CN103966517A

CN103966517A - 一种具有优良高温力学性能的铁素体不锈钢及其制造方法

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Publication number: CN103966517A
Application number: CN201410177886.7A
Authority: CN
Inventors: 张鑫; 秦斌
Original assignee: Baosteel Stainless Steel Co Ltd
Current assignee: Baosteel Stainless Steel Co Ltd
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2014-08-06

Abstract

一种具有优良高温力学性能的铁素体不锈钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C：0.01～0.07％，Si：0.50～1.50％，Mn：0.40～1.0％，Al：0.5～2.5％，S：0.001～0.005，Cr：12.0～20.0％，N：0.01～0.07％，O：0.002～0.008％，Tb：0.15～0.7％，Y：0.005～0.2％，Al+Si≥1.5％，Nb：≥7×C％，Y>5×S％，其余为Fe和不可避免的杂质；其采用如下步骤：经冶炼、浇铸后得铸坯，所得铸坯在1200～1250℃下保温180～240min，保温后对铸坯进行热轧、退火处理得热轧板，即得到所述成品铁素体不锈钢。本发明在不降低铁素体不锈钢常温下力学性能、耐腐蚀性能的前提下，进一步提高所述铁素体不锈钢的高温力学性能，如高温强度和高温塑形。

Description

一种具有优良高温力学性能的铁素体不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及铁素体不锈钢冶金和热处理领域，具体地，涉及一种具有优良高温力学性能的铁素体不锈钢及其制造方法，提高所述铁素体不锈钢在800～1000℃下的高温力学性能，适用于烤箱内胆、汽车排气管等装置的制造。

背景技术

传统铁素体不锈钢在耐蚀性和成型性等方面都有着优良的表现，但是在力学性能等方面，特别是高温力学性能往往表现不佳，主要是存在高温强度和塑性偏低的问题。高温强度和塑形的提高，一方面对于带钢在钢厂的生产有着重要的意义，可以避免带钢在热轧和热处理等高温生产工序中发生变形，断带的风险，另一方面，对于用户来讲，烤箱内胆，汽车排气管等所用的铁素体不锈钢都会在较高温度下长期使用，这也对铁素体不锈钢的高温力学性能提出了较高的要求。因此提高铁素体不锈钢的高温力学性能不仅对钢厂生产，对下游用户甚至消费者来说，都有着非常重要的意义。

目前，国内国外的一些不锈钢生产企业已经看准了优良高温力学性能铁素体不锈钢的应用前景，纷纷推出相关的一些高温下具有优良力学性能的铁素体不锈钢产品。其钢种化学成分如表1所示。

表1.现有专利中铁素体不锈钢成分(单位：wt％)

由表2可见，现有专利中铁素体不锈钢在1000℃这样的高温下屈服强度和抗拉强度均较低，无法满足钢种在高温条件下的使用要求。

应该看到，无论是从成分上还是工艺上改进，要在提高铁素体不锈钢的高温力学性能，确实有很多技术难点要攻克：

一方面，铁素体不锈钢一般主要的合金元素为Cr，而不含有Ni。恰恰Ni是提高不锈钢高温性能的主要合金元素，仅仅靠Cr的添加，对铁素体不锈钢在高温下力学性能影响很小；

另一方面，由于铁素体对C，N的固溶能力很弱，为了避免大量碳化物析出影响不锈钢的耐腐蚀性，铁素体不锈钢的C，N含量都非常低，而较低的碳氮含量恰恰是对高温力学性能非常不利的。

因此，既要保障铁素体不锈钢在常温下力学性能，耐腐蚀性能不下降，又要提高铁素体不锈钢的高温力学性能，必须通过其他元素的合金化作用以及苛刻的生产工艺条件才能完成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有优良高温力学性能的铁素体不锈钢及其制造方法，在不降低铁素体不锈钢常温下力学性能、耐腐蚀性能的前提下，进一步提高所述铁素体不锈钢在800～1000℃下的高温力学性能，如高温强度和高温塑形，适用于烤箱内胆、汽车排气管等装置的制造。

为达到上述目的，本发明主要采用如下技术方案：

一种具有优良高温力学性能的铁素体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.01～0.07％，Si：0.50～1.50％，Mn：0.40～1.0％，Al：0.5～2.5％，S：0.001～0.005，Cr：12.0～20.0％，N：0.01～0.07％，O：0.002～0.008％，Tb：0.15～0.7％，Y：0.005～0.2％，Al+Si≥1.5％，Nb：≥7×C％，Y>5×S％，其余为Fe和不可避免的杂质。

进一步，还包括Ti，Ti含量为0～0.3％，以重量百分比计。

在本发明具有优良高温力学性能的铁素体不锈钢的成分设计中：

C和N：由于碳氮含量对铁素体不锈钢的高温强度提高有一定的帮助，但是对高温塑性的提高却是有害元素，因此本发明中控制适中的碳和氮含量，既保证了铁素体不锈钢在高温下的强度，又不会使铁素体不锈钢高温塑形性能大幅下降。故而本发明将C含量限定为0.01～0.07％，将N含量限定为0.01～0.07％。

Si和Al：硅和铝的添加对铁素体不锈钢的高温力学性能都有明显的提升，而且Si和Al都是铁素体形成元素，有助于铁素体不锈钢在高温下保持单一的铁素体组织，这对钢厂的高温轧制有非常大的好处。但是Si和Al在提高铁素体不锈钢高温力学性能上又有一定的区别，Si能提高铁素体不锈钢的高温强度，但是对高温塑形提高几乎没有帮助，而Al既能提高高温强度，又能提高高温塑形，因此，Si和Al只有复合添加，而且Si和Al的含量之和也需要要到一定的数量后，才能对铁素体不锈钢的高温力学性能提高起到最佳的作用。故而本发明将S含量限定为0.50～1.50％，将Al含量限定为0.5～2.5％，由于Si和Al都是炼钢时常用的脱氧剂，容易在钢水中形成氧化物而被去除。为了保证有足够的Si和Al固溶在基体中，并且能够在不锈钢表面形成一层致密的SiO2和Al2O3薄膜，隔绝外部的氧气与集体发生反应，需要保证Si和Al在所述铁素体不锈钢内所占总含量需在1.5％以上。

O：由于Si和Al都是炼钢时的脱氧剂，为了帮助Si和Al在不锈钢基体中以固溶的形态存在，而不是以Si203，Al2O3等夹杂物形态析出，对氧的控制必须要达到非常精准的数字。若氧含量过高，会形成较多的Si203，Al2O3等氧化物夹杂，对本发明耐蚀性起到有害作用，但若氧含量过低，炼钢过程对氧的控制难以实现。因此，本发明将O含量控制在0.002～0.008％。

Nb：Nb的添加对于铁素体不锈钢高温强度和塑形的提高都有非常大的帮助，但是Nb必须以固溶形态存在于铁素体不锈钢体心立方晶格中，才能对高温力学性能起到有益的作用。由于Nb是较强的碳化物形成元素，极易与钢中的C元素结合形成NbC，从溶度积的角度来看，一个重量百分比的Nb可以结合7个重量百分比的C，因此，为了保证有充足的Nb可以固溶在基体中，提高基体的高温力学性能，必须使得Nb含量大于7倍的碳含量。因此本发明将Nb的含量限定为C含量的7倍以上。

Ti：可作为一种选加元素，在铁素体不锈钢中添加Ti，会对铁素体不锈钢高温塑形起到一定的作用。但若是不添加Ti，本发明的高温强度和塑形同样可以达到预定的目标。本发明将Ti含量限定为0～0.3％。

稀土Y：添加一定量的稀土元素Y，可以使材料中的S含量大幅降低或形成高熔点的稀土硫化物弥散于基体，这对提高铁素体不锈钢的高温强度和塑形都有非常大的帮助。本发明将Y含量限定为0.005～0.2％，且Y的含量限定高于S含量的5倍。

本发明的一种具有优良高温力学性能的铁素体不锈钢的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

铁素体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.01～0.07％，Si：0.50～1.50％，Mn：0.40～1.0％，Al：0.5～2.5％，Cr：12.0～20.0％，N：0.01～0.07％，O：0.002～0.008％，Tb：0.15～0.7％，Y：0.005～0.2％，Al+Si≥1.5％，Nb：≥7×C％，Y>5×S％，其余为Fe和不可避免的杂质；按上述化学成分经冶炼、浇铸后得铸坯，所得铸坯在1200～1250℃下保温180～240min，其中，Y以Fe-Y合金的形式加入；

2)热轧、退火

将保温后得到的铸坯进行热轧，热轧的终轧温度为850～900℃，退火温度840～870℃，退火时间16-24小时，得到所述成品铁素体不锈钢。

进一步，所述铁素体不锈钢成分还包括Ti，其含量为0～0.3％，以重量百分比计。

另，所述退火采用罩式炉退火。

且，所述Fe-Y合金中，Y的质量分数为12～16％。

其中，铸坯加热保温步骤中加热温度和保温时间控制如下：

当Al+Si≤1.2％，铸坯加热温度为1200℃，保温时间180min；

当Al+Si在1.2-1.7％时，铸坯加热温度1200-1250℃，保温时间180-240min；

当Al+Si≥1.7％，铸坯加热温度为1250℃，保温时间240min。

本发明的有益效果在于：

1)在保证铁素体不锈钢在常温下的力学性能、耐腐蚀性能的前提下，通过添加稀土元素Y，从而使得所述铁素体不锈钢中的S含量大幅降低或形成高熔点的稀土硫化物弥散于基体，从而提高铁素体不锈钢的高温强度和高温塑形；

2)提高铁素体不锈钢中C和N含量，但可有效避免碳化物析出，进而保证铁素体不锈钢的耐腐蚀性；

3)本发明的铁素体不锈钢在800～1000℃的高温时，仍然具有非常优良的高温力学性能和高温塑性，具体表现为1000℃下高温抗拉强度50MPa～80MPa，1000℃下高温屈服强度40MPa～60MPa，1000℃下高温断面收缩率50％～75％，800℃下100小时氧化增重0.02-0.04mg/cm²，900℃下100小时氧化增重0.07-0.09mg/cm²，1000℃下100小时氧化增重1.2～2.0mg/cm²。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

采用传统常规熔炼工艺方法，按比例投料(成分比例参见表3)，在投料时，采用纯铁管密封中间合金投入法。稀土元素Y以Fe-Y合金的形式加入，所述Fe-Y合金中，Y的质量分数为12～16％。经熔炼、冶炼浇铸后得铸坯，所得铸坯在1200～1250℃下保温180～240min，然后热轧，热轧的终轧温度为850～900℃，热轧后的板坯经840～870℃，16-24小时退火，得热轧板，即得到所述成品铁素体不锈钢。

其中，实施例一～四及对比例1～4工艺控制参见表4。

制得的铁素体不锈钢经检测，其在800～1000℃高温下抗拉强度，屈服强度，端面收缩率等高温力学、高温塑性指标如表5所示。

表3.本发明实施例与现有铁素体不锈钢成分对比(单位：wt％)

	C	Si	Mn	S	N	Cr	Nb	Ti	Al	Y
											实施例一	0.01	0.7	0.4	0.001	0.01	12	0.15	0.04	0.85	0.005
实施例二	0.04	0.9	0.6	0.002	0.04	18	0.4	0.15	1.5	0.1
											实施例三	0.07	1.5	1.0	0.005	0.07	20	0.7	－	2.5	0.2
实施例四	0.06	1.3	0.8	0.004	0.05	16	0.6	0.25	2.0	0.15
											对比例1	0.035	0.45	0.3	≤0.005	0.035	16	-	-	0.002	-
对比例2	0.02	0.45	0.3	≤0.001	0.02	11	－	≤0.2	0.002	-
											对比例3	0.01	0.35	0.25	≤0.001	0.01	15	0.15	-	0.002	-
对比例4	0.015	0.25	0.35	≤0.005	0.015	16	0.15	0.15	0.002	-

表4.本发明实施例与现有铁素体不锈钢生产工艺条件对比

注：表3和表4中，对比例1铁素体不锈钢成分为SUS430铁素体不锈钢成分，该成分铁素体不锈钢铸坯在1160℃保温200min，然后热轧，终轧温度为850℃。热轧后的板坯经过830℃，20小时的退火，制得的热轧板即为所述SUS430铁素体不锈钢。

对比例2铁素体不锈钢成分为耐高热409L铁素体不锈钢成分，该成分铁素体不锈钢铸坯在1130℃保温200min，然后热轧，终轧温度为820

℃。热轧后的板坯经过930℃，5min的连续退火，制得的热轧板即为所述409L铁素体不锈钢。

对比例3铁素体不锈钢成分为429铁素体不锈钢成分，该种不锈钢为一种常用的耐热铁素体不锈钢。该成分铁素体不锈钢铸坯在1110℃保温

200min，然后热轧，终轧温度为800℃。热轧后的板坯经过900℃，4min的连续退火，制得的热轧板即为所述429铁素体不锈钢。

对比例4铁素体不锈钢成分为SUS430LX成分，该种不锈钢为430铁素体不锈钢焊接性能的改良钢种。该成分铁素体不锈钢铸坯在1110℃保温200min，然后热轧，终轧温度为830℃。热轧后的板坯经过900℃，4min的连续退火，制得的热轧板即为所述429铁素体不锈钢。

表5.本发明与对比例铁素体不锈钢在常温以及高温下力学性能对比

由表5可见，本发明铁素体不锈钢在常温下仍能保持与对比例钢种相同甚至高于对比例钢种的力学性能、耐腐蚀性能，而且本发明铁素体不锈钢在800～1000℃的高温时，仍然具有非常优良的高温力学性能和高温塑性，其中1000℃屈服强度高达40～60MPa，1000℃抗拉强度高达50～80MPa，均远优于对比例中所示钢种的高温力学性能和高温塑性。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims

1.一种具有优良高温力学性能的铁素体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.01～0.07％，Si：0.50～1.50％，Mn：0.40～1.0％，Al：0.5～2.5％，S：0.001～0.005，Cr：12.0～20.0％，N：0.01～0.07％，O：0.002～0.008％，Tb：0.15～0.7％，Y：0.005～0.2％，Al+Si≥1.5％，Nb：≥7×C％，Y>5×S％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的具有优良高温力学性能的铁素体不锈钢，其特征在于，还包括Ti，Ti含量为0～0.3％，以重量百分比计。

3.一种具有优良高温力学性能的铁素体不锈钢的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

2)热轧、退火将保温后得到的铸坯进行热轧，热轧的终轧温度为850～900℃，退火温度840～870℃，退火时间16-24小时，得到所述成品铁素体不锈钢。

4.根据权利要求3所述的具有优良高温力学性能的铁素体不锈钢的制造方法，其特征在于，所述铁素体不锈钢成分还包括Ti，其含量为0～0.3％，以重量百分比计。

5.根据权利要求3所述的具有优良高温力学性能的铁素体不锈钢的制造方法，其特征在于，所述Fe-Y合金中，Y的质量分数为12～16％。

6.根据权利要求3所述的具有优良高温力学性能的铁素体不锈钢的制造方法，其特征在于，所述退火采用罩式炉退火。

7.根据权利要求3所述的具有优良高温力学性能的铁素体不锈钢的制造方法，其特征在于，所述铸坯加热保温步骤中加热温度和保温时间控制如下：

当Al+Si≤1.2％，铸坯加热温度为1200℃，保温时间180min；

当Al+Si≥1.7％，铸坯加热温度为1250℃，保温时间240min。