專利名稱：具有良好抗氧化性的奧氏體不銹鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及按照權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼。在用作過熱器鋼方面，舉例而言，諸如在常用燃媒鍋爐中，它具有特別良好的抗氧化性。
對(duì)被用于高溫場合的材料，要求在升溫下有良好的抗氧化和抗腐蝕性、強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性意指的是，在使用期間材料結(jié)構(gòu)不應(yīng)變壞，形成引起脆性的相。材料的選擇要依賴于溫度、載荷，以及必然考慮的費(fèi)用而定。
對(duì)本發(fā)明十分重要的在高溫范圍的抗氧化性意指的是，該材料在所受的環(huán)境之中的抗氧化能力。在氧化條件下，也即在包含有氧化氣體(主要是氧和水蒸氣)的氣氛中，在該鋼的表面生成氧化層。當(dāng)該氧化層達(dá)到一定厚度，氧化物鱗片脫離該表面，即一種被稱為起鱗的現(xiàn)象。由于起鱗，新的金屬表面被曝置，這些表面也氧化。按此，由于鋼不斷地轉(zhuǎn)變成氧化物的事實(shí)，其載荷能力逐步變壞。
起鱗也產(chǎn)生其它問題。在過熱器的管中，氧化物鱗片由蒸汽帶出，并且，如果這些鱗片積累起來(例如，在彎頭處)，可能會(huì)堵塞管中的蒸汽流動(dòng)，并且，會(huì)因過熱而引起破裂。再有，氧化物鱗片在透平機(jī)系統(tǒng)中可能會(huì)引起所謂的固體顆粒腐蝕。起鱗也可能會(huì)在鍋爐中造成表現(xiàn)為低效率、難以預(yù)測(cè)的檢修停運(yùn)和高檢修費(fèi)用的大問題。起鱗問題較小可以使運(yùn)行的鍋爐有較高的蒸汽溫度，它有助于提高動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性。
按此，具有良好抗氧化性的材料所形成的氧化物，應(yīng)當(dāng)具有緩慢生長并對(duì)金屬表面有強(qiáng)附結(jié)力的能力。材料所受的溫度越高，氧化物的形成就越強(qiáng)烈。材料的抗氧化性的度量是所謂的起鱗溫度。它被定義為，與氧化相關(guān)的材料損耗量等于某一定值(舉例而言1.5g/m2·h)時(shí)的溫度。
提高抗氧化性的常用方法是添加鉻，通過使材料產(chǎn)生一保護(hù)性氧化物層提高抗氧化性。在升溫下，材料要受到蠕變變形。通過添加奧氏體穩(wěn)定物質(zhì)(諸如鎳)所制得的奧氏體基質(zhì)，由于極小二次相沉積(例如，碳化物)，對(duì)蠕變強(qiáng)度產(chǎn)生有利的影響。進(jìn)入鋼中鉻的合金化增加了析出所謂σ相的趨勢(shì)。如上所述，此點(diǎn)可通過添加奧氏體穩(wěn)定化物質(zhì)鎳來抵消。
錳和鎳兩者對(duì)該材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性都有正面影響。這些元件都起穩(wěn)定奧氏體元素的作用，也即，它們抵消在操作期間造成脆性σ相的析出。通過與硫的結(jié)合，錳也提高了在焊接期間的抗熱裂性(heatcheck resistance)。良好的可焊接性構(gòu)成該材料的一個(gè)重要性質(zhì)。
18Cr-10Ni型奧氏體不銹鋼具有這些性質(zhì)的優(yōu)良結(jié)合，因此，常常應(yīng)用于高溫場合。頻繁使用的這類合金是SS2337(AISI321型)，相當(dāng)于Sandvik8R30。該合金由于鈦的添加具有良好的強(qiáng)度，并且具有良好抗腐蝕性能，所以多年以來它一直被用于例如動(dòng)力廠過熱器管一類材料中。然而，這種合金的弱點(diǎn)是有限的抗氧化性，形成了對(duì)工作壽命和最高使用溫度的限制。
蘇聯(lián)發(fā)明者證書SU1038377揭示了據(jù)稱有抗應(yīng)力腐蝕能力的合金鋼，主要用于含氯環(huán)境。然而，這類問題主要與低溫場合而不是與過熱場合有關(guān)。它包含(按wt％)0.03-0.08C,0.3-0.8Si,0.5-1.0Mn,17-19Cr,9-11Ni,0.35-0.6Mo,0.4-0.7Ti,0.008-0.02N,0.01-0.2Ce,余兩為Fe。此外，舉例而言，它的抗熱裂性和可焊接性也是不能令人滿意的。
按此，本發(fā)明的主要目的將是提供在高溫場合、主要在一種蒸汽環(huán)境下具有非常良好的抗氧化性的18Cr-10Ni型鋼，并因此有較長的壽命。
本發(fā)明的第二個(gè)目的將是提供具有較高的最高使用溫度的18Cr-10Ni型鋼。
按在權(quán)利要求1中所規(guī)定的分析組分提供的鋼類，可以令人驚奇地達(dá)到上述和其它的目的。
大體上，本發(fā)明是由經(jīng)調(diào)整和改進(jìn)的SS2337變種組成的，它的分析成分如下(％重量)C:0.04-0.08Si:0.3-0.7Mn:1.3-1.7P最大值0.040S最大值0.015Cr:17.0-17.8Ni:10.0-11.1Mo最大值0.7Ti最大值0.6Cu最大值0.6Nb最大值0.05N最大值0.050本發(fā)明的主要特點(diǎn)是，把稀土金屬，即純鑭，添加到基本上相當(dāng)于上述SS2337的合金中，然而，不同之點(diǎn)是其中某些元素的范圍加寬了。純鑭的添加產(chǎn)生了在空氣中和水蒸汽中令人驚異的優(yōu)良的抗氧化性，并保持良好的強(qiáng)度和腐蝕性。廣泛的研究已經(jīng)表明，就氧化性和熱加工性而言，該含量的最佳范圍是0.02％(重量)＜La≤0.11％(重量)。不受任何基本理論之束縛，認(rèn)為氧化性質(zhì)的提高依賴于被溶解在鋼中的稀土元素含量，因此，降低諸如S,O和N類元素含量是重要的。
下面列舉了每一元素優(yōu)選選用范圍碳與Ti一起給材料提供足夠的蠕變強(qiáng)度。過高量會(huì)造成碳化鉻沉積，產(chǎn)生兩方面負(fù)效應(yīng)a)碳化物在晶粒界面上的析出，增加了晶間腐蝕的危險(xiǎn)，也即，該材料被敏化了。
b)碳化鉻與鉻結(jié)合，會(huì)使材料抗氧化性變劣。
由于這些原因，所選用的碳含量最大值為0.12％(重量)，優(yōu)選的最大值為0.10％(重量)，特別是在0.04-0.08％(重量)。
硅提供優(yōu)良的可焊接性和可澆鑄性。過高的硅含量會(huì)造成脆性。因此，適用的硅含量為最大值1.0％(重量)，優(yōu)選的最大值為0.75％(重量)，特別是0.3-0.7％(重量)。
鉻提供優(yōu)良抗腐和抗氧化性。然而，鉻是鐵素體穩(wěn)定元素，由于產(chǎn)生所謂的σ-相，過高的鉻含量會(huì)增加脆性的危險(xiǎn)。由于這些原因，選用的鉻含量范圍在16-22％(重量)，優(yōu)選范圍在17-20％(重量)，特別是17-19％(重量)。
錳對(duì)硫有高的親和力，生成MnS。在制作時(shí)，這點(diǎn)改善了可加工性，并且在焊接時(shí)，提高了對(duì)熱裂紋形成的抗性。再有，錳是奧氏體穩(wěn)定劑，它對(duì)任何脆性起抵消作用。另一方面，Mn成為高合金成本的原因之一。由于這些理由，適用的錳含量的選定在最大值2.0％(重量)，優(yōu)選的范圍為1.3％-1.7％(重量)。
鎳是奧氏體穩(wěn)定劑，添加鎳以獲得奧氏體結(jié)構(gòu)，提高強(qiáng)度，抵消脆性。然而，鎳形成高合金成本，這點(diǎn)與錳相同。由于這些理由，合適的鎳含量范圍選定在8-14％(重量)，優(yōu)選范圍為9.0-13.0％(重量)，特別是在9.5-11.5％(重量)。
鉬會(huì)促進(jìn)脆性σ-相析出。因此，Mo的含量不應(yīng)當(dāng)超過1.0％(重量)。
鈦對(duì)碳有高親和力，通過碳化物形成，提高蠕變強(qiáng)度，在固溶體中的鈦也提供良好的蠕變強(qiáng)度。Ti與碳結(jié)合的事實(shí)也降低了在晶粒界面析出碳化鉻(所謂敏化)的危險(xiǎn)。另一方面，過高的鈦含量會(huì)產(chǎn)生脆性。由于這些原因，Ti含量不應(yīng)當(dāng)?shù)陀谔己康?倍，并且，不超過0.80％(重量)。
另一可選擇方法，可以用鈮而不是用鈦使該鋼穩(wěn)定化。按與對(duì)鈦相同理由，適用的鈮含量不應(yīng)當(dāng)?shù)陀谔己康?倍，并且不應(yīng)當(dāng)超過1.0％(重量)。
氧、氮和硫一般以氧化物、氮化物和硫化物形式與所選用的稀土金屬相結(jié)合。因此，這些元素不會(huì)提高抗氧化性。由于這些原因，S和O兩元素之中每一元素的含量不應(yīng)超過0.03％(重量)，N元素含量不應(yīng)超過0.05％(重量)。優(yōu)選的S和O含量不應(yīng)超過0.005％(重量)，N含量不應(yīng)超過0.02％(重量)。
鑭如上所述可提高抗氧化性，也以小量方式添加。低于某一濃度，這種提高效果不明顯。在添加量超過某一限度后，抗氧化性不會(huì)進(jìn)一步提高。由于這些理由，合適的鑭含量選定在0.02-0.11％(重量)之間，優(yōu)選范圍為0.05-0.10％(重量)。
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。附圖中
圖1顯示在700℃水蒸氣中氧化試樣3000小時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果；圖2顯示鑭對(duì)試樣加工性的影響。
通過在HF爐中熔融制備具有不同稀土金屬含量的SS2337熔體，并澆鑄成錠。其化學(xué)組分示于下表1中。從該錠橫截鋸切10mm厚的板，其后，將其熱軋成大約4mm厚度的板。這一步驟的目的將是粉碎鑄造結(jié)構(gòu)，獲得一種大小均勻的粒徑。同時(shí)，獲得該合金熱加工性的指標(biāo)。其后，根據(jù)這類鋼的實(shí)際用途，使該熱軋板退火，也即在1055℃下保持10分鐘，隨后進(jìn)行水淬火。
表1<t
為進(jìn)行氧化試驗(yàn)，切成15×30mm大小的稱謂氧化試樣的矩形條，用200目砂紙研磨表面。其后，在700℃水蒸氣中氧化試樣3000小時(shí)。在圖1中可見該試驗(yàn)結(jié)果。在該圖中已經(jīng)描出了在水蒸氣中氧化期間的重量變化對(duì)試驗(yàn)時(shí)間的函數(shù)曲線。
在圖1中，可以見到無任何稀土金屬的SS2337試樣(批號(hào)654695)，在700℃蒸汽中1000小時(shí)后重量減少，此點(diǎn)意味著材料剝落，也即，氧化物鱗片的掉落。對(duì)已與純鑭和與其它稀土金屬合金化的批號(hào)，僅發(fā)生稍微的重量增加。此點(diǎn)表明，該金屬形成了具有良好粘附力的氧化物。如上所述，這是一種適用于過熱器管的合金的理想性質(zhì)。
為了尋找出稀土金屬Ce和La對(duì)熱加工性能的影響，進(jìn)行了這樣的研究。根據(jù)上述步驟制作批樣，其后，進(jìn)行不同溫度下熱張力試驗(yàn)。圖2的結(jié)果表明，鑭對(duì)熱加工性不會(huì)有負(fù)面影響，Ce也是這種情況。
氧化性質(zhì)的改進(jìn)來自存在于鋼溶體中的La量。諸如硫、氧和氮元素易于和已在鋼熔體中的La反應(yīng)，生成穩(wěn)定的硫化物、氧化物和氮化物。因此，被結(jié)合在這些化合物中的La，不再對(duì)氧化性產(chǎn)生影響。為此，應(yīng)當(dāng)保持S,O,N的低含量。
進(jìn)行的蠕變?cè)囼?yàn)證明稀土金屬合金材料不會(huì)損害蠕變強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.按如下分析成分(％重量)的奧氏體不銹鋼C:＜0.12，Si:＜1.0，Cr:16-22，Mn:＜2.0，Ni:8-14，Mo:＜1.0，Ti:＞4倍的C％(重量)并且＜0.8，或者Nb:8倍的C％(重量)并且＜1.0，S:＜0.03，O:＜0.03，N:＜0.05，La:≥0.02并≤0.11，余量為Fe和正常出現(xiàn)的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1的鋼，其中，碳含量在0.04-0.08％(重量)之間。
3.如權(quán)利要求1或2的鋼，其中，硅含量在0.3-0.7％(重量)之間。
4.如權(quán)利要求1-3的鋼，其中，鉻含量在17-20％(重量)之間。
5.如權(quán)利要求1-4的鋼，其中，錳含量在1.3-1.7％(重量)之間。
6.如權(quán)利要求1-5的鋼，其中，鎳含量在9.0-13.0％(重量)之間。
7.如權(quán)利要求1-6的鋼，其中，La含量≥0.05％(重量)且≤0.10％(重量)。
8.如權(quán)利要求1-7之中任一項(xiàng)的鋼作為過熱器鋼、舉例而言用于燃煤鍋爐中的過熱器鋼的應(yīng)用。
9.如權(quán)利要求1-7之中任一項(xiàng)的鋼作為熱交換器鋼的應(yīng)用。
10.如權(quán)利要求9的應(yīng)用，用于乙烯爐的對(duì)流部件。
全文摘要
提供了一種新的按如下分析組分的奧氏體不銹鋼:C:< 0.12,Si:< 1.0,Cr:16—22,Mn:< 2.0,Ni:8—14,Mo:< 1.0,Ti:> 4倍的C%(重量)并且< 0.8,或者Nb:8倍于C%(重量)并且< 1.0,S:< 0.03,O:< 0.03,N:< 0.05,La:≥0.02和≤0.11,余量為Fe和正常出現(xiàn)的雜質(zhì)。該新型鋼特別合于用作過熱器鋼和換熱器鋼。
文檔編號(hào)C22C38/50GK1222583SQ9812317
公開日1999年7月14日 申請(qǐng)日期1998年12月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月5日
發(fā)明者約翰·林登 申請(qǐng)人:桑德維克公司