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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