内容
为了解决上述技术问题，提高含Al奥氏体不锈钢的高温性能，本发明提供了一种奥氏体耐热钢及其热处理方法，降低Cr含量，提高Al含量，使得合金的氧化膜为Al与Cr形成的复合氧化膜，提高了高温环境下氧化膜的稳定性，进而提高合金的抗氧化性能；调控合适的Ni/Al比(2≤Ni/Al≤3)，使合金中析出一定体积分数的B2相，这种相在750℃以下具有很好的强化效果，弥补了Cr含量降低造成的合金高温性能损失，同时也提高了合金的高温强度。
本发明具体是通过如下技术方案来实现的。
本发明提供了一种奥氏体耐热钢，由以下摩尔百分比的组分组成：
Al：8-12at％、Cr：10-12at％、Fe：50-56at％、Ni：22-26at％、Mo：0-2at％、Ti：0-3at％、Cu：0-1at％、W：0-2at％、Nb：0-1at％、Si：0-2at％、V：0-2at％、Mn：0-0.01at％、Zr：0-0.02at％、B：0-0.04at％、C：0-0.01at％；2≤Ni/Al≤3。
优选的，由以下摩尔百分比的组分组成：
Al：9-11at％、Cr：10-11at％、Fe：52-54at％、Ni：24-26at％、Mo：0-1at％、Ti：0-2at％、Cu：0-1at％、W：0-1at％、Nb：0-1at％、Si：0-1at％、V：0-1at％、Mn：0-0.005at％、Zr：0.01-0.02at％、B：0.02-0.04at％、C：0-0.005at％；2.4≤Ni/Al≤3。
本发明还提供了上述奥氏体耐热钢的制备方法，按照以下步骤进行：
S1、按元素摩尔百分比将合金组分中的各元素配料，制备获得铸态的合金锭；
S2、将S1合金锭于1100-1200℃保温，之后进行淬火，获得均匀化热处理的合金锭；
S3、将S2均匀化热处理的合金锭施加40％-50％变形量后，于1100-1200℃保温，之后进行淬火，获得第一次再结晶的合金锭；
S4、将S3第一次再结晶的合金锭再施加50％-60％变形量后，于1100-1200℃保温，随后进行淬火，获得第二次再结晶的合金锭；
S5、将S4第二次再结晶的合金锭于680-730℃保温，随后进行淬火，获得最终的铁基合金。
优选的，S2中，保温5-6h。
优选的，S3中，保温20-30min。
优选的，S4中，保温20-30min。
优选的，S5中，保温7-9h。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明所提供的含Al奥氏体耐热钢中包含多种合金元素成分，其中以Al、Cr、Ni为主要合金化元素。Al元素和Cr含量分别达到8-12at％摩尔百分比和10-12at％摩尔百分比以上时，与背景技术中现有技术相比，Al元素含量增加，使得合金具有良好的耐腐蚀和抗氧化性能，其主要原因归功于Al与Cr形成的复合氧化膜，该氧化膜具有致密性高，连续性好，附着力强，生长速率低等优点，是合金保护性氧化膜的理想选择，因此Al和Cr均需要达到一定的含量。需要注意的是，本发明中Cr含量低于目前其他发明，这是由于Cr含量较高时容易沉淀出对合金力学性能有害的脆性σ相，因此本发明降低了Cr含量而提高了Al含量，提高了合金性能的同时还降低了合金的密度。
本发明的另一个显著特点是较高的Al含量和对于Ni/Al比的强调，目前，其他含Al的耐热钢中Al的添加量很少，这是由于其他耐热钢中Al含量过多会引入对合金力学性能有害的BCC相，而在本发明中，Al的添加一方面增加了合金的抗氧化性能，另一方面，通过调控合适的Ni/Al比(2≤Ni/Al≤3)，可以使合金中析出一定体积分数的B2相，这种相在750℃以下具有很好的强化效果，因此是提高耐热钢使用温度的理想强化相。本发明要求合金中含有一定量的Ni，且要求了Ni/Al比，这是由于Ni是强力的奥氏体稳定化元素，能够使合金保留一定体积分数的FCC相，同时，Ni与Al能够形成一定量的B2相，使得合金的高温强度得到明显的提升。
除了上述主要元素外，本发明所提出的合金还具有其他合金化元素，分别起到不同的作用：
少量加入的Ti元素是为了在时效处理中析出γ’相，进一步提高合金的高温强度，而现有技术中Ti是作为碳化物形成元素而加入的，为了形成TiC起到强化作用，与本发明Ti元素的作用完全不同；加Cu则可以促进合金中γ’沉淀相的析出；与现有技术相比，本发明不以碳化物作为主要强化手段，而是限制了C含量，使得Mo、W、Nb作为固溶强化元素添加到合金中，避免了复杂碳化物的析出，从而避免了合金因为碳化物的形态和分布不良而引起的脆性，提高了合金的延伸率。Zr和B的加入则是起到了强化晶界的作用，同时能够抑制合金元素的偏析。与已有技术相比，本方案中不含碳化物，而是以B2相和γ’相作为室温和高温下主要的强化相。同时，V元素的添加也具有延迟断裂的效果，提高了合金的综合力学性能。
附图说明
图1实施例1与对比例1和对比例2的700℃拉伸力学性能对比；
图2实施例2的700℃拉伸力学性能；
图3实施例2的二次电子显微组织。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下述各实施例中所述实验方法和检测方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。
现有技术中的含Al奥氏体不锈钢，其含Cr量较高，而含Al量少，缺点如下：Al较低，高温下氧化膜的主要成分为Cr2O3，在温度高于650℃的蒸汽环境中氧化层容易以Cr2O2(OH)2的形式挥发，造成氧化膜剥离，合金的耐腐蚀性能下降；为了保证较好的抗腐蚀和耐热性能，合金中含有较高的Cr，在已经公开的钢组成中，Al含量若进一步升高，则会使得合金中出现较多的BCC相和σ相，对合金的综合性能不佳，且不利于高温下氧化膜的稳定性；并且上述钢中均含有C元素，易形成碳化物析出，但碳化物的形态和分布不良易引起材料脆性，影响了强化效果，缺乏有效的强化相，钢材料的高温强度低。
为了提高含Al奥氏体不锈钢的高温性能，本发明的思路是：首先降低Cr含量，提高Al含量，使得合金的氧化膜为Al与Cr形成的复合氧化膜，提高了高温环境下氧化膜的稳定性，进而提高合金的耐腐蚀性能；之后调控合适的Ni/Al比(2≤Ni/Al≤3)，使合金中析出一定体积分数的B2相，这种相在750℃以下具有很好的强化效果，弥补了Cr含量降低造成的合金高温性能损失，同时也提高了合金的高温强度；另外，限制了C含量，不以碳化物作为主要强化手段，使得Mo、W、Nb作为固溶强化元素添加到合金中，避免了复杂碳化物的析出，从而避免了合金因为碳化物的形态和分布不良而引起的脆性，提高了合金的延伸率，Zr和B的加入则是起到了强化晶界的作用，同时能够抑制合金元素的偏析，与已有技术相比，本方案中不含碳化物，而是以B2相和γ’相作为室温和高温下主要的强化相。同时，V元素的添加也具有延迟断裂的效果，提高了合金的综合力学性能。
下面通过以下实施例和对比例进行详细说明。
实施例1
一种奥氏体耐热钢，由以下摩尔百分比的组分组成：
Al：8at％，Cr：10at％，Fe：55.96at％，Ni：24at％，Mo：1at％，Ti：1at％，Zr：0.02at％，B：0.02at％；Ni/Al＝3；
将上述奥氏体耐热钢按照以下步骤制备：
1.按元素摩尔百分比将合金组分中的各个元素配料，制备获得铸态的合金锭；
2.将上述合金锭于1200℃保温5小时，随后进行淬火，获得均匀化热处理的合金锭
3.将均匀化热处理的合金锭施加50％变形量后，于1200℃保温20分钟，随后进行淬火，获得第一次再结晶的合金锭；
4.将第一次再结晶的合金锭再施加50％变形量后，于1200℃保温20分钟，随后进行淬火，获得第二次再结晶的合金锭；
5.将第二次再结晶的合金锭于700℃保温8小时，随后进行淬火，获得最终的奥氏体耐热钢。
对比例1
Al：8at％，Cr：10at％，Fe：53.96at％，Ni：26at％，Mo：1at％，Ti：1at％，Zr：0.02at％，B：0.02at％；Ni/Al＝3.3；
制备方法同实施例1。
对比例2
Al：12at％，Cr：10at％，Fe：53.96at％，Ni：22at％，Mo：1at％，Ti：1at％，Zr：0.02at％，B：0.02at％；Ni/Al＝1.8；
制备方法同实施例1。
实施例1与对比例1和对比例2的700℃拉伸力学性能对比如图1所示：实施例1在700℃下进行拉伸测试，其屈服强度和抗拉强度分别为562MPa和572MPa。对比例1在700℃下进行拉伸测试，其屈服强度和抗拉强度分别为350MPa和433MPa。对比例2在700℃下进行拉伸测试，其屈服强度和抗拉强度分别为386MPa和456MPa。
此对比例说明Al和Ni含量的重要性。本发明需要对Ni/Al比进行控制，实施例1中Ni/Al＝3，此实施例下，可以使合金中析出一定体积分数的B2相，这种相在750℃以下具有很好的强化效果，因此是提高耐热钢使用温度的理想强化相；本发明要求合金中含有一定量的Ni，且要求了Ni/Al比，这是由于Ni是强力的奥氏体稳定化元素，能够使合金保留一定体积分数的FCC相，同时，Ni与Al能够形成一定量的B2相，使得合金的高温强度得到明显的提升。对比例1中Al含量较低，使得Ni/Al＝3.4>3，合金中B2相的体积分数明显减少，强度下降；对比例2中提高Al含量的同时降低了Ni的含量，使得Ni/Al＝1.8<2，此时奥氏体稳定化元素Ni的减少使得合金中FCC相的体积分数减少，同时Al含量的升高使得B2相的体积分数增加，合金的脆性明显增加。
实施例2
一种奥氏体耐热钢，由以下摩尔百分比的组分组成：
Al：10at％，Cr：10at％，Fe：50.98at％，Ni：25at％，Cu：1at％，W：1at％，Nb：1at％，Si：0.5at％，V：0.5at％，Mn：0.01at％，C：0.01at％；Ni/Al＝2.5；
将上述合金成分按照以下步骤制备：
1.按元素摩尔百分比将合金组分中的各个元素配料，制备获得铸态的合金锭；
2.将上述合金锭于1200℃保温6小时，随后进行淬火，获得均匀化热处理的合金锭
3.将均匀化热处理的合金锭施加50％变形量后，于1200℃保温25分钟，随后进行淬火，获得第一次再结晶的合金锭；
4.将第一次再结晶的合金锭再施加60％变形量后，于1100℃保温30分钟，随后进行淬火，获得第二次再结晶的合金锭；
5.将第二次再结晶的合金锭于730℃保温7小时，随后进行淬火，获得最终的奥氏体耐热钢。
实施例2所得合金的700℃拉伸力学性能如图2所示：实施例2在700℃下进行拉伸测试，其屈服强度和抗拉强度分别为626MPa和627MPa。实施例2的二次电子显微组织如图3所示，可见FCC相、B2相和γ’相。
实施例3-8
奥氏体耐热钢样品按照以下步骤制备：
1.按元素摩尔百分比将合金组分中的各个元素配料，制备获得铸态的合金锭；
2.将上述合金锭于1100℃保温6小时，随后进行淬火，获得均匀化热处理的合金锭
3.将均匀化热处理的合金锭施加40％变形量后，于1100℃保温30分钟，随后进行淬火，获得第一次再结晶的合金锭；
4.将第一次再结晶的合金锭再施加60％变形量后，于1100℃保温25分钟，随后进行淬火，获得第二次再结晶的合金锭；
5.将第二次再结晶的合金锭于680℃保温9小时，随后进行淬火，获得最终的奥氏体耐热钢。
实施例3-8的成分及700℃拉伸力学性能如表1所示。
表1实施例3-8奥氏体耐热钢成分及700℃拉伸力学性能数据
实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 实施例7 实施例8
Al(at.％) 11 9 8 12 8 8
Cr(at.％) 12 11 10 10 10 10
Fe(at.％) 50 50 51.94 51.97 55.93 53.96
Ni(at.t％) 22 22 22 26 22 23
Mo(at.％) 2 0 1 0 1 0
Ti(at.％) 3 2 2 0 0 1
Cu(at.％) 0 0 1 0 0 1
W(at.％) 0 2 1 0 1 1
Nb(at.％) 0 0 1 0 1 1
Si(at.％) 0 2 1 0 0 0
V(at.％) 0 2 1 0 1 1
Mn(at.％) 0 0 0.005 0 0 0
Zr(at.％) 0 0 0.01 0.01 0.02 0.01
B(at.％) 0 0 0.04 0.02 0.04 0.03
C(at.％) 0 0 0.005 0 0.01 0
Ni/Al 2 2.4 2.8 2.2 2.8 2.9
700℃屈服强度(MPa) 582 597 637 577 612 608
700℃抗拉强度(MPa) 588 599 638 578 618 610
由表1记载可得，本发明提供的奥氏体耐热钢，Al元素和Cr含量分别为8-12at％摩尔百分比和10-12at％摩尔百分比，Cr含量低于现有技术中的含量，Al元素远高于现有技术中的含量，其目的在于，降低Cr含量，提高Al含量，使得合金的氧化膜为Al与Cr形成的复合氧化膜，提高了高温环境下氧化膜的稳定性，进而提高合金的耐腐蚀性能；调控合适的Ni/Al比(2≤Ni/Al≤3)，使合金中析出一定体积分数的B2相，这种相在750℃以下具有很好的强化效果，弥补了Cr含量降低造成的合金高温性能损失，同时也提高了合金的高温强度。
另外，由上述表1可见，本发明中C含量可以为0，最高为0.01at％，说明本发明不以碳化物作为主要强化手段，而是限制了C含量，使得Mo、W、Nb作为固溶强化元素添加到合金中，避免了复杂碳化物的析出，从而避免了合金因为碳化物的形态和分布不良而引起的脆性，Zr和B的加入则是起到了强化晶界的作用，同时能够抑制合金元素的偏析。与已有技术相比，本方案中不含碳化物，而是以B2相和γ’相作为室温和高温下主要的强化相。同时，V元素的添加也具有延迟断裂的效果，提高了合金的综合力学性能。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种奥氏体耐热钢，其特征在于，由以下摩尔百分比的组分组成：
Al：11-12at%、Cr：10at%、Fe：53.96-56at%、Ni：25-26at%、Mo：0-2at%、Ti：0-3at%、Cu：0-1at%、W：0-2at%、Nb：0-1at%、Si：0-2at%、V：0-2at%、Mn：0-0.01at%、Zr：0-0.02at%、B：0.02-0.04at%、C：0-0.01at%；2≤Ni/Al≤2.2；
所述奥氏体耐热钢的热处理方法，按照以下步骤进行：
S1、按元素摩尔百分比将合金组分中的各元素配料，制备获得铸态的合金锭；
S2、将S1合金锭于1100-1200℃保温，之后进行淬火，获得均匀化热处理的合金锭；
S3、将S2均匀化热处理的合金锭施加40%-50%变形量后，于1100-1200℃保温，之后进行淬火，获得第一次再结晶的合金锭；
S4、将S3第一次再结晶的合金锭再施加50%-60%变形量后，于1100-1200℃保温，随后进行淬火，获得第二次再结晶的合金锭；
S5、将S4第二次再结晶的合金锭于680-730℃保温，随后进行淬火，获得最终的奥氏体耐热钢。
2.根据权利要求1所述的奥氏体耐热钢的热处理方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
S1、按元素摩尔百分比将合金组分中的各元素配料，制备获得铸态的合金锭；
S2、将S1合金锭于1100-1200℃保温，之后进行淬火，获得均匀化热处理的合金锭；
S3、将S2均匀化热处理的合金锭施加40%-50%变形量后，于1100-1200℃保温，之后进行淬火，获得第一次再结晶的合金锭；
S4、将S3第一次再结晶的合金锭再施加50%-60%变形量后，于1100-1200℃保温，随后进行淬火，获得第二次再结晶的合金锭；
S5、将S4第二次再结晶的合金锭于680-730℃保温，随后进行淬火，获得最终的奥氏体耐热钢。
3.根据权利要求2所述的奥氏体耐热钢的热处理方法，其特征在于，S2中，保温5-6h。
4.根据权利要求2所述的奥氏体耐热钢的热处理方法，其特征在于，S3中，保温20-30min。
5.根据权利要求2所述的奥氏体耐热钢的热处理方法，其特征在于，S4中，保温20-30min。
6.根据权利要求2所述的奥氏体耐热钢的热处理方法，其特征在于，S5中，保温7-9h。
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