本發(fā)明涉及鐵素體耐熱鋼，具體涉及一種基于金屬間化合物ni16m6si7(m＝ti,nb)析出強(qiáng)化的鐵素體耐熱鋼。

背景技術(shù)：

為了提高熱效率，減少co2排放量，適應(yīng)環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源的要求，提高鍋爐管用鋼的耐熱溫度以期提高電廠的熱效率迫在眉睫(全榮；先進(jìn)燃煤火力發(fā)電鍋爐和汽輪機(jī)用鐵素體系耐熱鋼研發(fā)進(jìn)展[n]；世界金屬導(dǎo)報(bào)；2014.04.29:b12)。目前世界各國火力發(fā)電機(jī)組參數(shù)已由亞臨界參數(shù)(16.77mpa/540℃)向超臨界參數(shù)(25.0mp/540℃～566℃；24.0～30.0mpa/580℃～610℃)及以上發(fā)展，熱效率相比以前提高了6～7％(陳聽寬；超臨界與超超臨界鍋爐技術(shù)的發(fā)展與研究[j]；世界科技研究與發(fā)展；2005)。然而蒸汽參數(shù)的進(jìn)一步提高對(duì)耐熱鋼的綜合性能也提出更高的要求,主要是要求耐熱鋼具有足夠好的抗高溫氧化能力的同時(shí)還要具有合適的高溫強(qiáng)度(劉正東等；g115耐熱鋼應(yīng)用于超600℃超超臨界火電機(jī)組；世界金屬導(dǎo)報(bào)；2015.06.16：b12)。

當(dāng)前超超臨界火電機(jī)組(a-usc)的高溫部件采用的是一系列9～12cr型(鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9％～12％)的高鉻鐵素體系耐熱鋼，其代表鋼種有t91、t92和t122(寧保群；t91鐵素體耐熱鋼相變過程及強(qiáng)化工藝[d]；天津大學(xué)；2012)。這類鐵素體耐熱鋼采用正火加回火的熱處理方式，其供貨態(tài)組織為具有高密度位錯(cuò)的回火板條馬氏體、彌散分布的mx[(v,nb)(c,n)]碳氮化物以及晶界上析出的m23c6碳化物。由于析出強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和高密度位錯(cuò)強(qiáng)化,使得該系列鋼從服役開始就有較好的強(qiáng)度。然而由于其抗氧化能力的局限性以及組織穩(wěn)定性等問題，當(dāng)前的t91鐵素體耐熱鋼最高承溫能力不能超過620℃。這主要是由于t91鋼在高于620℃的環(huán)境中的組織很不穩(wěn)定，造成位錯(cuò)密度下降，奧氏體晶界和馬氏體板條界面上fe2w型laves相析出并粗化，m23c6型碳化物發(fā)生粗化溶解，mx型納米析出相向易粗化的z相轉(zhuǎn)化，硫、磷等雜質(zhì)偏聚而引起的晶界弱化等。這些支撐t91鋼高溫強(qiáng)度的主要析出相的分解，導(dǎo)致其在高于620℃時(shí)高溫強(qiáng)度急劇下降。

專利cn104726779a(一種高cr鐵素體耐熱鋼及其制備方法)介紹了一種w/mo復(fù)合固溶強(qiáng)化及mx彌散強(qiáng)化的高鉻鐵素體耐熱鋼，其成分為：8.5～9.5wt.％cr；2.5～3.5wt.％co；2.8～3.3wt.％w+mo；0.15～0.25wt.％v；0.05～0.1wt.％nb；0.001～0.01wt.％c；0.003～0.01wt.％b；余量為fe。該鐵素體耐熱合金的制備方法包括了真空感應(yīng)熔煉、澆鑄成鋼錠及熱軋成板材。該鐵素體耐熱鋼的持久強(qiáng)度高于現(xiàn)有的9cr至12cr耐熱鋼，適用于工作溫度為620℃的結(jié)構(gòu)與零部件用鋼。

專利cn103131953a(專利名稱：一種鐵素體耐熱鋼及其生產(chǎn)方法)公開了一種鐵素體耐熱鋼及其生產(chǎn)方法，涉及超超臨界燃煤火電站鍋爐用耐高溫、耐腐蝕的耐熱合金鋼。該耐熱鋼的化學(xué)成分按質(zhì)量百分比為：0.10wt.％c；8～15wt.％cr；3.0wt.％w；3.0wt.％co；0.1～0.5wt.％si；0.2～0.8wt.％mn；0.3～0.6wt.％mo；0.2～0.3wt.％v；0.05～0.10wt.％nb；0.05wt.％n；0.08wt.％ta，余量是fe和不可避免的雜質(zhì)。將上述成分的合金鋼水澆鑄成為鋼板坯后，進(jìn)行熱軋、退火和酸洗后，進(jìn)一步進(jìn)行冷軋、退火和酸洗。該鐵素體耐熱鋼可在620℃的高溫下使用，不僅具有優(yōu)異的耐熱性能，還具有良好的耐腐蝕性能。

專利cn102517508a(專利名稱：超超臨界火力發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)葉片用鐵素體耐熱鋼及制備方法)提供了一種超超臨界火電機(jī)組汽輪機(jī)葉片用鐵素體耐熱鋼，其特征在于其化學(xué)組成以質(zhì)量百分比計(jì)為：10.0～12.0wt.％cr；0.1～0.6wt.％mo；2.4～3.0wt.％w；1.0～4.0wt.％co；0～0.5wt.％ni；0.2～1.0wt.％mn；0.01～0.06wt.％n；0.10～0.30wt.％v；0.03～0.10wt.％nb；0.005～0.015wt.％ti；0.06～0.15c；0.008～0.015wt.％b；0.002～0.01wt.％zr，余量為fe和不可避免的雜質(zhì)；該耐熱鋼在高溫下的抗腐蝕性和抗蠕變性能良好，高溫長(zhǎng)期使用過程中組織穩(wěn)定，可用作620℃以上超超臨界火電機(jī)組汽輪機(jī)用葉片材料。

專利cn102268603b(一種高鋁鐵素體耐熱鋼)本發(fā)明涉及一種高鋁鐵素體耐熱鋼。其技術(shù)方案是：耐熱鋼化學(xué)成分及其含量是：9～15wt.％cr，1～5wt.％co，0.5～4wt.％w，為0.5～4wt.％mo,2～4wt.％al，0.01～0.9wt.％nb,0.1～0.8wt.％v，0.001～0.08wt.％c，0.001～0.05wt.％n，0.001～0.02wt.％b，0.1～0.4wt.％si，0.01～0.1wt.％ti，0～0.5wt.％ta,0～0.1wt.％re或hf，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)；其中的re為y或ce。該發(fā)明具有成本低、抗高溫氧化和抗高溫蠕變的特點(diǎn)。

文獻(xiàn)1(g-phaseprecipitationinduplexstainlesssteelsafterlong-termthermalaging:ahigh-resolutiontransmissionelectronmicroscopystudy)和文獻(xiàn)2(microstructureevolutionandimpactfracturebehaviorsofz3cn0-09mstainlesssteelsafterlong-termthermalaging)研究了一種牌號(hào)為z3cn20-09m的雙相不銹鋼(鐵素體+奧氏體)。該雙相鋼的成分為：21.12wt.％cr；9.73wt.％ni；1.04wt.％si；0.96wt.％mn,0.14wt.％mo；0.044wt.％n；0.033wt.％c；余量為fe；研究發(fā)現(xiàn)在400℃長(zhǎng)期時(shí)效(20000小時(shí))后析出了4-5nm左右的金屬間化合物ni16mn6si7相。與此同時(shí)，鐵素體相中發(fā)生了富fe的bcc相和富cr的bcc相的失穩(wěn)分解，導(dǎo)致了雙相鋼的熱時(shí)效脆性、綜合性能下降。

文獻(xiàn)3(agingdegradationofcaststainlesssteel:statusandprogram)研究了另一種雙相不銹鋼(鐵素體+奧氏體)的長(zhǎng)期時(shí)效對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響。該雙相鋼的化學(xué)成分為：0.08wt.％c；21wt.％cr；11wt.％ni；2wt.％si；1.5wt.％mn；余量為fe；這類鑄造雙相鋼廣泛用于核工業(yè)，特別是反應(yīng)器的閥門材料。研究表明，cf-8鋼分別在300℃，350℃，400℃三個(gè)溫度長(zhǎng)時(shí)間(70000小時(shí))時(shí)效處理后，內(nèi)部組織中析出ni16mn6si7相，同時(shí)鐵素體相中發(fā)生了富fe的bcc相和富cr的bcc相的失穩(wěn)分解，導(dǎo)致該鋼沖擊韌性下降。

文獻(xiàn)4(characterizationoftheintermetallicg-phaseinanaisi329duplexstainlesssteel)介紹的是一種牌號(hào)為aisi329的雙相不銹鋼(鐵素體+奧氏體)，該鋼的化學(xué)成分為：0.036wt.％c；1.73wt.％mn；0.34wt.％si；24.6wt.％cr；5.40wt.％ni；1.40wt.％mo；0.072wt.％n；余量為fe；該鋼作為結(jié)構(gòu)材料在石油化工與火力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。文獻(xiàn)4表明，該雙相鋼在475℃長(zhǎng)期時(shí)效15000小時(shí)后，鐵素體相發(fā)生富fe的bcc相和富cr的bcc相的失穩(wěn)分解，同時(shí)，在失穩(wěn)分解的界面上析出顆粒尺寸在20～50nm左右的ni16mn6si7相。

關(guān)于發(fā)電站管道用鋼的國內(nèi)外的專利與文獻(xiàn)還有很多，這些文獻(xiàn)與專利大多都是針對(duì)原有耐熱鋼成分的進(jìn)一步優(yōu)化，一定程度上改善了耐熱鋼的性能，但不可避免的存在著一些共性問題。比如耐熱鋼中析出強(qiáng)化相的熱穩(wěn)定性問題，m23c6碳化物與mx碳氮化物的溶解溫度均在600～620℃左右，長(zhǎng)時(shí)間的高溫服役使這些強(qiáng)化相粗化顯著，高溫力學(xué)性能惡化。此外,目前的耐熱鋼中鉻含量都控制在9-12wt％，借以誘發(fā)馬氏體相變，得到高強(qiáng)度的馬氏體基體組織。鉻含量的限制使得該類鋼的耐高溫蒸汽腐蝕能力明顯不足。在長(zhǎng)期使用過程中管道內(nèi)壁氧化腐蝕嚴(yán)重，可能導(dǎo)致氧化層脫落引發(fā)管道爆裂等事故。

綜上所述，針對(duì)目前鐵素體耐熱鋼領(lǐng)域的相關(guān)專利，其析出強(qiáng)化相的熱穩(wěn)定性大多都在620℃以下，相的熱穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。到目前為止，研究發(fā)現(xiàn)ni16m6si7硅化物相在馬氏體鋼和雙相不銹鋼中的析出過程復(fù)雜，且多為有害相。而該化合物在鐵素體鋼中的研究尚未有任何報(bào)道。

本發(fā)明通過合金的成分設(shè)計(jì)，目的在于提供一種金屬間化合物ni16m6si7(m＝ti,nb)析出強(qiáng)化的鐵素體耐熱鋼。該鐵素體耐熱鋼在時(shí)效過程中基體析出一種球狀的、彌散分布的、共格的納米級(jí)金屬間化合物ni16m6si7(m＝ti,nb)相，相的熱穩(wěn)定性高，析出強(qiáng)化的效果十分顯著。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種金屬間化合物ni16m6si7(m＝ti,nb)析出強(qiáng)化的鐵素體耐熱鋼。本發(fā)明的高鉻鐵素體耐熱鋼鉻含量高，因而具有較高的抗高溫氧化腐蝕能力，納米級(jí)ni16m6si7(m＝ti,nb)相的分解溫度高，600℃高溫瞬時(shí)拉伸強(qiáng)度在300mpa以上，因此有望在高于620℃工作條件下使用。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：所述鐵素體耐熱鋼的化學(xué)成分及其含量是:65～75wt.％fe，18～25wt.％cr，85～95wt.％(fe+cr)；1～5wt.％ni，0～2wt.％mn，2～4wt.％si，0.5～3wt.％ti，1～2.5wt.％nb，7～13wt.％(ni+mn+si+ti+nb)；0～0.05wt.％c,0～0.08wt.％b，0～0.1wt.％(c+b)。按所述的高鉻鐵素體耐熱鋼的化學(xué)成分及其含量進(jìn)行配料,在電弧熔煉爐中熔煉成紐扣狀合金,在900～1100℃中固溶處理，800～1000℃熱軋成板材；最后在600～800℃中時(shí)效處理0.25～1小時(shí)，空冷即制得本發(fā)明的鐵素體耐熱鋼。

本發(fā)明的特色

本發(fā)明提供了一種鐵素體耐熱鋼。與現(xiàn)有的耐熱鋼相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：

1.該合金成分有別于目前所有鐵素體耐熱鋼的合金成分

本發(fā)明提供的是一種全新的、基于金屬間化合物ni16m6si7(m＝ti,nb)析出強(qiáng)化的高鉻鐵素體耐熱鋼，主要元素鐵占質(zhì)量百分比的65～75％，鉻占18～25％，合金化元素(ni/mn/si/nb/ti)占7～15％。本發(fā)明合金的化學(xué)成分有別于目前已有的9～12％鉻系列鐵素體耐熱鋼合金體系。

2.本發(fā)明的耐熱鋼采用ni16m6si7(m＝ti,nb)硅化物作為析出強(qiáng)化相

ni16m6si7(m＝ti,nb)硅化物為復(fù)雜的面心立方結(jié)構(gòu)。該硅化物相以納米級(jí)的球狀顆粒的形式，彌散的分布在鐵素體基體中，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，具有良好的析出強(qiáng)化的效果。

3.本發(fā)明的耐熱鋼提供的硅化物析出相的熱穩(wěn)定性高

析出相的穩(wěn)定性決定了耐熱鋼的使用溫度。本發(fā)明的硅化物在600～800℃析出。本發(fā)明的耐熱鋼在660℃下長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效2000小時(shí)后，硅化物析出相以15～25納米的尺寸彌散分布，基本沒有長(zhǎng)大。

4.本發(fā)明的耐熱鋼具有良好的力學(xué)性能

本發(fā)明的鐵素體耐熱鋼組織為塑性良好的bcc鐵素體，依靠析出金屬間化合物ni16m6si7(m＝ti,nb)增強(qiáng)基體，室溫拉伸強(qiáng)度高達(dá)1000mpa。而且本發(fā)明的耐熱鋼可根據(jù)服役環(huán)境需求，調(diào)控硅化物顆粒的體積分?jǐn)?shù)，制備出了700～1000mpa之間不同拉伸強(qiáng)度的耐熱鋼。

5.本發(fā)明的耐熱鋼的制備技術(shù)及熱處理工藝簡(jiǎn)單

本發(fā)明的耐熱鋼制備工藝簡(jiǎn)單，尺寸或形狀可控。傳統(tǒng)的鑄造、定向凝固、單晶生長(zhǎng)等方式也可以作為非限定實(shí)例。同時(shí)，本發(fā)明的合金熱處理工藝簡(jiǎn)單，在工業(yè)中具有可操作性。

本發(fā)明與目前已有的文獻(xiàn)、專利文件相比，具有以下不同點(diǎn)：

1.本發(fā)明與專利cn104726779a相比：

專利cn104726779a中的高鉻鐵素體耐熱鋼與本發(fā)明的鐵素體耐熱鋼在主要合金化元素及其含量上明顯不同。主要表現(xiàn)在專利cn104726779a中的鉻含量為8.5～9.5wt.％,co為2.5～3.5wt.％,w+mo為2.8～3.3wt.％；而本發(fā)明中的鉻含量為18～25wt％，且不含高熔點(diǎn)的mo、w等元素，二者在成分上明顯不同。同時(shí)，專利cn104726779a中的析出強(qiáng)化相為laves相與碳化物mx相，而本發(fā)明的強(qiáng)化相是硅化物ni16m6si7(m＝ti,nb)，與專利cn104726779a中析出相的結(jié)構(gòu)截然不同。

2.本發(fā)明與專利cn103131953a相比：

專利cn103131953a中的鐵素體耐熱鋼以鐵鉻鎢鈷為基礎(chǔ)元素，其中鉻元素含量為8～15wt.％,鎢和鈷元素的含量均在3wt.％以下；而本發(fā)明的鐵素體耐熱鋼不含有鈷與鎢元素，且鉻含量在18～25wt.％，可見二者為不同的合金系。

3.本發(fā)明與文獻(xiàn)1～4中的雙相鋼相比：

文獻(xiàn)1～4中的鋼種為雙相鋼，其基體為鐵素體加奧氏體兩相組織，二者的體積分?jǐn)?shù)各占一半左右。而本發(fā)明耐熱鋼的鋼種為鐵素體鋼，組織為簡(jiǎn)單體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體組織，二者在組織結(jié)構(gòu)上截然不同，分屬于兩類不同的鋼種。

附圖說明

圖1.本發(fā)明制備的金屬間化合物ni16m6si7(m＝ti,nb)析出強(qiáng)化的耐熱鋼的典型顯微組織(a)及其衍射圖譜(b)；

圖2.本發(fā)明制備的金屬間化合物ni16m6si7(m＝ti,nb)析出強(qiáng)化的耐熱鋼在660℃時(shí)的時(shí)效硬化曲線(a)及長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效的典型組織(b)；

圖3.本發(fā)明制備的金屬間化合物ni16m6si7(m＝ti,nb)析出強(qiáng)化的耐熱鋼的室溫與高溫拉伸曲線；

附表說明

表1.本發(fā)明三個(gè)實(shí)施例與三個(gè)典型牌號(hào)耐熱鋼的化學(xué)成分與室溫力學(xué)性能對(duì)比；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述,并非對(duì)其保護(hù)范圍的限制。

實(shí)施例1

一種納米級(jí)ni16m6si7(m＝ti,nb)析出相強(qiáng)化的鐵素體耐熱鋼及其制備方法。所述高鉻鐵素體耐熱鋼的化學(xué)成分及其含量是：cr為19wt.％；ni為3wt.％；mn為0.3wt.％；si為3wt.％；ti為1.5wt.％；c為0.08wt.％；b為0.05wt.％；余量為fe和不可避免的雜質(zhì)。

按所述的高鉻鐵素體耐熱鋼的化學(xué)成分及其含量進(jìn)行配料,在真空電弧熔煉爐中熔煉合金,熱軋成板材，再在660℃條件下時(shí)效處理20分鐘,空冷制得所述ni16m6si7(m＝ti,nb)強(qiáng)化的鐵素體耐熱鋼。圖1為納米級(jí)ni16m6si7(m＝ti,nb)析出相強(qiáng)化的鐵素體耐熱鋼的典型顯微組織及其衍射圖譜，表明ni16m6si7(m＝ti,nb)為納米級(jí)彌散顆粒，并且與基體呈共格關(guān)系。

實(shí)施例2

一種納米級(jí)ni16m6si7(m＝ti,nb)析出相強(qiáng)化的素體耐熱鋼及其制備方法。所述高鉻鐵素體耐熱鋼的化學(xué)成分及其含量是：cr為22wt.％；ni為1.8wt.％；mn為0.5wt.％；si為3.3wt.％；nb為1.3wt.％；c為0.05wt.％；b為0.05wt.％；余量為fe和不可避免的雜質(zhì)。

按所述的高鉻鐵素體耐熱鋼的化學(xué)成分及其含量進(jìn)行配料,在真空電弧熔煉爐中熔煉合金,熱軋成板材，再在760℃條件下時(shí)效處理30分鐘,空冷制得所述ni16m6si7(m＝ti,nb)析出相強(qiáng)化的鐵素體耐熱鋼。圖2為實(shí)施案例2制備的22cr鐵素體耐熱鋼在660℃下時(shí)效后的硬度隨時(shí)效時(shí)間的變化曲線，ni16m6si7(m＝ti,nb)析出使得該合金鋼的維氏硬度從280提高到了370hv,表明納米級(jí)ni16m6si7(m＝ti,nb)析出相的析出硬化極其顯著；

實(shí)施例3

一種納米級(jí)ni16m6si7(m＝ti,nb)顆粒強(qiáng)化的鐵素體耐熱鋼及其制備方法。所述高鉻鐵素體耐熱鋼的化學(xué)成分及其含量是：cr為18wt.％；ni為2.5wt.％；mn為0.5wt.％；si為2wt.％；ti為0.85wt.％；c為0.07wt.％；b為0.05wt.％；余量為fe和不可避免的雜質(zhì)。

按所述的高鉻鐵素體耐熱鋼的化學(xué)成分及其含量進(jìn)行配料,在真空電弧熔煉爐中熔煉合金,熱軋成板材，再在660℃條件下時(shí)效處理30分鐘,空冷制得所述ni16m6si7(m＝ti,nb)析出強(qiáng)化的鐵素體耐熱鋼。圖3為實(shí)施案例3制備的19cr鐵素體耐熱鋼的室溫高溫拉伸曲線，表明ni16m6si7(m＝ti,nb)相的析出使得該合金鋼的室溫極限拉伸強(qiáng)度從固溶態(tài)的400mpa升高到950mpa，600℃高溫瞬時(shí)強(qiáng)度也在300mpa以上；