本發(fā)明涉及高溫用耐熱鋼領(lǐng)域，具體涉及一種高強度稀土鐿耐熱鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
310S耐熱鋼是長期應用于高溫領(lǐng)域的耐熱鋼，其以高鉻高鎳化的合金成分，使其具備了較好的高溫耐熱性能。但是由于在高溫條件下長期使用，鋼中碳含量在高溫下發(fā)生聚集作用，在鋼的材料內(nèi)部造成顯微孔洞，使得材料組織產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，導致材料強度下降失效。降低鋼中碳含量對碳的高溫聚集起到一定作用，可延長310S耐熱鋼的高溫使用壽命。但是，310S耐熱鋼的高溫強度主要依靠碳含量來保證，降低碳含量勢必將降低耐熱鋼的高溫強度。所以，目前不得不綜合考慮高溫強度和使用壽命，將310S耐熱鋼的碳含量按中下限控制。
因此，亟待開發(fā)一種既能保證高溫使用壽命，又同時具有較高高溫強度的耐熱鋼。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種高強度稀土鐿耐熱鋼及其制造方法，該耐熱鋼的900℃高溫屈服強度≥170MPa，晶粒度級為4～6級，具有良好的高溫強度，并大幅提高高溫下的使用壽命。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
一種高強度稀土鐿耐熱鋼，其化學成分質(zhì)量百分數(shù)為：C：0.05～0.12％，Si：0.2～1.5％，Mn：0.5～1.7％，P≤0.045％，S≤0.030％，Cr：24.0～26.0％，Ni：19.0～22.0％，Yb：0.03～0.6％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素，且上述元素同時需滿足如下關(guān)系：Creq/Nieq≤1.165，Creq＝Cr+1.5Si，Nieq＝Ni+30C+0.5Mn。
進一步，所述高強度稀土鐿耐熱鋼的微觀組織是全奧氏體組織，晶粒 度為4～6級。
所述高強度稀土鐿耐熱鋼在900℃時屈服強度≥170MPa。
在本發(fā)明耐熱鋼成分設(shè)計中：
碳(C)：碳在耐熱鋼中是基本成分之一，主要作用是強烈形成并穩(wěn)定奧氏體且擴大奧氏體區(qū)。碳形成奧氏體的能力約為鎳的30倍。碳是間隙元素，通過固溶強化可顯著提高奧氏體不銹鋼的強度。本發(fā)明中添加稀土鐿來減緩碳在鋼的聚集作用，所以可增加鋼中碳含量以增加鋼的高溫強度。因此，本發(fā)明控制碳含量為0.05～0.12％。
鉻(Cr)：鉻是奧氏體耐熱鋼中最主要的合金元素，是強烈形成并穩(wěn)定鐵素體的元素，縮小奧氏體區(qū)。隨著鋼中鉻含量的增加，奧氏體不銹鋼中可能出現(xiàn)鐵素體組織。本發(fā)明耐熱鋼中鎳含量通過與其它奧氏體形成元素的配合與平衡，確保Creq/Nieq比值小于1.165，可以獲得完全的奧氏體組織。同時，鉻對奧氏體耐熱鋼的耐氧化性和高溫耐蝕性影響最大。因此，本發(fā)明控制鉻含量為24～26％。
鎳(Ni)：鎳是奧氏體不銹鋼中的主要合金元素，主要作用是形成耐熱鋼的完全奧氏體組織，使鋼具有良好的強度和塑性、韌性的配合，并具有優(yōu)良的冷、熱加工性能和冷成形性以及焊接、低溫與無磁等性能；同時提高奧氏體不銹鋼的熱力學穩(wěn)定性。
鎳是強烈形成并穩(wěn)定奧氏體的元素，可以擴大奧氏體相區(qū)。為了獲得單一的奧氏體組織，在奧氏體不銹鋼中增加鎳含量。隨著鎳含量的增加，殘余鐵素體可以完全消除，并顯著降低σ相形成的傾向；同時馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，甚至可不出現(xiàn)γ→M相變。鎳對奧氏體不銹鋼力學性能的影響是通過對奧氏體穩(wěn)定性來決定的。隨著鎳含量的提高，鋼的熱力學穩(wěn)定性增加。因此，奧氏體不銹鋼具有更好的不銹性和耐氧化性介質(zhì)的性能。從耐熱性、奧氏體組織穩(wěn)定性及經(jīng)濟性考慮，本發(fā)明控制鎳含量為19.0～22.0％。
硅(Si)：硅是強烈形成鐵素體的元素，其作用相當于1.5倍的鉻元素。在奧氏體不銹鋼中，隨著硅含量的提高，鐵素體含量將增加，從而影響鋼的性能。為了避免高溫鐵素體相的產(chǎn)生，防止高溫鐵素體相對高溫強度產(chǎn)生不利影響，在正常成分范圍內(nèi)，通過綜合控制成分的作用，使 Creq/Nieq比值小于1.165。硅含量增加將降低鉻鎳奧氏體不銹鋼耐硝酸性能，并且顯著提高鋼的固溶態(tài)晶間腐蝕敏感性，硅在鋼中沿晶界偏聚。因此，為了減少鋼中鐵素體含量，本發(fā)明控制硅含量為0.2～1.5％。
錳(Mn)：錳是比較弱的奧氏體形成元素，但具有強烈穩(wěn)定奧氏體組織的作用。當鋼中錳含量＜2％時，錳含量的變化常對鉻鎳奧氏體不銹鋼的組織沒有明顯影響。錳除了脫氧的作用外，還具有可以穩(wěn)定奧氏體組織、能改善鋼的熱塑性等作用；還可借助錳和硫的較強親合力，形成硫化錳，既有利于鋼中硫的去除，又有利于消除鋼中殘余硫的有害作用。因此，考慮錳的綜合作用，本發(fā)明控制錳含量為0.5～1.7％。
硫(S)：硫在奧氏體不銹鋼中主要被視為有害雜質(zhì)，為了保證耐熱鋼的加工性能和使用性能，鋼中硫含量要求限制在0.003％以下。
磷(P)：磷在奧氏體耐熱鋼中被視為有害雜質(zhì)元素，有害作用主要表現(xiàn)為磷沿晶界偏聚，降低鉻鎳奧氏體耐熱鋼的晶界強度。由于不銹鋼的生產(chǎn)方法多采用返回法，無法消除或降低原料中帶來的磷。因此在標準范圍內(nèi)，盡量減少原料中的磷含量，減少磷的有害作用。本發(fā)明控制磷含量＜0.045％。
稀土鐿(Yb)：稀土鐿起到減少夾雜物在晶界的聚集，減緩高溫下碳的聚集作用，穩(wěn)定鋼的組織，提高晶界強度的作用，為了使稀土鐿在鋼中起到合金化的效果，本發(fā)明控制稀土鐿含量為0.03～0.60％。
本發(fā)明在鋼中添加重稀土元素鐿，達到微量合金化的目的，同時減緩了碳在鋼中的聚集速度，為在耐熱鋼中提高碳含量創(chuàng)造了條件。稀土鐿在鋼中還起到穩(wěn)定組織，改善夾雜物的分布，凈化晶界，提高晶界強度的作用，降低了長期高溫條件下鋼的組織產(chǎn)生內(nèi)部缺陷的幾率，使耐熱鋼的高溫強度得到保證。
本發(fā)明中Creq/Nieq≤1.165：當Creq/Nieq＞1.165時，耐熱鋼的高溫組織中將產(chǎn)生δ鐵素體相，δ相的存在惡化了耐熱鋼的高溫性能。當Creq/Nieq≤1.165時，耐熱鋼的高溫組織全部為奧氏體相，保證了耐熱鋼的高溫強度性能。
本發(fā)明在耐熱鋼中添加稀土鐿，為在耐熱鋼中提高碳含量提供了有利條件，既減少了碳的高溫偏聚，保證了耐熱鋼使用壽命；又提高了高溫強 度，極大的改善了鋼的綜合性能。同時，鋼中添加稀土鐿，可以提高耐熱鋼的晶界強度并細化晶粒，使鋼在高溫條件下的組織穩(wěn)定性提高，凈化晶界，改善夾雜物的分布狀態(tài)，有利于提高耐熱鋼的高溫強度。
本發(fā)明的一種高強度稀土鐿耐熱鋼的制造方法，其包括如下步驟：
1)冶煉、澆鑄
按如下化學成分冶煉，化學成分質(zhì)量百分數(shù)為：C：0.05～0.12％，Si：0.2～1.5％，Mn：0.5～1.7％，P≤0.045％，S≤0.030％，Cr：24.0～26.0％，Ni：19.0～22.0％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素，且上述元素同時需滿足如下關(guān)系：Creq/Nieq≤1.165，Creq＝Cr+1.5Si，Nieq＝Ni+30C+0.5Mn；
澆鑄成鋼錠，澆鑄過程中加入稀土鐿Yb金屬線，使Yb含量達到0.03～0.6％；鋼水過熱度為50～60℃；
2)鋼錠表面修磨
鋼錠冷卻后，采用砂輪修磨去除鋼錠表面缺陷。
3)鋼錠鍛造
將鋼錠加熱至1150～1250℃，鍛造成板坯。
4)板坯加熱
板坯在爐時間按每毫米板坯厚度加熱1.0～1.5min計算，出爐溫度為1200～1265℃。
5)軋制
軋制變形溫度900～1250℃，變形量65～90％，變形速度為10～100s-1。
6)熱處理
退火溫度為1100～1150℃，加熱時間為15～20min。
本發(fā)明制造工藝中：
1)冶煉工藝
鋼水過熱度為50～60℃：鋼水過熱度△T即鋼水溫度(T)與液相線溫度(TL)的差值。有過熱度的鋼水具有流動性，過熱度越高，流動性越好。過低的鋼水過熱度不利于金屬鐿的熔化和鋼中夾雜物的上浮。較高的鋼水過熱度可使鋼水中的夾雜物聚集上浮容易。為了使稀土鐿金屬線充分熔化和均勻成分，將鋼水過熱度控制為50～60℃。因此，本發(fā)明提高了鋼水的 過熱度有利于稀土鐿成分的均勻化，有利于夾雜物的聚集上浮。
本發(fā)明在冶煉過程中添加稀土鐿進行合金化，具體是在鋼水澆鑄過程中添加稀土鐿，提高鋼水的過熱度，使稀土鐿在鋼中充分均勻達到合金化的目的。
2)鋼錠表面修磨
鋼錠澆鑄完成后，采用空冷凝固。冷卻后，檢查表面是否存在局部缺陷，采用砂輪修磨機修磨去除表面缺陷，以免鋼錠表面夾(渣)雜物等缺陷影響產(chǎn)品表面質(zhì)量，從而獲得良好的產(chǎn)品表面質(zhì)量。
3)鍛造
將鋼錠加熱至1150～1250℃，具體需根據(jù)鋼錠大小及所需板坯尺寸確定加熱溫度。鋼在此溫度范圍內(nèi)變形抗力較低，變形能力強，不易產(chǎn)生加工缺陷，如高溫裂口缺陷；鍛造加工時的高溫氧化較少，可以獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量。
4)板坯加熱：
采用加熱爐加熱，板坯在爐時間按每毫米板坯厚度加熱1.0～1.5min計算，出爐溫度為1200～1265℃。
根據(jù)鋼的熱傳導，如200mm厚度的板坯在爐時間控制在200～300min，過長的在爐時間將使板坯表面氧化加重，惡化表面質(zhì)量，過短的在爐時間使板坯溫度不均勻，熱變形困難。
稀土耐熱鋼的出爐溫度必須保證鋼有足夠的變形溫度范圍，該變形溫度的最大范圍約為300℃以內(nèi)。當需要在最大溫度范圍內(nèi)進行軋制，設(shè)定軋制變形完成時的變形溫度為900℃時，最低的出爐溫度為1200℃。出爐溫度超過1265℃時，會使氧化嚴重，損耗加大，產(chǎn)品表面容易產(chǎn)生缺陷，故最高出爐溫度不易超過1265℃。
因此，本發(fā)明控制板坯在爐時間為每毫米板坯厚度加熱1.0～1.5min，出爐溫度為1200～1265℃，保證板坯溫度均勻，具有良好的形變能力。
5)軋制
軋制變形溫度為900～1250℃，在此溫度區(qū)間必須將板坯軋制變形至目標厚度，完成產(chǎn)品規(guī)格的控制，得到帶鋼。當鋼的變形溫度低于900℃，變形抗力急劇增加，使進一步變形困難；而且當變形溫度下降到900℃以 下，繼續(xù)變形容易導致形狀控制困難、產(chǎn)生局部缺陷和質(zhì)量問題，因此最低變形溫度應在900℃以上。當變形速度很快，溫度降低很慢，變形結(jié)束溫度與出爐溫度接近，對變形和質(zhì)量控制均未產(chǎn)生不利影響。當變形溫度超過1250℃時，因為軋制工序已接近終形變形，高溫氧化對產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系更為密切，經(jīng)過平衡，1250℃是防止高溫過氧化的上限溫度，不可超越。因此，本發(fā)明在900～1250℃的溫度范圍內(nèi)既考慮了變形抗力，又考慮了高溫過度氧化，在此溫度范圍內(nèi)變形是安全可靠的。
在帶鋼精軋過程中，軋制變形量要求達到65～90％。在此變形范圍內(nèi)，稀土耐熱鋼的組織可以獲得再結(jié)晶的充分條件和動力，使鋼的組織、成分進一步均勻化，減少偏析，為后續(xù)熱處理做好準備。如果變形量小于65％，除了組織、成分均勻程度降低，不利于后續(xù)熱處理質(zhì)量的穩(wěn)定之外，在變形的過程中，鋼的尺寸精度控制及變形穩(wěn)定性變差，并會造成后續(xù)加工的困難，如板形不良和波浪起伏的產(chǎn)生，增加了變形過程的不穩(wěn)定性。
本發(fā)明中變形速度的設(shè)定依據(jù)變形厚度的變化而變化。當板坯厚度大于40mm時，采用較慢的變形速度，一般為10～50s-1；當坯料厚度小于40mm時，采用較高的變形速度，一般為50～100s-1，盡快完成變形有利于利用高速變形產(chǎn)生的變形熱，也可以提高變形過程中坯料的溫度均勻性。當變形速度較高如大于100s-1時，在變形過程中可能產(chǎn)生過多的變形熱，使坯料的溫度增加過高，不利于產(chǎn)品組織的穩(wěn)定，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，本發(fā)明控制變形速度為10～100s-1。
本發(fā)明在較大變形量和較低變形速度條件下，帶鋼軋制溫度降低較少，確保了帶鋼較高的變形溫度。
6)熱處理
將帶鋼加熱至退火溫度1100～1150℃，加熱時間15～20min，完成退火熱處理，使帶鋼組織晶粒均勻化，獲得晶粒度達到4～6級程度，提高了鋼的抗氧化性能，滿足產(chǎn)品性能要求。
當鋼的產(chǎn)品晶粒度為4～6級時，鋼的抗氧化性能較好，且穩(wěn)定。因此熱處理工藝圍繞這一目的設(shè)計。在熱處理工藝溫度范圍內(nèi)，較低的退火溫度與較短加熱間獲得的晶粒較細，晶粒級別較高；較高的退火溫度與較長的加熱時間獲得的晶粒較粗，晶粒級別較低。合理的退火溫度與加熱時間 配合為較長的加熱時間與較低的退火溫度；或者，較短的加熱時間與較高的退火溫度相匹配。通過退火溫度與加熱時間匹配和優(yōu)選，鋼的熱處理退火溫度范圍控制在1100～1150℃時，加熱時間為15～20min，使耐熱鋼產(chǎn)品的晶粒度控制在4～6級的范圍內(nèi)，獲得理想的組織晶粒度和性能。
本發(fā)明所述耐熱鋼經(jīng)過稀土鐿的合金化作用，以及高溫奧氏體組織的成分控制，獲得了穩(wěn)定的高溫強度性能，鋼在900℃時屈服強強度可以達到170MPa以上。且通過本發(fā)明生產(chǎn)工藝制備出的耐熱鋼的高溫強度有所提高，保證使用壽命達到常規(guī)耐熱鋼的1倍以上，降低了耐熱鋼的壽命周期使用成本。
本發(fā)明的有益效果：
1.本發(fā)明添加稀土鐿，在鋼中形成稀土化合物及合金化，凈化了晶界，減少鋼中晶界有害夾雜的含量，提高鋼的高溫強度。
2.本發(fā)明在鋼中增加碳含量，并通過鐿元素的合金化作用，防止碳在高溫下擴散聚集，可長時間保持鋼的高溫強度，延長使用壽命。
3.本發(fā)明通過在鋼錠澆鑄過程中添加稀土鐿金屬線，并提高鋼水過熱度，有利于稀土鐿金屬線的熔化和成分均勻化。
4.本發(fā)明對鋼錠表面采用修磨工藝，去除表面缺陷，從而使帶鋼產(chǎn)品表面質(zhì)量優(yōu)良，有利于產(chǎn)品表面缺陷的最少化，保證帶鋼表面鈍化膜的連續(xù)性。
5.本發(fā)明采用合理的熱處理工藝，在保證力學性能的同時，確定耐熱鋼晶粒度達到4～6級的程度，進一步提高了鋼的抗氧化性能。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步說明。
本發(fā)明鋼成分的實施例參見表1，表2為本發(fā)明鋼實施例的制造工藝，表3本發(fā)明鋼實施例的力學性能。