CN115896611B

CN115896611B - 一种奥氏体-铁素体双相耐热钢及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN115896611B
Application number: CN202211331049.6A
Authority: CN
Inventors: 高志喆; 张朝磊; 陈小艳; 杨会利; 王兴锋; 潘晓坤; 李跃; 姚茂斌
Original assignee: Angang Group Mining Co Ltd
Current assignee: Angang Group Mining Co Ltd
Priority date: 2022-10-28
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2024-01-12
Anticipated expiration: 2042-10-28
Also published as: CN115896611A

Abstract

本发明的目的是为了解决现有链篦机篦板材料存在的技术问题，提供了一种奥氏体‑铁素体双相耐热钢及其制备方法和应用。耐热钢各化学组分质量百分比为：C：0.30～0.40％；Si：0.5～1.0％；Mn：3.0～4.0％；Cr：24.0～28.0％；Ni：3.0～4.5％；N：0.20～0.24％；Nb：0.1～0.15％；P≤0.035％；S≤0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明的双相耐热钢大幅提升高温力学性能和高温抗氧化性能，能够在100～1000℃下稳定使用。

Description

一种奥氏体-铁素体双相耐热钢及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于钢铁材料制造技术领域，特别涉及一种双相耐热钢及其制备方法和应用。

背景技术

双相耐热钢作为现今的重要候选高温材料，在核反应堆、超级加热器、干熄焦、链篦机等高温工作环境下应用广泛，其组织由铁素体、奥氏体两相组成，同时兼有铁素体耐热钢的高强度、耐点蚀性和奥氏体耐热钢的良好高温抗氧化性等特点。双相耐热钢目前多用于生产一次性、在高温环境长时间服役的零部件，需定期进行更换，用量大费用高。

以球团生产的链篦机-回转窑系统为例，链篦机中的篦板的工况温度在100～1000℃下交替变换。其恶劣的工况环境要求材质要有优良的高温性能，目前多采用ZG20Cr26Ni5双相耐热钢(来自JB/T 6403-2017大型耐热钢铸件技术条件)，使用寿命通常在12～14个月，需定期进行更换备件。对链篦机中ZG20Cr26Ni5双相耐热钢材料零部件的用量进行统计，一年用量在6000吨左右，消耗99.99％的镍板约300吨。因此，需开发一种长寿命且具有优良高温性能的双相耐热钢替换ZG20Cr26Ni5，以节约资源的消耗。

现有技术中，对双相耐热钢也有相关研究。

1.申请号为CN201811651353.2的中国专利申请：一种耐腐蚀的奥氏体-铁素体双相耐热钢及其制备方法。本发明提供一种耐腐蚀的奥氏体-铁素体双相耐热钢各组分的重量百分比分别为碳0.04-0.05％，硅0.01-0.9％，硫0-0.025％，磷0-0.03％，锰0.1-1.5％，铬18.2-18.8％，镍9.1-12.5％，铌的重量百分比为碳的重量百分比的7-8倍，余量为铁和不可避免的杂质。本发明通过调整原料钢的各组分配比以及制备方法中的工艺参数，提高双相不锈钢的高温强度、耐腐蚀性能和抗氧化性能，使其在应用中具有更长的使用寿命，满足石油、化工、能源等行业对于材料的要求。但是该钢种镍和铬含量高，导致成本过高。

2.申请号为CN201010157343.0的中国专利申请：链篦机篦板用耐热钢。本发明的链篦机篦板用耐热钢，按重量百分比计量化学成分为：C：0.25％～0.35％，Si：1.25％～1.75％，Cr：27％～29％，Mn：2.0％～3.0％，Ni：7.0％～9.0％，Mo：0.3％～0.5％，N：0.15％～0.25％，Ti：0.05％～0.15％，Cu：0.20％～0.40％，B：0.0024％～0.0026％，RE：0.04％～0.05％，P≤0.04，S≤0.007，余量为铁。对于在交替温度变化工况温度下运行的球团厂链篦机来说,在传统奥氏体型高合金耐热钢(ZG35Cr24Ni7SDiN)的基础上，通过改变合金成分，添加适量Cu、Mo、B、RE的联合作用，既能提高钢在氧化性介质中的稳定性，提高钢的耐热性能，适应交替变化工况温度下运行的篦板的要求。但是，该耐热钢采用了稀土元素，成本较高。

3.申请号为CN201510625857.7的中国专利申请：一种高强度、高耐蚀双相耐热钢。本发明高强度、高耐蚀双相耐热钢，其化学成分为：C：0～0.1；Si：0.1～1.0；Mn：0～0.5；Cr：12～25；Ni：15～22；Mo：0～4.0；Al：1.0～6.0；Nb：0.1～1.0；B：0～0.05；P不大于0.03；S不大于0.02；余量为Fe。其制备方法采用自由锻方式，热轧过程控制应变速率不小于1s(-1)；单道次压下量不小于35％，采用快速冷却控制第二相尺寸。本发明实现了高温耐腐蚀性和高强度的匹配，在高温腐蚀性环境中使用，材料的综合性能明显优于现有双相耐热钢。该耐热钢的制备方法为轧制，无法制备出篦板。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有链篦机篦板材料存在的技术问题，提供了一种奥氏体-铁素体双相耐热钢及其制备方法和应用。本发明的双相耐热钢大幅提升高温力学性能和高温抗氧化性能，能够在100～1000℃下稳定使用。

本发明的技术方案之一为，一种奥氏体-铁素体双相耐热钢，各化学组分质量百分比为：C：0.30～0.40％；Si：0.5～1.0％；Mn：3.0～4.0％；Cr：24.0～28.0％；Ni：3.0～4.5％；N：0.20～0.24％；Nb：0.1～0.15％；P≤0.035％；S≤0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。

优选的，一种奥氏体-铁素体双相耐热钢，各化学组分质量百分比为：C：0.30～0.35％；Si：0.8～1.0％；Mn：3.0～3.2％；Cr：26.0～27.0％；Ni：4.0～4.2％；N：0.20～0.23％；Nb：0.1～0.15％；P≤0.035％；S≤0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。

上述奥氏体-铁素体双相耐热钢中各个合金元素及具体含量的作用如下：

碳(C)：0.3～0.40％。碳在铁碳相图中是扩大γ相区的元素，当钢中含碳量过高时，会与耐热钢中的铬、钼等合金元素结合形成碳化物，从而使得耐热钢出现“贫铬”现象，减缓保护性氧化膜的生成，进而降低耐热钢的高温腐蚀性能。但另一方面，碳与耐热钢中的合金元素结合形成的碳化物会增强耐热钢的热强性。因此，耐热钢中一般都含有一定的碳含量，其含量应优选为0.3～0.35％。

硅(Si)：0.5～1.0％。硅是耐热钢中高温腐蚀的有益元素，同时也能改善耐热钢在室温条件下的工作性能。高温工作状态下，耐热钢中的硅元素会在钢的表面形成一层致密的氧化硅薄膜。硅含量在1～2％时，会有较明显的抗氧化效果，但过高的硅含量会导致耐热钢力学性能变差，其含量应优选为0.8～1.0％。

锰(Mn)：3.0～4.0％。锰元素可以促进氮元素融于奥氏体中，本身是属于弱促进奥氏体生长元素，目前为了降低铸件成本，多采用以Mn、N元素替代Ni元素。当Mn含量最低达到0.5％时，可以在表面形成一层Mn-Cr尖晶石，但锰元素过高会对耐热钢高温强度有所损害，故其含量应优选为3.0～3.2％。

铬(Cr)：24.0～28.0％。铬元素可在耐热钢表面形成一层致密的Cr₂O₃保护膜，可以一定程度阻止氧、硫、氮等腐蚀气体向钢中扩散。Cr在耐热钢中易与C结合形成M₂₃C₆型化合物，起到沉淀强化和晶界强化作用，但铬含量的升高会使耐热钢在高温中生成σ相，对基体存在脆性危害。故其含量应优选为26～27％。

镍(Ni)：3.0～4.5％。镍元素可扩大奥氏体相区，提高耐热钢再结晶温度，随镍元素含量增加，一部分镍元素固溶于基体中，还有一部分镍开始形成γ’高温强化相(Ni₃(Al，M))，进一步增强耐热钢的高温强度。镍元素还可通过改善氧化膜的成分和构成，减缓Cr₂O氧化膜的开裂和脱落来提高耐热钢的耐氧化性能，但其价格昂贵。故其含量应优选为4.0～4.2％。

氮(N)：0.2～0.24％。氮元素在耐热钢中主要以化合态形式存在，少部分以原子状态固溶于耐热钢中。氮元素可以提高高温奥氏体稳定性，其促成和稳定奥氏体的作用相当于镍的30倍左右。随着氮含量增加，固溶氮量和化合氮量会逐渐增加，耐热钢高温持久强度增加。但是当氮的质量分数大于0.16％时，会使钢的抗氧化性能变差，故其含量应优选为0.2～0.23％。

铌(Nb)：0.1～0.15％。Nb作为一种微合金元素，通常被添加到耐热钢中以提高高温强度、抗蠕变性能，另外Nb作为一种强碳化物形成元素能够取代Cr与C形成稳定的NbC，并且作为异质形核核心，细化晶粒，提高钢的综合性能。但过量的Nb元素会降低耐热钢的高温抗氧化性能，故Nb含量应优选为0.1～0.15％。

本发明的技术方案之二为，上述奥氏体-铁素体双相耐热钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)将上述双相耐热钢各成分原料按比例进行配料；

(2)使用抽负压的感应冶炼炉对原料进行冶炼，冶炼温度≥1600℃，之后加入铝进行预脱氧；

(3)加入硅铁和电解锰进行Si、Mn合金化，采用硅钙合金进行充分脱氧，之后分批加入含氮合金，期间保持钢液温度≥1600℃；

(4)将钢液转移到浇筑坩埚中，坩埚上方有铁铬丝滤网，对钢液进行过滤；

(5)过滤完成后开始浇注，浇注时钢液温度控制在1500～1550℃，浇注的型壳通过真空泵抽负压支持，钢液浇注完成后，保压8～15min撤压；

(6)将浇注的冒口以及浇道切除，完成浇铸。

进一步的，上述制备方法，制得的耐热钢组织为奥氏体和铁素体，并且奥氏体在组织中比例达到70％以上。

进一步的，上述制备方法，制得的耐热钢900℃高温下屈服强度达130～150MPa，抗拉强度达165～200MPa。

本发明的技术方案之三为，上述奥氏体-铁素体双相耐热钢的应用，所述的奥氏体-铁素体双相耐热钢在链篦机篦板上的应用。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的化学成分设计充分考虑在镍元素含量较低的前提下，通过提高Mn、N元素来提高双相耐热钢中奥氏体比例，以提升耐热钢的高温抗氧化性能，同时又保证其成本不会大幅提升；提高C元素含量，在提高奥氏体比例的同时也提升耐热钢中碳化物数量，提高耐热钢高温强度。

2、本发明提供了能够在温度在100～1000℃变换的工况下稳定使用的长寿命、高性能奥氏体-铁素体双相耐热钢，本发明耐热钢所制篦板寿命可达17个月以上。

3、本发明钢具有优异的高温力学性能以及高温抗氧化性能，高温下屈服强度可达130～150MPa，抗拉强度可达165～200MPa；高温抗氧化级别达到了完全抗氧化级。

附图说明

图1为本发明实施例1的组织的扫描电子显微镜图片。

图2为本发明实施例2的组织的扫描电子显微镜图片。

图3为本发明实施例3的组织的扫描电子显微镜图片。

图4为本发明实施例4的组织的扫描电子显微镜图片。

图5为对比材料ZG20Cr26Ni5组织的扫描电子显微镜图片。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种奥氏体-铁素体双相耐热钢，按质量百分比，包括以下成分：C：0.3～0.40％；Si：0.5～1.0％；Mn：3.0～4.0％；Cr：24.0～28.0％；Ni：3.0～4.5％；N：0.20～0.24％；Nb：0.1～0.15％；P≤0.035％；S≤0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明钢采用一种高效率、绿色环保的铸造方式浇注成型，制造过程为：配料→负压感应炉冶炼→钢液过滤→钢液浇铸→切除冒口、浇道。详细的流程为：(1)根据本发明钢的优选成分进行配料计算；(2)使用抽负压的感应冶炼炉对原料进行冶炼，冶炼温度≥1600℃；(3)冶炼完成后，将钢液转移到浇筑用坩埚，坩埚上方有铁铬丝滤网，对钢液进行过滤，完成后开始浇注，浇注时钢液温度控制在1500～1550℃；(4)浇注型壳采用EVA塑料膜和钢制沙箱形成密闭空间，通过真空泵抽负压支持，钢液浇注完成后，保压8～15min撤压；(5)将浇注的冒口以及浇道切除，完成工件制作。

本发明实施例的具体化学成分和对比材料(质量分数％)见下表1所示，其余为Fe和不可避免的杂质。

表1、各钢种材料的化学成分(质量分数％)

对比材料为耐热钢，牌号为ZG20Cr26Ni5(JB/T 6403-2017大型耐热钢铸件技术条件)。

为进一步说明本发明的性能，下面将本发明以实施例1、2、3和4为例与对比材料ZG20Cr26Ni5做对比试验，具体说明如下：

1：基体显微组织

试验方法：将本发明钢和对比材料通过上述铸造成型方法制作试样，冶炼温度≥1600℃，浇注温度均控制在1500～1550℃，使用线切割方式制成10mm×10mm×10mm的小试块。对小试块表面进行打磨、抛光处理后，采用王水(75％盐酸+25％硝酸)进行侵蚀，采用光学显微镜(OM)对其组织进行分析，分别如图1～5。

通过OM分析可知，实施例1、2、3和4和对比材料组织均为奥氏体及铁素体，实施例1、2、3、4的镍、碳含量高于对比材料，因此奥氏体比例较大，且碳化物较多。

2：高温力学性能

依据标准GB/T 4338-2006金属材料高温拉伸试验方法在900℃下进行本发明钢和对比材料的高温力学性能试验，其结果见表2所示。

表2、各钢种材料高温力学性能

	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	断后伸长率/％	断面收缩率/％
					实施例1	169.2	133.0	38.6	42.6
实施例2	165.1	130.1	37.5	39.5
					实施例3	167.5	135.4	38.4	41.5
实施例4	168.5	132.4	38.2	38.9
					对比材料	69.7	52.0	50.3	59.0

依据拉伸结果可以看出，实施例1、2、3、4的屈服强度均是对比材料的2倍以上，且抗拉强度也提升了100MPa左右，断后伸长率略有降低。实施例1、2、3、4的C元素含量高于对比材料，提高了样品的热强性。

3：高温抗氧化性能

试验方法：取30mm×10mm×5mm的小方块，采用不同目数的砂纸将其各个表面打磨至粗糙度Ra为0.8μm，放入150～200℃烘干箱内保温1h，对试样进行多次称重，取其均值，并统计样品的表面积。将样品放入加热炉中加热，在900℃下保温100h后测量重量。依据标准GB/T13303-91《钢的抗氧化性能测定方法》对试样进行抗氧化性能等级评定如表3所示。

表3、各钢种材料高温抗氧化性能

依据抗氧化级别可知，实施例1、2、3、4的抗氧化性能均优于对比材料，实施例1、2、3、4的镍、锰、氮元素均高于对比材料，故其高温抗氧化性能优良。

4：抗冷热疲劳性能

实验方法：取规格为40mm×20mm×5mm样品，在矩形短边开一个V型缺口，缺口长3mm。以试样末钻孔的一端为基面，孔的作用是把试样固定在夹具上，使试样加热、入水位置一致。试验前，将样品用砂纸打磨并抛光，以消除试样表面因素对实验结果影响。采用电阻加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳实验。试样在20℃至800℃之间进行加热与冷却的热循环，炉温800℃，水温20℃(流动自来水)。加热、冷却一次作为一个循环，直至预定循环次数200次，取下试样，测量裂纹的长度，结果如表4所示。

表4、各钢种材料抗冷热疲劳性能

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比材料
						裂纹长度(mm)	0.56	0.58	0.54	0.51	2.82

根据裂纹长度可以发现，实施例的抗冷热疲劳性能远优于对比材料，主要是由于实施例中的奥氏体组织比例较高，从而使其具有良好的抗冷热疲劳性能。

由于本发明的耐热钢综合以上的特性，由其铸造的链篦机篦板使用寿命可达17个月以上。

Claims

1.一种用于链篦机篦板的奥氏体-铁素体双相耐热钢，其特征在于，各化学组分质量百分比为：C：0.30~0.40%；Si：0.5~1.0%；Mn：3.0~4.0%；Cr：24.0~28.0%；Ni：3.0~4.5%；N：0.20~0.24%；Nb：0.1~0.15%；P≤0.035%；S≤0.035%，其余为Fe和不可避免的杂质；

制得的耐热钢组织为奥氏体和铁素体，并且奥氏体在组织中占比可达70%以上；

制得的耐热钢900℃高温下屈服强度达130~150 MPa，抗拉强度达165~200 MPa；

制得的耐热钢900℃高温抗氧化级别达到了完全抗氧化级，并且具有良好的抗冷热疲劳性能。

2.根据权利要求1所述的用于链篦机篦板的奥氏体-铁素体双相耐热钢，其特征在于，各化学组分质量百分比为：C：0.30~0.35%；Si：0.8~1.0%；Mn：3.0~3.2%；Cr：26.0~27.0%；Ni：4.0~4.2%；N：0.20~0.23%；Nb：0.1~0.15%；P≤0.035%；S≤0.035%，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.权利要求1或2所述的用于链篦机篦板的奥氏体-铁素体双相耐热钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将上述双相耐热钢各成分原料按比例进行配料；

（2）使用抽负压的感应冶炼炉对原料进行冶炼，冶炼温度≥1600℃，之后加入铝进行预脱氧；

（3）加入硅铁和电解锰进行Si、Mn合金化，采用硅钙合金进行充分脱氧，之后分批加入含氮合金，期间保持钢液温度≥1600℃；

（4）将钢液转移到浇筑坩埚中，坩埚上方有铁铬丝滤网，对钢液进行过滤；

（5）过滤完成后开始浇注，浇注时钢液温度控制在1500~1550℃，浇注的型壳通过真空泵抽负压支持，钢液浇注完成后，保压8~15min撤压；

（6）将浇注的冒口以及浇道切除，完成浇铸。