專利名稱：Cr-Ni系抗高溫氧化奧氏體耐熱鋼棒材及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于耐熱鋼棒材技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種Cr-Ni系抗高溫氧化奧氏體耐熱鋼棒材及其制備方法，適用于冶金、機(jī)械、化工等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，耐熱鋼經(jīng)常被用來制造電站、鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、航空發(fā)動機(jī)等重要零件。為了滿足各種部件在較高溫度下工作的需要，國際以及國內(nèi)發(fā)展了一系列的用于高溫下工作的耐熱鋼及合金。這些耐熱鋼按照組織可以分為珠光體型耐熱鋼、馬氏體型耐熱鋼、奧氏體型耐熱鋼、鐵素體型耐熱鋼以及沉淀硬化型耐熱鋼。珠光體型耐熱鋼通常屬于低合金耐熱鋼，工作溫度一般可達(dá)600 620°C ；馬氏體型耐熱鋼以12% Cr型為主，主要用于制造汽輪機(jī)葉片、轉(zhuǎn)子等部件，工作溫度為550 650°C ；鐵素體型耐熱鋼中含 Cr量通常超過12%，但由于其綜合性能較差，所以其應(yīng)用受到限制；沉淀硬化型耐熱鋼以 17-4PH和15-5PH為代表，這類鋼在540 650°C范圍內(nèi)具有較高的熱強(qiáng)性和足夠的抗氧化性。奧氏體型耐熱鋼是耐熱鋼中的重要一類，由于其工作溫度高，在較高溫度下具有較高的熱強(qiáng)性和優(yōu)異的抗氧化性而越來越受得人們的重視。這類耐熱鋼的代表鋼種是含Cr 量高于8%的Cr-Ni系奧氏體耐熱鋼，如18Cr-8Ni、25Cr-20Ni等。一般制作用于600°C以上承受較高應(yīng)力的部件，其抗氧化性可達(dá)850 1250°C，是耐熱鋼中抗氧化性最高的一類耐熱鋼。0Cr25Ni20(美國牌號AISI 310S)由于合金含量高，尤其是Cr含量高達(dá)25%，從而在這類鋼種具有優(yōu)異的抗氧化性能。在上世紀(jì)九十年代日本人發(fā)明了 NAR-AH4耐熱鋼， 是以310S為基礎(chǔ)，在鋼中添加了 N元素，降低了 Ni含量，從而達(dá)到了與310S相近的抗氧化性能，后者在1000 iioo°c具有良好的抗氧化性能。鋼材棒材的成型工藝常用的有鍛造或者軋制，鍛造是通過鍛錘或者快鍛機(jī)對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性能，一定形狀和尺寸工件的加工方法，軋制是將金屬坯料通過一對旋轉(zhuǎn)軋輥的間隙(各種形狀)，因受軋輥的壓縮使材料截面減小，長度增加的壓力加工方法，通過軋制可以實現(xiàn)高效、快速的生產(chǎn)。無論熱鍛還是熱軋溫度對鋼材的性能以及成材率影響都是至關(guān)重要的。溫度過高，鋼材內(nèi)部組織粗大，晶界弱化，容易造成廢品和性能不合，溫度過低則造成抗力過大，鋼材易出現(xiàn)裂紋而報廢，因此在熱加工過程中選擇合適的開鍛和終鍛溫度非常重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種Cr-M系抗高溫氧化奧氏體耐熱鋼棒材及其制備方法，獲得了具有高純凈度、高強(qiáng)度、良好抗氧化性的耐熱鋼熱鍛棒材。本發(fā)明的奧氏體耐熱鋼棒材的化學(xué)成分重量百分比為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(即彡0. 004% )。余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明的工藝包括真空冶煉、鍛造；在工藝中控制如下技術(shù)參數(shù)鋼錠開坯溫度1160°C 士 10°C，開鍛溫度1140士 10°C，終鍛溫度為900 930°C，鍛后空冷。鍛造后的棒材具有良好的熱強(qiáng)性和抗氧化性能。本發(fā)明的關(guān)鍵在于通過鋼中合金元素的合理優(yōu)化以及氣體元素的合理控制，得到了高熱強(qiáng)性、高抗氧化性與夾雜物少的高性能耐熱鋼。同時，通過選擇合適的熱加工參數(shù)，生產(chǎn)出了符合要求的熱鍛棒材。耐熱鋼中的合金元素非常重要，每種合金元素都有著各自的作用，如鋼中的C，C 在合金中與碳化物形成元素Ti、V、Cr、Fe都可以形成碳化物使鋼的強(qiáng)度有所提高，尤其是奧氏體耐熱鋼，在冷卻過程中組織中沒有相變，強(qiáng)化方式除了固溶強(qiáng)化外還有碳化物強(qiáng)化， 所以C含量對鋼的強(qiáng)度和塑性影響很大。C含量低，強(qiáng)度不足，C含量過高，塑性不足并且焊接性能不好；Si是耐熱鋼中抗高溫腐蝕的有益元素，高溫下，在含Si的耐熱鋼表面會形成一層保護(hù)性好的SiO2膜。當(dāng)鋼中含Si量達(dá)到時就有明顯的抗氧化效果；Mn是鋼中良好的脫氧劑和脫硫劑，Mn和Fe形成固溶體能夠提高奧氏體的硬度和強(qiáng)度；Cr是耐熱鋼中重要的合金元素，鋼中含有超過12%的Cr就會使鋼具有良好的耐腐蝕性能。鋼中的Cr在高溫氧化過程中會與氧發(fā)生反應(yīng)，在鋼材的表面生成致密的Cr2O3薄膜，阻止氧與基體的進(jìn)一步反應(yīng)，起到了抗氧化的作用，因此耐熱鋼中的Cr含量不宜太低，本發(fā)明中Cr含量為22 32% ；Ni在奧氏體耐熱鋼中起著調(diào)整相組成以及固溶強(qiáng)化的作用，在高Cr的耐熱鋼中為了保證得到奧氏體組織，Ni含量也要相應(yīng)的提高；Mo也是耐熱鋼中重要的一種元素，最早的耐熱鋼就是在普通結(jié)構(gòu)鋼中加入了 Mo元素才具有了一定的熱強(qiáng)性。含Mo鋼的加入使得耐熱鋼在高溫狀態(tài)下Mo向碳化物遷移，會進(jìn)一步提高鋼的熱強(qiáng)性；N是強(qiáng)奧氏體形成元素，其作用與C類似，鋼中加入一定量的N，可以提高鋼的強(qiáng)度，同時可以降低M含量，起到節(jié)M 的作用；Al也是耐熱鋼中抗氧化的重要合金元素，含Al的耐熱鋼在其表面能形成一層保護(hù)性良好的Al2O3膜，起到良好的抗氧化作用，但鋼中Al含量過高，會使鋼難于塑性加工和焊接；稀土元素(La+Ce)的氧化物對基體金屬有“釘扎”作用，可以增加基體金屬與氧化膜之間的附著力。同時，稀土元素也是鋼中良好的脫硫去氣劑，可以清除其他的有害雜質(zhì)，可以改善鋼中夾雜物的形狀和分布狀態(tài)，從而改善和提高鋼的質(zhì)量和耐熱性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于通過對耐熱鋼中各元素的合理優(yōu)化與搭配，以及熱加工參數(shù)的合理選擇，加工出的棒材夾雜物少、高純凈度；強(qiáng)度高、抗氧化性能好。
具體實施例方式下面結(jié)合一個典型實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本實施例中，采用的新型奧氏體耐熱鋼的具體成分如表1所示。具體的工藝流程為選用精料，采用真空感應(yīng)爐冶煉，冶煉的鋼錠開坯溫度為1160°C 士 10°C。開坯后的鋼坯經(jīng)過表面打磨，去除角裂以及表面缺陷，裝爐加熱。鋼坯開鍛溫度1140士 10°C，終鍛溫度> 900°C，鍛后空冷。鍛造后的棒材用于成分分析、夾雜物評定、熱處理后的室溫及高溫力學(xué)性能檢測以及抗氧化性能測試。本發(fā)明實施例與對比材料奧氏體耐熱鋼AISI 310S和NAR-AH4的非金屬夾雜物對比見表2，由于本發(fā)明鋼中氧含量較低，鋼中非金屬夾雜物尤其是氧化物級別均低于AISI 310S和NAR-AH4，表明本發(fā)明鋼具有較高的純凈度。本發(fā)明實施例中兩爐鋼與成分相近的對比材料NAR-AH4奧氏體耐熱鋼在不同熱處理制度下的拉伸性能對比見表3。從表中可見，本發(fā)明和NAR-AH4經(jīng)過相同的熱處理制度，在900 0C下時效相同時間下，本發(fā)明的拉伸強(qiáng)度明顯高于NAR-AH4，表明本發(fā)明具有較高的強(qiáng)度。表4為本發(fā)明與對比材料NAR-AH4奧氏體耐熱鋼在不同熱處理制度下的高溫拉伸性能對比，同樣本發(fā)明的高溫拉伸強(qiáng)度也高于對比材料NAR-AH4。本發(fā)明另一顯著優(yōu)點是在高溫下具有良好的抗氧化性能，本發(fā)明與兩種對比材料在不同溫度下的抗氧化性能對比見表5，從中可見，在相同溫度以及相同時間下，由于本發(fā)明對抗氧化元素Cr、Al、La+Ce等進(jìn)行了合理配比，而使本發(fā)明具有了更好的抗氧化性能。表1本發(fā)明實施例化學(xué)成分及對比合金成分(Wt % )
元素CSiMnPSCrNi標(biāo)準(zhǔn)成分0. 08 0. 180.2-1.200. 50 1. 50彡0. 030彡0. 02022. 0 32. 012. 0 18. 0AISI3100. 050. 521. 040. 0120. 00925. 5319. 56NAR-AH40. 0720. 40. 880. 00520. 001622. 9511. 880. 0850. 680. 650.00560. 006222. 4913. 250. 0920. 450. 520. 00630.005928. 3216. 32本發(fā)明0. 150. 701. 230. 0100. 008230. 5417. 500. 160. 850. 890. 00920. 007529. 8517. 360. 111. 051. 380. 00870. 009225. 8015. 430. 0850. 400. 830. 00550. 006826. 9313. 09元素MoNAlLa+CeBOFe標(biāo)準(zhǔn)成分0.3 1.00.08 0.320.5 1.50.005 0.05—<0.004余AISI310一一一一一0.0087余NAR-AH4一0.210.050.0450.00170.0074余本發(fā)明0.750.150.780.0075一0.0012余0.590.121.320.010一0.0035余0.400.250.950.032一0.0028余0.350.181.130.010一0.0039余0.4200.161.060.0051一0.0027余0.390.161.330.048一0.0019余 表2本發(fā)明實施例及對比材料夾雜物級別
權(quán)利要求
1.一種Cr-m系抗高溫氧化奧氏體耐熱鋼棒材，其特征在于，化學(xué)成分重量百分比為 C 0. 08 0. 18%, Si 0. 2 1. 20%, Mn 0. 50 1. 50%, P ^ 0. 030%, S 彡 0. 020%, Cr 22. 0 32. 0%，Ni :12· 0 18. 0%，Mo 0. 3 1. 0%，Ν :0· 08 0. 32%，Α1 :0· 5 1. 5%， (La+Ce) 0. 005 0. 05%，其中氧含量不大于40ppm，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.—種權(quán)利要求1所述的奧氏體耐熱鋼棒材的制備方法，工藝包括真空冶煉、鍛造；其特征在于在工藝中控制如下技術(shù)參數(shù)鋼錠開坯溫度1150 1170°C， 開鍛溫度1130 1150°C， 終鍛溫度900 930°C，鍛后空冷。
全文摘要
一種Cr-Ni系抗高溫氧化奧氏體耐熱鋼棒材及其制備方法，屬于耐熱鋼棒材技術(shù)領(lǐng)域。C0.08～0.18％，Si0.2～1.20％，Mn0.50～1.50％，P≤0.030％，S≤0.020％，Cr22.0～32.0％，Ni12.0～18.0％，Mo0.3～1.0％，N0.08～0.32％，Al0.5～1.5％，(La+Ce)0.005～0.05％，其中氧含量不大于40ppm，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。工藝包括真空冶煉、鍛造；在工藝中控制如下技術(shù)參數(shù)鋼錠開坯溫度1150～1170℃，開鍛溫度1130～1150℃，終鍛溫度900～930℃，鍛后空冷。優(yōu)點在于，夾雜物少、強(qiáng)度高、抗氧化性能好。
文檔編號B21J5/00GK102383050SQ20111036385
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者劉正東, 包漢生, 李密, 楊鋼, 王立民 申請人:鋼鐵研究總院