一種新型奧氏體耐熱合金材料及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于合金鋼冶煉技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種新型奧氏體耐熱合金材料及其制造 方法。該奧氏體耐熱合金材料能夠成為在高溫和強氧化、強腐蝕的環(huán)境下承受較大應(yīng)力的 結(jié)構(gòu)件用鋼。
【背景技術(shù)】
[0002] 在航天、艦船、電力、石油化工等領(lǐng)域中，發(fā)動機(jī)、蒸汽鍋爐、蒸汽渦輪、乙烯裂解爐 及制氨轉(zhuǎn)化爐等有關(guān)部件被長期使用在高溫中，這些部件在高溫下承載拉伸、彎曲、扭著、 疲勞和沖擊等各種載荷，同時還與高溫蒸汽、空氣或燃?xì)饨佑|，使表面發(fā)生高溫氧化或氣體 腐蝕。在高溫環(huán)境下工作，鋼和合金將產(chǎn)生原子擴(kuò)散過程，從而引發(fā)金相組織轉(zhuǎn)變，因此這 就要求在該環(huán)境中使用的鋼種必須具有良好的高溫強度及與之相適應(yīng)的塑性，抗高溫氧化 性，同時還要具有足夠高的化學(xué)穩(wěn)定性。隨著技術(shù)的發(fā)展，使得其操作溫度不斷提高，在某 些領(lǐng)域所使用部件表面溫度已高達(dá)ll〇〇°C，這將對鋼材的性能要求進(jìn)一步提高。
[0003] 例如，近年來，為了實現(xiàn)高效率化，全世界正在新建提高蒸汽的溫度和壓力的超臨 界壓力鍋爐。具體而言，還計劃將迄今為止600°C左右的蒸汽溫度提高到650°C以上，進(jìn)一 步提高到700°C以上。這是基于，節(jié)能和資源的有效利用以及用于保護(hù)環(huán)境的降低0) 2氣體 排放量已成為能源問題的解決課題之一，已成為重要的產(chǎn)業(yè)政策。并且也是由于，在燃燒化 石燃料的發(fā)電用鍋爐、化學(xué)工業(yè)用的反應(yīng)爐等的情況下，效率高的超臨界壓力鍋爐或反應(yīng) 爐是有利的。
[0004] 蒸汽的高溫高壓化使由鍋爐的過熱器管和化學(xué)工業(yè)用的反應(yīng)爐管以及作為耐熱 耐壓部件的厚板和鍛造品等形成的高溫設(shè)備在實際操作時的溫度上升至700°c以上。因此， 要求在這種嚴(yán)苛環(huán)境下長期使用的材料不僅具有高溫強度和高溫耐腐蝕性，還要求其金屬 組織的長期穩(wěn)定性、蠕變特性良好。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中，在上述環(huán)境中所使用的鋼種是以HP系列為主，HP40鋼，雖然具有一 定的抗高溫氧化性能，但其制造成本高，使用壽命短，增加部件消耗，加大了生產(chǎn)成本，降低 了生產(chǎn)效率。具有體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體型耐熱鋼，在600_650°C溫度條件下其蠕變強度會 明顯下降。具有面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體耐熱鋼，雖然在650°C或更高溫度具有較高的高溫 強度，但因其奧氏體耐熱鋼中存在硬而脆的σ相， 〇相在合金中形成片狀且數(shù)量達(dá)到2-5% 時，晶界出現(xiàn)偏聚會，引起脆化效應(yīng)，最終導(dǎo)致合金失效，部件損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，進(jìn)一步提高奧氏體耐熱合金材料的高溫強 度，顯著降低脆化效應(yīng)，本發(fā)明的目的提供一種材料組分設(shè)計合理、制造工藝簡單，高溫抗 氧化性、耐腐蝕性、抗疲勞、抗蠕變性能和抗沖擊韌性均非常優(yōu)秀的奧氏體耐熱合金材料。 該奧氏體耐熱合金材料在900°C的高溫條件下，仍然具有優(yōu)良的強度和與之相適應(yīng)的塑性 強度；其抗拉強度可達(dá)868MPa，沖擊韌性52J，該材料在900°C下循環(huán)氧化100小時的氧化 增重速度小于0. 092,該材料在900°C下時效2000小時硬度為195HB。
[0007] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：一種新型奧氏體耐熱合金材料， 按重量百分比計算，所含成分如下： C ：0. 04-0. 08% ； Si ：2, 05-2. 80% ； Mn ： 1. 3-2. 0% ； P :彡 0.035%; S ： ^ 0. 030% ； Cr ： 23. 5-26. 0% ； Ni ：19, 2-22. 0% ； N： 0.08%; Co: 0. 20-1. 50% ； Mo ：0. 10-0. 20% ； Xt (稀土）： 0. 01-1. 0%; 余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
[0008] 本發(fā)明的再一目的是提供一種新型奧氏體耐熱合金材料的制造方法，該制造方法 包括以下步驟： 1) 原料配制，其中奧氏體耐熱合金材料的各原料組分以及各組分的重量百分比如下： C ：0. 04-0. 08% ； Si ：2, 05-2. 80% ； Mn ： 1. 3-2. 0% ； P :彡 0.035%; S ： ^ 0. 030% ； Cr ： 23. 5-26. 0% ； Ni ：19, 2-22. 0% ； N： 0.08%; Co: 0. 20-1. 50%; Mo ：0. 10-0. 20% ； Xt (稀土）： 0. 01-1. 0%; 余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)； 2) 初期精煉，將按前述配制的原料裝入感應(yīng)爐中冶煉，其中初期精煉溫度控制在 1540°C -1590°C，初期精煉時間為25-45分鐘； 3) 電渣精煉，電渣精煉期溫度控制在1540°C -1580°C，熔煉電壓45-50V，熔煉電流 2600-3000A，電渣精煉時間為35 - 45分鐘； 4) 鍛造，鍛造溫度1180°C _950°C，開鍛溫度1180°C ; 5) 熱乳，熱軋溫度1150°C _900°C，開軋溫度1150°C ; 6) 退火，退火溫度950°C -1040°C，水冷時間1. 5小時； 7) 對材料進(jìn)行多次循環(huán)的拉拔一退火一拉拔，即得到奧氏體耐熱合金材料成品。
[0009] 優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟7)中的拉拔是采用單車進(jìn)行拉拔。
[0010] 進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟7)中的退火溫度為950°C -1040°C，退火保溫時 間為1小時。
[0011] 更進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟2)中將原料裝入感應(yīng)爐中的順序為：碳C、純 鐵Fe、金屬鉻Cr、鎳板Ni、硅Si、錳Mn、鈷Co、鉬Mo,最后在出爐前5分鐘將所述稀土 Xt加 入鋼液中，并充分?jǐn)嚢杈鶆颉?br>[0012] 本發(fā)明一種新型奧氏體耐熱合金材料所設(shè)計成分的原理如下： C :非常有效的硬化和固溶強化組元，保證高溫強度。但常常作為裂紋源出現(xiàn)，如含量過 高容易形成脆硬組織而引發(fā)延遲裂紋，其成分重量％限制在〇. 04-0. 08% ; Mn :脫氧和脫硫作用，確?？寡趸缘闹匾?，其成分重量％限制在1. 3-2. 0% ; Si :脫氧、提高屈服強度、耐高溫腐蝕性，其成分重量％限制在2. 05-2. 80% ; Ni :鎳能提高鋼的強度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力， 在高溫下有防銹和耐熱能力。提高材料韌性，對強度的提高也有貢獻(xiàn)，其成分重量％限制在 19. 2-22. 0% ； Cr :確保抗氧化性、耐高溫腐蝕性、提高高溫強度不可缺少的元素，含量過低，不能顯現(xiàn) 效果，含量過高，強度和韌性顯著降低，其成分重量％限制在23. 5-26. 0% ; N :在材料中起固溶、發(fā)揮其微細(xì)分散強化作用，可擴(kuò)大和穩(wěn)定奧氏體，N與其他合金元 素形成強化相，增加沉淀強化相的數(shù)量，有利于加強沉淀強化效應(yīng)，該發(fā)明中，N元素的加入 主要起到抑制σ相的作用，其成分重量％限制在0. 08% ; S、P :是材料中不可避免的有害雜質(zhì)元素，其含量越低越好，其成分重量％，P : ^ 0. 035%, S ： ^ 0. 030% ； Co :本發(fā)明中Co的加入可提高原子間的結(jié)合力，減緩擴(kuò)散，起到固溶強化作用，與Mo結(jié) 合其固溶強化效果更好，有效提高強度。其成分重量％限制在0. 20% ; Mo :鉬能使鋼的晶粒細(xì)化，顯著提高晶界的結(jié)合力，強化晶界，提高淬透性和熱強性能， 在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力。本發(fā)明中與硅、鉻結(jié)合，有提高抗腐蝕性和抗氧 化的作用，其成分重量％限制在〇. 10% ; Xt :材料中加入稀土，與Cr、Si的復(fù)合作用下具有良好的抗氧化性，稀土是強還原性元 素，稀土與硫有很大的親和力，在溶池中不僅具有脫氧作用，還具有明顯脫硫改善硫化物夾 雜的尺寸、形態(tài)和分布作用，減少材料中的夾雜物含量，可以改變夾雜物的組成、形態(tài)、分布 和性質(zhì)，抑制這些夾雜物在晶界中的偏析，從而改善了耐熱鋼的各種性能，本發(fā)明中成分重 量％限制在0. 01-1. 0%。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為： 1.成分設(shè)計合理、制造工藝簡單，在900°c下具有優(yōu)良的高溫強度及與之相適應(yīng)的塑 性，較高的抗高溫氧化性能，耐腐蝕性、抗疲勞、抗蠕變性能和抗沖擊韌性。
[0014] 2.因在本耐熱鋼