CN105154793A - 一种高强度、高耐蚀双相耐热钢 - Google Patents
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Abstract
本发明属于耐热不锈钢领域,涉及一种高强度、高耐蚀双相耐热钢,其化学成分为:C:0~0.1;Si:0.1~1.0;Mn:0~0.5;Cr:12~25;Ni:15~22;Mo:0~4.0;Al:1.0~6.0;Nb:0.1~1.0;B:0~0.05;P不大于0.03;S不大于0.02;余量为Fe。其制备方法的特征在于,熔炼过程严格控制真空度≤5Pa,以避免N与Al化合物的不利影响;采用自由锻方式,热轧过程控制应变速率不小于1s-1;单道次压下量不小于35%,采用快速冷却控制第二相尺寸。本发明实现了高温耐腐蚀性和高强度的匹配,在高温腐蚀性环境中使用,材料的综合性能明显优于现有双相耐热钢。
Description
技术领域
本发明属于耐热不锈钢领域,适用于先进电力***用结构材料,尤其是超超临界电站及核电***用耐热耐腐蚀材料的制备和加工技术领域,提供了一种获得综合性能优异的双相耐热不锈钢的方法。
背景技术
随着能源危机和大气污染的日益严峻,高效的超超临界(UltraSuper-Critical,USC)电站和先进核电***,已经成为今后电力行业的主要发展方向。但是高温高压的苛刻环境对服役材料的性能提出了更高要求,如更高的高温强度和优异的耐高温氧化性能。因此,为了实现先进电站用关键部件材料的国产自主化,目前亟待发展一种高温综合性能优异的材料。
双相不锈钢因具有两相组织结构,双相不锈钢具有优异的耐腐蚀性和力学性能,被广泛用于石油、化工、能源等行业。双相不锈钢的导热性好,热膨胀系数小,高温使用时可避免因温差而引起的开裂。另外,双相不锈钢的塑性和高温蠕变性能优于铁素体不锈钢。随着电力行业的发展,超超临界火力发电和超临界水冷堆核电的工作温度逐步升高,要求材料在更高温度下的仍具有优越的力学性能。一方面,奥氏体耐热钢的辐照肿胀和热膨胀系数较大,尚未达到电力行业对材料的性能要求;一方面,现有的双相不锈钢的耐高温氧化性能仍有待提高。因此,为了获得综合性能优异的耐热钢,综合考虑奥氏体耐热钢和双相钢的组织性能优势,进一步提高耐热钢的综合性能,本发明在先进奥氏体耐热钢中引入铁素体,发展一种新型双相不锈钢。本发明在310s奥氏体不锈钢的基础上,添加Mo、Al、Nb等稳定铁素体元素,调整Cr、Ni含量,不增加稳定奥氏体元素,从而在310s不锈钢的奥氏体基体中引入一定量的铁素体,这样,可以获得双相组织的不锈钢。在高温苛刻的腐蚀环境下,Al优先与O发生反应形成稳定致密的Al2O3氧化膜,提高材料的抗腐蚀性能。并且,Al、Nb与Ni、Fe、Cr反应形成金属间化合物NiAl相和Laves相,细小弥散的析出相,可有效提高双相耐热钢的高温力学性能。确定成分体系后,通过真空熔炼和热加工过程,获得综合性能优异的双相不锈钢。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是:克服现有材料的高温性能的不足,在310s钢的基础成分上,适当调整Cr、Ni含量,通过添加稳定铁素体元素Nb、Al等,从而,形成铁素体和奥氏体的双相钢,并通过析出弥散相提高双相钢的高温力学性能,得到一种的高温综合性能优异的新型双相耐热钢。
为了解决上述技术问题,本发明的采用的技术方案为:(1)化学成分设计和(2)制备工艺,其主要特征如下:
(1)化学成分设计:在310s的基础成分中,降低C和Mn含量,添加Mo、Al、Nb和B。该耐热双相不锈钢的成分体系为(wt.%):C:0~0.1;Si:0.1~1.0;Mn:0~0.5;Cr:12~25;Ni:15~22;Mo:0~4.0;Al:1.0~6.0;Nb:0.1~1.0;B:0~0.05;P不大于0.03;S不大于0.02;余量为Fe。
进一步优选后的成分体系为(wt.%):C不大于0.05;Si:0.2~0.7;Mn:0~0.2;Cr:14~22;Ni:16~21;Mo:0~3.0;Al:1.5~5.0;Nb:0.2~0.8;B:0~0.03;P不大于0.02;S不大于0.015;余量为Fe。
Mo元素:Mo通过提高不锈钢表面钝化膜的强度,增强耐还原性介质的腐蚀能力,如点蚀、缝隙腐蚀。依靠固溶强化,Mo可提高双相耐热钢的高温强度。本发明在新型双相不锈钢中均添加了2%的Mo元素。
Nb元素:Nb是强碳化物元素,Nb与C结合成NbC,Nb还与Fe化合形成Laves相Fe2Nb。细小弥散分布的NbC和Fe2Nb,可提高双相耐热钢的蠕变强度,同时,Nb可作为稳定化元素,提高不锈钢的耐晶间腐蚀性能。Nb的另一作用是促进新型双相耐热钢在腐蚀性环境中表面Al2O3的形成。
Al元素:Al是一种耐腐蚀性能优异的合金元素,添加Al的主要目的是提高双相耐热钢的高温氧化性和高温力学性能。为了使双相钢表面形成Al2O3,Al含量不宜太低,但是太高降低双相钢的加工性能。因而,添加2.5~5%Al,同时,Al可以取代部分的Cr,降低钢中Cr含量而不使钢的耐腐蚀性降低。另外,在时效或热加工过程中,Al与Ni形成金属间化合物NiAl相,起到弥散强化的作用,提高钢的高温力学性能。
(2)制备工艺:本发明以高纯度工业合金块为原料,通过真空感应炉内熔炼→铸模成型→高温锻造→热轧成型→淬水冷却→成品钢板,其主要特征如下:
①原料为高纯度合金块:工业纯铁、铝块、镍板、铬块、铌棒、硅块、硼铁与钼棒。
②熔炼:秤取设计成分比例的合金块,按照不同形状和大小,放入熔炼炉内,然后抽真空≤5Pa,加热,随着温度升高,原料逐渐***、熔化,合金块全部融化后进行精炼,精炼时间4~8min。
③铸模:精炼完成后,浇注于圆柱形模具内,静置冷却至800~1000℃后,取出,放置于通风处,冷却至室温。
④热变形加工:加工分两段完成,热锻造和热轧。锻造制度为:始锻温度为1180~1250℃,终锻温度在950℃以上,锻造比约3:1,锻完空冷。锻造完成立方体块的尺寸为:80mm×300mm×33mm;然后,切取锻造钢板的1/2进行高温控制轧制,热轧工艺主要参数为:开轧温度1150~1200℃,终轧温度不低于1000℃,三道次轧成,控制应变速率不小于1s-1,每道次变形量不小于35%,成品厚度为6~7mm。
⑤控制冷却:为了控制变形后双相不锈钢的组织与性能,轧制完成后直接淬水,加速冷却以细化显微组织,提高性能。
本发明的优点是:
(1)在310s基础成分上,为了减少Mn和C对奥氏体耐热钢耐腐蚀性能的影响,降低Mn和C含量;同时,添加Mo、Al、Nb等合金元素,并适当降低Cr、Ni含量,获得奥氏体和铁素体的双相组织;与奥氏体耐热钢相比,不需要增加稳定奥氏体的元素Ni、N等,因此,本发明成本较低,符合低碳经济型原则。
(2)合金元素Mo、Al、Nb在高温热轧或热处理过程中,形成金属间化合物NiAl相和Fe2NbLaves相,可显著提高材料的高温力学性能。添加的Al元素与O的结合,形成致密稳定的Al2O3或(AlCr)2O3氧化膜,提高双相耐热钢的高温耐氧化性能和耐腐蚀性能,可在高温苛刻环境下服役。
(3)通过控制热轧参数,如轧制温度和压下率,可在高温变形过程中析出有益的金属间化合物。热成型后,控制冷却速率,可有效控制第二相的尺寸与分布,提高材料的力学性能。
附图说明
图1为本发明实例1双相耐热钢的光学显微组织。
图2为本发明实例2双相耐热钢的光学显微组织。
图3为本发明实例3双相耐热钢的光学显微组织。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
根据上述成分范围,我们设计和熔炼了4种试验钢,作为对比例,我们还熔炼了310s,它们的名义化学成分如表1所示。分别按照表1的成分比例,进行合金原来配料,真空熔炼、浇铸、锻造和热轧、冷却后,获得轧制钢板。随后对轧制钢板进行显微组织观察、力学性能和耐腐蚀性能测试。各试验钢的显微组织如图1~3所示,随着化学成分的变化,其显微组织也明显不同,从实施例1到实施例3,铁素体组织含量逐渐增多。试验钢的700℃高温拉伸和室温拉伸结果见表2,结果表明,添加Al、Mo和Nb后,无论是室温拉伸还是高温拉伸强度均明显高于对比例310s的强度。并且,随着合金元素含量的增加,其强化效应显著。实施例3的室温抗拉强度达1078MPa,700℃抗拉强度达645MPa,并且,室温和高温延伸率均在25%以上。而310s在700℃的抗拉强度仅为340MPa。说明实例钢在高温下具有优异的力学性能。
表1各实例钢的名义化学成分(质量分数,%)
表2各实例双相耐热钢的力学性能
在900℃的连续氧化试验结果如表3所示,在氧化100h后,各实例钢的氧化增重均比310s小。其中,实施例4的氧化增重仅为对比例钢的22.58%,高温抗氧化性能显著提高,说明本发明的双相耐热钢具有优异的高温抗氧化性能。
表3各实例钢在900℃干燥空气中氧化100h的增重(mg/cm2)
实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 对比例 |
氧化增重 | 0.39 | 0.26 | 0.21 | 0.14 | 0.62 |
Claims (3)
1.一种高强度、高耐蚀双相耐热钢,其特征在于化学成分以质量百分比计为:C:0~0.1;Si:0.1~1.0;Mn:0~0.5;Cr:12~25;Ni:15~22;Mo:0~4.0;Al:1.0~6.0;Nb:0.1~1.0;B:0~0.05;P不大于0.03;S不大于0.02;余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种高强度、高耐蚀双相耐热钢,其特征在于化学成分以质量百分比计为:C不大于0.05;Si:0.2~0.7;Mn:0~0.2;Cr:14~22;Ni:16~21;Mo:0~3.0;Al:1.5~5.0;Nb:0.2~0.8;B:0~0.03;P不大于0.02;S不大于0.015;余量为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的一种高强度、高耐蚀双相耐热钢的制备方法,由以下步骤组成:将配备好的高纯度原料组成依次经过真空感应炉内熔炼→铸模成型→高温锻造→热轧成型→淬水冷却→成品钢板,其特征在于:熔炼过程严格控制真空度≤5Pa,以避免N与Al化合物的不利影响;采用自由锻方式,热轧过程控制应变速率不小于1s-1;单道次压下量不小于35%,轧后淬水冷却,减少在AlN形成温度区间的时间,并控制第二相尺寸。
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