CN117448692B - 高锰低镍奥氏体耐热钢及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于奥氏体耐热钢材料冶金领域，涉及一种高锰低镍奥氏体耐热钢及其应用。该高锰低镍奥氏体耐热钢，包括以下质量百分比的各组分：C：0.35‑0.5%，Si：0.8‑2.0%，Mn：19‑21%，Cr：24‑27%，Ni：0.01‑2%，P：0.001‑0.04%，S≤0.04%，N：0.3‑0.4%，余量为铁及其他不可避免的杂质元素。本发明的有益效果在于：以Mn及N取代了10%左右的Ni，降低了原材料成本，通过控制C的加入量，消除了析出性氮气孔缺陷，通过镍当量的控制产生适当易切削相，使铸件加工成本降低。

Description

高锰低镍奥氏体耐热钢及其应用

技术领域

本发明属于奥氏体耐热钢材料冶金领域，涉及一种高锰低镍奥氏体耐热钢及其应用。

背景技术

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%，C约0.3%-0.5%，Nb约0.5%-2%。

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。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。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有利于降低成本，提高耐热钢产品市场竞争力。

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10-15倍，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。但是在实际生产中，氮的加入往往使铸件产生氮气孔缺陷，并且严重影响材料加工切削性能，碳在过量时也会形成碳化物从而增加加工刀具成本，造成生产综合成本上升，得不偿失。

发明内容

本发明的目的是提供一种高锰低镍奥氏体耐热钢及其应用。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高锰低镍奥氏体耐热钢，包括以下质量百分比的各组分：C：0.35-0.5%，Si：0.8-2.0%，Mn：19-21%，Cr：24-27%，Ni：0.01-2%，P：0.001-0.04%，S≤0.04%，N：0.3-0.4%，余量为铁及其他不可避免的杂质元素。

在本申请的一实施例中，所述高锰低镍奥氏体耐热钢在1000℃下抗拉强度>110MPa，屈服强度>70MPa，断后延伸率>30%。

相应的，本发明提供一种汽车发动机排气歧管，采用如上所述的高锰低镍奥氏体耐热钢制得。

相应的，本发明提供一种涡轮增压器壳体，采用如上所述的高锰低镍奥氏体耐热钢制得。

本发明的有益效果在于：以Mn及N取代了10%左右的Ni，降低了原材料成本；通过控制C的加入量，消除了析出性氮气孔缺陷；通过镍当量控制产生适量铁素体相，该相相比奥氏体相具有更高的热导率，更低的延伸率，且不存在加工硬化，使铸件加工成本降低。

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、权利要求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是对比例1.4837铬镍奥氏体耐热钢的金相照片；

图2是实施例6的高锰低镍奥氏体耐热钢的金相照片；

图3是C含量为0.39%未见析出性气孔的耐热钢的示意图；

图4是C含量为0.22%可见析出性气孔的耐热钢的示意图。

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。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。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有利于降低成本，提高耐热钢产品市场竞争力。

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10-15倍，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。但是在实际生产中，氮的加入往往使铸件产生氮气孔缺陷，并且严重影响材料加工切削性能，碳在过量时也会形成碳化物从而增加加工刀具成本，造成生产综合成本上升，得不偿失。

基于此，本发明的高锰低镍奥氏体耐热钢通过优化碳元素的加入范围，抑制了钢水凝固过程中产生的高温铁素体相的生成，降低了由于钢水发生包晶转变而产生的析出性氮气孔缺陷比例；精确控制镍当量，使得铸态下存在5-10%的铁素体相，以此作为易切削相使铸件加工成本低于普通铬镍奥氏体耐热钢；1000℃左右的抗氧化性及机械性能亦优于普通铬镍奥氏体耐热钢，其1000℃抗拉强度达到110-140MPa，屈服强度达到70-90MPa，热膨胀系数、持久性能、热导率均接近或优于1.4837铬镍奥氏体耐热钢。

本发明提供一种高锰低镍奥氏体耐热钢，包括以下质量百分比的各组分：C：0.35-0.5%，Si：0.8-2.0%，Mn：19-21%，Cr：24-27%，Ni：0.01-2%，P：0.001-0.04%，S≤0.04%，N：0.3-0.4%，余量为铁及其他不可避免的杂质元素。

本发明所述高锰低镍奥氏体耐热钢单铸试棒1000℃下抗拉强度>110MPa，屈服强度>70MPa，断后延伸率>30%。

本发明所述耐热钢应用于汽车发动机排气歧管及涡轮增压器壳体，抗氧化性与1.4837铬镍奥氏体耐热钢类似，工作温度上限为1050℃。

本发明所述耐热钢的各化学元素的设计原理如下：

C：在本发明所述高锰低镍奥氏体耐热钢中，C可与Cr、Nb、Mn、Fe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、Mn、Ni、Cr含量下，材料基体中含有5-10%（体积百分比）左右的铁素体相，该相的作用类似与耐热球铁中的石墨，由于该成分钢液凝固过程存在包晶转变，铁素体的位置是在奥氏体晶粒中心，其高温强度低于奥氏体基体、热导率高于奥氏体基体，且不存在加工硬化现象，可改善铸件的加工性能。参见图3和图4，C在小于0.35%时，随着C含量的降低，铸件析出性氮气孔比例显著增加，这与包晶转变过程中高温铁素体相极低的N溶解度有关。当C含量大于0.5%时，晶界碳化物的开始连成网状，1000℃以上拉伸强度、蠕变显著提高，但韧性及疲劳性能显著降低，同时加工性能严重恶化，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的质量百分比控制在0.35-0.5%。

Si：在本发明所述高锰低镍奥氏体耐热钢中，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。Si在>2.0%或<0.8%时钢水流动性大幅下降，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的质量百分比控制住0.8-2.0％。

Mn：在本发明所述高锰低镍奥氏体耐热钢中，Mn是主要的奥氏体形成元素。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，也可以显著降低钢水液相线从而降低浇注温度。本发明的目的是取代1.4837铬镍奥氏体耐热钢，需要保证镍当量不低于12%，考虑到2%-3%的Mn可以取代1%的Ni，且当Mn质量百分比大于21％时，反应性气孔缺陷显著增加，且常温脆性显著增加，所以将Mn的质量百分比控制住19-21％。

N：在本发明所述高锰低镍奥氏体耐热钢中，N是主要的奥氏体形成元素，固溶的N可以取代约10-15倍的Ni。同时N也可提高基体的抗点腐蚀性能。但N的质量百分比>0.45%时，加入>25%的Cr和>19%的Mn都无法抑制析出型氮气孔缺陷，同时加工性能恶化。基于此，在本发明所述的技术方案中，控制N的质量百分比在0.3-0.4％。

Ni：在本发明所述高锰低镍奥氏体耐热钢中，Ni是奥氏体形成元素，主要由原材料带人。Ni会降低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。在其余合金元素含量满足要求时，不加Ni，铸态组织中铁素体含量将超过10%。基于此，在本发明所述的技术方案中，控制Ni的质量百分比在0.01-2％。

根据本发明中各组分的含量制备高锰低镍奥氏体耐热钢的各实施例及对比例的参数见表1；制得的奥氏体耐热钢材料的性能汇总于表2。对比例为1.4837铬镍奥氏体耐热钢。

表1 各实施例及对比例中的各组分的含量表

表2各实施例及对比例制得的耐热钢的性能检测表

由上表及图1至图4可以看出，本发明的高锰低镍奥氏体耐热钢通过优化碳元素的加入范围，抑制了钢水凝固过程中产生的高温铁素体相的生成，降低了由于钢水发生包晶转变而产生的析出性氮气孔缺陷比例；精确控制镍当量，使得铸态下存在5-10%的铁素体相，以此作为易切削相使铸件加工成本低于普通铬镍奥氏体耐热钢；1000℃左右的抗氧化性及机械性能亦优于普通铬镍奥氏体耐热钢，其1000℃抗拉强度达到110-140MPa，屈服强度达到70-90MPa，热膨胀系数、持久性能、热导率均接近或优于1.4837铬镍奥氏体耐热钢。

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 (3)

1.一种高锰低镍奥氏体耐热钢，其特征在于，包括以下质量百分比的各组分：C：0.41-0.5%，Si：0.8-2.0%，Mn：19-21%，Cr：24-27%，Ni：0.01-2%，P：0.001-0.04%，S≤0.04%，N：0.3-0.4%，余量为铁及其他不可避免的杂质元素；所述高锰低镍奥氏体耐热钢在1000℃下抗拉强度>110MPa，屈服强度>70MPa，断后延伸率>30%。

2.一种汽车发动机排气歧管，其特征在于，采用如权利要求1所述的高锰低镍奥氏体耐热钢制得。

3.一种涡轮增压器壳体，其特征在于，采用如权利要求1所述的高锰低镍奥氏体耐热钢制得。