CN102383050A - Cr-Ni系抗高温氧化奥氏体耐热钢棒材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种Cr-Ni系抗高温氧化奥氏体耐热钢棒材及其制备方法，属于耐热钢棒材技术领域。C：0.08～0.18％，Si：0.2～1.20％，Mn：0.50～1.50％，P≤0.030％，S≤0.020％，Cr：22.0～32.0％，Ni：12.0～18.0％，Mo：0.3～1.0％，N：0.08～0.32％，Al：0.5～1.5％，(La+Ce)：0.005～0.05％，其中氧含量不大于40ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。工艺包括真空冶炼、锻造；在工艺中控制如下技术参数：钢锭开坯温度1150～1170℃，开锻温度1130～1150℃，终锻温度：900～930℃，锻后空冷。优点在于，夹杂物少、强度高、抗氧化性能好。

Description

Cr-Ni系抗高温氧化奥氏体耐热钢棒材及其制备方法

技术领域

本发明属于耐热钢棒材技术领域，特别是涉及一种Cr-Ni系抗高温氧化奥氏体耐热钢棒材及其制备方法，适用于冶金、机械、化工等领域。

背景技术

在现有技术中，耐热钢经常被用来制造电站、锅炉、燃气轮机、内燃机、航空发动机等重要零件。为了满足各种部件在较高温度下工作的需要，国际以及国内发展了一系列的用于高温下工作的耐热钢及合金。这些耐热钢按照组织可以分为珠光体型耐热钢、马氏体型耐热钢、奥氏体型耐热钢、铁素体型耐热钢以及沉淀硬化型耐热钢。珠光体型耐热钢通常属于低合金耐热钢，工作温度一般可达600～620℃；马氏体型耐热钢以12％Cr型为主，主要用于制造汽轮机叶片、转子等部件，工作温度为550～650℃；铁素体型耐热钢中含Cr量通常超过12％，但由于其综合性能较差，所以其应用受到限制；沉淀硬化型耐热钢以17-4PH和15-5PH为代表，这类钢在540～650℃范围内具有较高的热强性和足够的抗氧化性。

奥氏体型耐热钢是耐热钢中的重要一类，由于其工作温度高，在较高温度下具有较高的热强性和优异的抗氧化性而越来越受得人们的重视。这类耐热钢的代表钢种是含Cr量高于8％的Cr-Ni系奥氏体耐热钢，如18Cr-8Ni、25Cr-20Ni等。一般制作用于600℃以上承受较高应力的部件，其抗氧化性可达850～1250℃，是耐热钢中抗氧化性最高的一类耐热钢。0Cr25Ni20(美国牌号AISI 310S)由于合金含量高，尤其是Cr含量高达25％，从而在这类钢种具有优异的抗氧化性能。在上世纪九十年代日本人发明了NAR-AH4耐热钢，是以310S为基础，在钢中添加了N元素，降低了Ni含量，从而达到了与310S相近的抗氧化性能，后者在1000～1100℃具有良好的抗氧化性能。

钢材棒材的成型工艺常用的有锻造或者轧制，锻造是通过锻锤或者快锻机对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能，一定形状和尺寸工件的加工方法，轧制是将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙(各种形状)，因受轧辊的压缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法，通过轧制可以实现高效、快速的生产。无论热锻还是热轧温度对钢材的性能以及成材率影响都是至关重要的。温度过高，钢材内部组织粗大，晶界弱化，容易造成废品和性能不合，温度过低则造成抗力过大，钢材易出现裂纹而报废，因此在热加工过程中选择合适的开锻和终锻温度非常重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Cr-Ni系抗高温氧化奥氏体耐热钢棒材及其制备方法，获得了具有高纯净度、高强度、良好抗氧化性的耐热钢热锻棒材。

本发明的奥氏体耐热钢棒材的化学成分重量百分比为：C：0.08～0.18％，Si：0.2～1.2％，Mn：0.50～1.50％，P≤0.030％，S≤0.020％，Cr：22.0～32.0％，Ni：12.0～18.0％，Mo：0.3～1.0％，N：0.08～0.32％，Al：0.5～1.5％，(La+Ce)：0.005～0.05％，其中氧含量不大于40ppm(即≤0.004％)。余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明的工艺包括真空冶炼、锻造；在工艺中控制如下技术参数：

钢锭开坯温度1160℃±10℃，开锻温度1140±10℃，终锻温度为900～930℃，锻后空冷。锻造后的棒材具有良好的热强性和抗氧化性能。

本发明的关键在于：通过钢中合金元素的合理优化以及气体元素的合理控制，得到了高热强性、高抗氧化性与夹杂物少的高性能耐热钢。同时，通过选择合适的热加工参数，生产出了符合要求的热锻棒材。

耐热钢中的合金元素非常重要，每种合金元素都有着各自的作用，如钢中的C，C在合金中与碳化物形成元素Ti、V、Cr、Fe都可以形成碳化物使钢的强度有所提高，尤其是奥氏体耐热钢，在冷却过程中组织中没有相变，强化方式除了固溶强化外还有碳化物强化，所以C含量对钢的强度和塑性影响很大。C含量低，强度不足，C含量过高，塑性不足并且焊接性能不好；Si是耐热钢中抗高温腐蚀的有益元素，高温下，在含Si的耐热钢表面会形成一层保护性好的SiO₂膜。当钢中含Si量达到1％时就有明显的抗氧化效果；Mn是钢中良好的脱氧剂和脱硫剂，Mn和Fe形成固溶体能够提高奥氏体的硬度和强度；Cr是耐热钢中重要的合金元素，钢中含有超过12％的Cr就会使钢具有良好的耐腐蚀性能。钢中的Cr在高温氧化过程中会与氧发生反应，在钢材的表面生成致密的Cr₂O₃薄膜，阻止氧与基体的进一步反应，起到了抗氧化的作用，因此耐热钢中的Cr含量不宜太低，本发明中Cr含量为22～32％；Ni在奥氏体耐热钢中起着调整相组成以及固溶强化的作用，在高Cr的耐热钢中为了保证得到奥氏体组织，Ni含量也要相应的提高；Mo也是耐热钢中重要的一种元素，最早的耐热钢就是在普通结构钢中加入了Mo元素才具有了一定的热强性。含Mo钢的加入使得耐热钢在高温状态下Mo向碳化物迁移，会进一步提高钢的热强性；N是强奥氏体形成元素，其作用与C类似，钢中加入一定量的N，可以提高钢的强度，同时可以降低Ni含量，起到节Ni的作用；Al也是耐热钢中抗氧化的重要合金元素，含Al的耐热钢在其表面能形成一层保护性良好的Al₂O₃膜，起到良好的抗氧化作用，但钢中Al含量过高，会使钢难于塑性加工和焊接；稀土元素(La+Ce)的氧化物对基体金属有“钉扎”作用，可以增加基体金属与氧化膜之间的附着力。同时，稀土元素也是钢中良好的脱硫去气剂，可以清除其他的有害杂质，可以改善钢中夹杂物的形状和分布状态，从而改善和提高钢的质量和耐热性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

通过对耐热钢中各元素的合理优化与搭配，以及热加工参数的合理选择，加工出的棒材夹杂物少、高纯净度；强度高、抗氧化性能好。

具体实施方式

下面结合一个典型实施例对本发明作进一步说明。

本实施例中，采用的新型奥氏体耐热钢的具体成分如表1所示。具体的工艺流程为：选用精料，采用真空感应炉冶炼，冶炼的钢锭开坯温度为1160℃±10℃。开坯后的钢坯经过表面打磨，去除角裂以及表面缺陷，装炉加热。钢坯开锻温度1140±10℃，终锻温度＞900℃，锻后空冷。锻造后的棒材用于成分分析、夹杂物评定、热处理后的室温及高温力学性能检测以及抗氧化性能测试。

本发明实施例与对比材料奥氏体耐热钢AISI 310S和NAR-AH4的非金属夹杂物对比见表2，由于本发明钢中氧含量较低，钢中非金属夹杂物尤其是氧化物级别均低于AISI 310S和NAR-AH4，表明本发明钢具有较高的纯净度。

本发明实施例中两炉钢与成分相近的对比材料NAR-AH4奥氏体耐热钢在不同热处理制度下的拉伸性能对比见表3。从表中可见，本发明和NAR-AH4经过相同的热处理制度，在900℃下时效相同时间下，本发明的拉伸强度明显高于NAR-AH4，表明本发明具有较高的强度。

表4为本发明与对比材料NAR-AH4奥氏体耐热钢在不同热处理制度下的高温拉伸性能对比，同样本发明的高温拉伸强度也高于对比材料NAR-AH4。

本发明另一显著优点是在高温下具有良好的抗氧化性能，本发明与两种对比材料在不同温度下的抗氧化性能对比见表5，从中可见，在相同温度以及相同时间下，由于本发明对抗氧化元素Cr、Al、La+Ce等进行了合理配比，而使本发明具有了更好的抗氧化性能。

表1本发明实施例化学成分及对比合金成分(wt％)

表2本发明实施例及对比材料夹杂物级别

表3本发明实施例与对比材料NAR-AH4室温拉伸性能对比

注：Rm-抗拉强度，材料的强度指标；Rp_0.2(MPa)-屈服强度，材料的强度指标；

A-断后伸长率，材料的塑性指标；Z-断面收缩率，材料的塑性指标。

表4本发明实施例与对比材料NAR-AH4高温拉伸性能对比

表5本发明与对比材料在不同温度下保温200小时后抗氧化性能对比

Claims (2)

1.一种Cr-Ni系抗高温氧化奥氏体耐热钢棒材，其特征在于，化学成分重量百分比为：C：0.08～0.18％，Si：0.2～1.20％，Mn：0.50～1.50％，P≤0.030％，S≤0.020％，Cr：22.0～32.0％，Ni：12.0～18.0％，Mo：0.3～1.0％，N：0.08～0.32％，Al：0.5～1.5％，(La+Ce)：0.005～0.05％，其中氧含量不大于40ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.一种权利要求1所述的奥氏体耐热钢棒材的制备方法，工艺包括真空冶炼、锻造；其特征在于：在工艺中控制如下技术参数：

钢锭开坯温度1150～1170℃，

开锻温度1130～1150℃，

终锻温度：900～930℃，锻后空冷。