CN1274864C - 铁素体不锈钢及其在耐高温产品制造中的应用 - Google Patents
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Abstract
一种铁素体不锈钢，其含有如下化学元素(以重量百分数计)：Cr 14.0-20.0，Al 0.50-1.50，Zr 0.10-0.50，Si 0.30-1.50，Ti 0.10-0.35，Nb 0.25-0.55，C＜0.035，N＜0.035，并且，Ti，Nb，C和N的含量满足如下关系：%Ti+%Nb/1.94＞9(%C+%N)，以及，铁含量基本为100。该钢还可以含有重量百分数为0.10-0.30的钇和/或稀土元素。本发明还包括尤其是在车辆排放岐管系统中，可采用本发明的钢制造的产品。图(1)示出了在1000℃下对具有根据本发明钢的一个实施方案的组成的试样进行的循环氧化试验的结果。
Description
本发明涉及可用于耐高温产品制造中的铁素体不锈钢领域。
本发明的目标是一种铁素体不锈钢，该铁素体不锈钢通过其组成以及适当的热机械处理，适合用于制造具有良好高温性能的产品，尤其适合于制造车辆的排放岐管系统。
与奥氏体不锈钢相比，因其热膨胀系数较小，故在制造车辆排放系统部件时更优选铁素体不锈钢。在相关技术领域的发展中，采用铁素体不锈钢制造工作温度达750℃的车辆排放系统部件。在制造工作温度高于800℃的岐管时，长期以来一直优选铸铁，而不是铁素体不锈钢。但是，已证明采用前一种材料不令人满意，原因是会出现与重量增加、所必需的燃料消耗大以及因所制造的部件厚度大引起的设计困难等相关的缺点。
针对此具体应用，已尝试采用铁素体不锈钢取代铸铁，并且在减轻产品重量方面取得了相当进展。但是，当暴露在高温排放气体以及在氧化性条件下受到重复热冲击时，这种新型材料的性能不足，特别是会出现剥落。因此，上述局限性仍然有待克服。
因此，在这一特定领域，需要一种适合于制造岐管的铁素体不锈钢，该铁素体不锈钢具有不存在现有材料的缺点的性能。
事实上，本发明的目标是一种铁素体不锈钢，该钢具有如下元素(以重量百分数表示)：
-Cr 14.0-20.0
-Al 0.50-1.50
-Zr 0.10-0.50
-Si 0.30-1.50
-Ti 0.10-0.35
-Nb 0.25-0.55
-C ＜0.035
-N ＜0.035
并且，Ti，Nb，C和N的含量满足如下关系：
％Ti+％Nb/1.94＞9(％C+％N)
以及，足量的铁基本至100。
根据本发明的铁素体不锈钢也可以含有重量百分数为0.10-0.30的钇和/或稀土元素。
本发明还包括由根据本发明的钢制成的可焊接、可成型并且非常抗氧化和抗蠕变的带材或薄板。
本发明的又一个目标是一种制备所述带材或薄板的方法，其中，对根据本发明的钢采用如下步骤处理：
-热轧和/或冷轧；
-热轧和/或冷轧之后，在900-1200℃下退火，时间小于3600s；
-热轧和/或冷轧之后，任选进行酸洗。
本发明包括采用根据本发明的铁素体不锈钢制造扁坯、带材、铸锭、铸件、锻件或者半成品等形式的产品，以及采用所述不锈钢制造的扁坯、带材、铸锭、铸件、锻件以及半成品。
本发明还涉及采用根据本发明的钢带或薄板制备管路或者管路的衍生产品。
所制备的管路可以无焊缝的或者进行了焊接，甚至沿纵向进行了焊接。采用所述钢带或薄板制备的管路或者管路衍生的产品也是本发明的一个目标。
最后，本发明还涉及高温排放系统部件，特别是车辆排放岐管。
高温下，本发明的铁素体不锈钢通过化学元素如铬、铝、锆、硅、钛、铌、碳、氮，以及，任选钇和/或稀土元素的适当的协同作用，能够表现出所要求的特性，特别是抗热循环氧化性能。通过热轧和/或冷轧以及随后通过对所获得的薄板和/或带材进行退火处理(退火处理期间析出锆的碳氮化物)，以及，任选地随后进行酸洗处理，能够提高高温下要求的上述这些特性。
本发明人认为构成本发明合金的主要化学元素的作用如下。
铬：在所指定的重量百分数范围内，能够显著提高抗氧化性能，但又不会促进脆性相的形成。
硅和铝：稳定铁素体基体，并且能够提高抗热氧化性能。当使用含量高于前述上限的这些元素时，会形成金属间相并且增大制造问题，因此，对钢质量有害。
锆：形成稳定的碳氮化物，这种化合物的存在对冷轧件退火期间显微组织的演变有影响。
钛和铌：形成稳定的碳化物和氮化物，并且，抑制铬的氮化物和碳化物在晶粒边缘析出，以及抑制在上述化合物附近的基体中发生伴随脱铬(敏化)，从而进一步促进在所有温度下都存在完全的铁素体结构，原因是降低了碳和氮的溶解量。
钇和/或稀土元素：由于能够增加氧化物与金属基体的结合性，所以，提高了存在热和机械冲击时的抗热氧化性能。
至此，对本发明进行了一般性描述。此后，借助附图和实施例，对本发明的具体实施方案进行更详细介绍，其目的在于使本发明的目标、特征、优点以及应用方式变得更为明显。
图1示出了奥氏体和铁素体钢试样单位表面重量变化情况，以便确定现有技术水平的已知钢是否能够提供最佳的抗热循环氧化性能，为此目的，在等于1000℃的温度下依照循环次数实施循环氧化试验。
图2示出了具有现有AISI 441钢组成的试样单位表面重量变化情况，以便确定该钢是否能够提供最佳的抗热循环氧化性能。为此目的，在等于1000℃的温度下依照循环次数实施循环氧化试验。
图3示出了根据本发明的钢试样单位表面重量变化情况。为此目的，在等于1000℃的温度下依照循环次数实施循环氧化试验。
实施例1
为了评价位于车辆排放系统高温部位的钢组件在苛刻工作条件下的抗热循环性能，对这些组件进行了热循环氧化抗力试验。
对已知钢在各种温度下进行热循环氧化抗力试验，以便确定能够更好地满足热循环抗力要求的已知钢类型。
采用了标准的实验步骤，其中包括25min加热/炉内保温以及5min的自然空冷循环。
在1000℃的工作温度下分别对铁素体不锈钢441，436，429和奥氏体钢321，309，310，4828进行了试验。
图1示出了不同循环次数下，上述各种钢单位表面重量变化情况。
显然，奥氏体钢性能较差，其由于剥落，失重迅速增加。特别是，钢321非常不稳定，其在极短时间内就会失效。
相反，铁素体钢的结果更为令人满意，因为在所有氧化循环期间重量都几乎保持不变。
特别是，钢441的重量稍有增加。至于钢436和429，试验之后，它们的重量稍有下降。由于在各种已知钢中，钢441容易提供最佳性能，因此，采用该钢与根据本发明的钢进行比较。
所制备的传统AISI 441钢具有如下组成(以重量百分数表示)：C0.016；Cr 18.18；Si 0.60；Al 0.09；Nb 0.42；Ti 0.18；Mn 0.18；Cu0.08；N 0.012，以及足量铁至100。
根据该组成，获得了一种扁坯形式的平面产品，将其加热至1150℃，并且，通过随后进行热轧获得5mm厚的带材，之后，在1050℃下退火1min。
酸洗之后，将该热轧带材冷轧至1.5mm厚，然后，在1080℃温度下退火40秒。
分别在1000℃和1050℃下采用1000次循环试验测试所获得的带材的抗循环氧化性能，每次循环包括25min的加热/炉内保温以及5min空冷。实验结果如图2所示。
对同样的热轧并随后冷轧的带材在1000℃下进行100小时的SAG试验，以评价其蠕变抗力。将试样端部悬挂起来并暴露在炉内后，通过测量试样的永久变形(deflection)获得SAG试验结果。
端部试验测量结果表明永久变形大于40mm，远远超过现有技术普遍接受的18mm的极限值。
实施例2
制备出根据本发明的一种钢，其具有如下组成(以重量百分数表示)：Cr 17.68；Al 0.94；Zr 0.15；Si 1.16；Ti 0.21；Nb 0.40；C 0.022；N 0.013，以及，足量铁基本至100。
采用铸造方法将钢铸造成具有薄厚度的扁坯，其厚度典型地为50-90mm，本实施例中等于60mm。将根据上述公开的组成获得的扁坯加热至1150℃，并且随后进行热轧，制备出厚度为5mm的带材。
在1050℃下对所获得的带材退火1min。
酸洗之后，将该热轧带材冷轧至1.5mm厚，然后，在1080℃温度下退火40秒。
分别在1000℃和1050℃下采用1000次循环试验测试所获得的带材的抗循环氧化性能，每次循环包括25min的加热/炉内保温以及5min空冷。实验结果如图2所示。
对同样的热轧并随后冷轧的带材在1000℃下进行100小时的SAG试验，以评价其蠕变抗力。
将试样端部悬挂起来并暴露在炉内之后，通过测量试样的永久变形值获得SAG试验结果，该值为11mm。
因此，显然，根据本发明的钢低于现有技术普遍接受的18mm的变形极限值。
实施例3
制备出根据本发明的一种钢，其具有如下组成(以重量百分数表示)：Cr 18；Al 0.94；Zr 0.15；Si 0.95；Ti 0.18；Nb 0.44；C 0.015；N0.013，还含有钇和0.20％b/w的稀土元素，以及，足量铁基本至100。
采用传统铸造方法将钢铸造成扁坯。首先将扁坯加热至1150℃，然后，通过随后进行热轧，制备出厚度为5mm的带材。
在1050℃下对所获得的带材退火1min。
酸洗之后，将该热轧带材冷轧至1.5mm厚，然后，在1080℃温度下退火40秒。
分别在1000℃和1050℃下采用1000次循环试验测试所获得的带材的抗循环氧化性能，每次循环包括25min的加热/炉内保温以及5min空冷。实验结果与图3所示基本相当。
对同样的热轧并随后冷轧的带材在1000℃下进行100小时的SAG试验，以评价其蠕变抗力。试验后的测量结果表明：永久变形值为约13mm，低于现有技术普遍接受的18mm的变形极限值。
Claims (13)
1.一种铁素体不锈钢，其特征在于：该钢含有如下化学元素以重量百分数计：
-Cr 14.0-20.0
-Al 0.50-1.50
-Zr 0.10-0.50
-Si 0.30-1.50
-Ti 0.10-0.35
-Nb 0.25-0.55
-C ＜0.035
-N ＜0.035
并且，Ti，Nb，C和N的含量满足如下关系：
％Ti+％Nb/1.94＞9(％C+％N)
以及，足量铁含量基本平衡至100。
2.根据权利要求1的铁素体不锈钢，其含有重量百分数为0.10-0.30的稀土元素。
3.根据权利要求2的铁素体不锈钢，其中所述稀土元素是钇。
4.一种钢带或薄板，其特征在于：它们由根据权利要求1-3中任一项的钢制成。
5.一种制备根据权利要求4的钢带或薄板的方法，其特征在于：对根据权利要求1-3中任一项的钢采取如下步骤：
-热轧和/或冷轧；
-热轧和/或冷轧之后，在900-1200℃下退火，时间小于3600秒；
-热轧和/或冷轧之后，任选进行酸洗。
6.根据权利要求1-3中任一项的铁素体不锈钢在扁坯、带材、铸锭、铸件、锻件或者半成品形式的产品制造中的应用。
7.扁坯、带材、铸锭、铸件、锻件或半成品，其特征在于：它们均由根据权利要求1-3中任一项的钢制成。
8.根据权利要求4的钢带或薄板在管路或者管路衍生产品制造中的应用。
9.根据权利要求8的钢带或薄板的应用，所述钢带或薄板用于无焊缝管路或者焊接管路的制造。
10.根据权利要求8的钢带或薄板的应用，其中所述管路是沿纵向焊接的管路。
11.管路或管路衍生产品，其特征在于：它们均采用根据权利要求4的钢带或薄板制成。
12.根据权利要求11的管路衍生产品，其作为高温排放系统的部件。
13.根据权利要求12的产品，其作为车辆排放系统的岐管。
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