CN107794435A - 一种Fe‑Cr‑Ni基耐热板材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Fe‑Cr‑Ni基耐热板材的制备方法，通过对Fe‑Cr‑Ni基耐热板材的Cr、Ni、Mn、Nb元素等成分比例进行调整，加入了Mg、W等辅助元素，并对轧制、冷却、热处理等工艺步骤进行优化，通过热轧时的高温轧制及轧后冷却的精确控制，将淬火温度降低到晶粒粗化温度以下，实现组织的细化和均匀化，改善了加工脆性和低温韧性的问题，使Fe‑Cr‑Ni基耐热板材成品能够满足高温使用性能和室温力学性能要求。

Description

一种Fe-Cr-Ni基耐热板材的制备方法
技术领域
本发明涉及合金热处理领域，具体的说，是涉及一种Fe-Cr-Ni基耐热板材的制备方法。
背景技术
耐热合金具备优越的抗疲劳强度、抗氧化能力、良好的热导率和较高的蠕变强度和许用应力，有着很宽广的使用前景。耐热合金的发展与电站、锅炉、燃气轮机、内燃机、航天发动机等各工业部门的技术进步密切相关。耐热合金配件工作环境温度高，既要承受复杂的应力，同时还要承受高温氧化、腐蚀，工作条件恶劣，为了适应各种工作条件不断发展的要求，耐热合金也在不断地发展。从最早的低碳钢、低合金钢，到成分复杂的、多元合金化的耐热合金。关于耐热合金板材及其制备方法，目前还有许多难题亟待解决。耐热合金板材目前研究的关键和难点主要包括加工脆性、低温韧性等。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种Fe-Cr-Ni基耐热板材及其制备方法，该板材在高温环境下能够保持良好的机械性能和耐腐蚀性，且满足室温力学性能要求。具体如下：
一种Fe-Cr-Ni基耐热板材的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：选用铬铁、锰铁、硅铁及稀土硅铁合金作为原料，采用真空炉熔炼并浇注成板坯；热轧所述板坯，经粗轧、精轧后冷却到室温；冷加工所述热轧后的板坯，然后进行热处理，所述热处理包括将所述板坯以50～80℃/s的加热速度，快速加热到650～700℃保温20～30min后，油冷淬火冷却到室温，得到板材；然后热浸镀所述板材，使其表面上形成镀锌层，所述热浸镀温度为450～500℃，即得到所述Fe-Cr-Ni基复合板材。
优选地，所述热处理步骤前酸洗所述板坯。
优选地，所述热轧步骤包括在980～1025℃下粗轧所述板坯，然后在850～900℃下精轧。
优选地，所述精轧后，以100℃/s以上的冷却速度冷却所述板坯到室温。
优选地，所述热浸镀后的板材放入时效炉中进行时效处理，时效温度为550～600℃，时效时间为3～5h。
所述Fe-Cr-Ni基耐热板材包括如下组成成分：以重量百分比计含有C：0.10～0.30％、Cr：10～15％、Ni：2.5～7.5％、Mn：1.50～2.00％、Si：1.00～1.50％、Nb：0.50～0.80％、Mg：0.10～0.50％、W：0.05～0.20％、B：0.01～0.10％、Ce：0.01～0.10％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成；且在所述Fe-Cr-Ni基耐热板材的表面上具有热浸镀锌层。
所述Fe-Cr-Ni基耐热板材的微观组织的平均晶粒度为4级或更细。
所述Fe-Cr-Ni基耐热板材的抗拉强度为780～900MPa的，屈服强度为800～900MPa，延伸率大于15%，断面收缩率大于55％。
所述Fe-Cr-Ni基耐热板材室温下的平均线膨胀系数为11×10-6/℃以下，600℃时的平均线膨胀系数为13×10-6/℃以下。
本发明的优点是：本发明通过对Fe-Cr-Ni基耐热板材的Cr、Ni、Mn、Nb元素等成分比例进行调整，加入了Mg、W等辅助元素，并对轧制、冷却、热处理等工艺步骤进行优化，通过热轧时的高温轧制及轧后冷却的精确控制，将淬火温度降低到晶粒粗化温度以下，实现组织的细化和均匀化，改善了加工脆性和低温韧性的问题，使Fe-Cr-Ni基耐热板材成品能够满足高温使用性能和室温力学性能要求。
具体实施方式
耐热合金是以低碳钢为基础，加入各种合金元素进巧强化和韧化。例如，C是钢中的基本元素，可微量间隙固溶，形成碳化物。C在耐热合金中含量较少，应使其尽可能多地形成碳化物或碳氮化物，如此既可形成弥散强化和马氏体强化，又可改善合金的可焊接性和成形性。由于C是易扩散元素，因而较多的C有损于合金的热稳定性。C的固溶强化效应太强烈，也有损于合金的韧性。Cr的熔点为1857℃，体心立方点阵晶体结构，可形成碳化物。Cr是抗高温氧化腐蚀和提高热强性的主要元素之一。抗高温氧化腐蚀，主要靠表面形成致密的Fe3O4·Cr2O3膜或致密的Cr2O3膜；热强性的提高，则依赖于Cr的固溶强化和提高再结晶温度及碳化物弥散强化。Ni、Mn元素是能够起到固溶强化作用的元素，可以提高耐热合金的再结晶温度，因此这两种元素有助于提高耐热合金的强度，同时增强了耐热合金的抗氧化能力和抗腐蚀性。Si和Nb都是强碳化物的形成元素，可以在合金中形成细小的碳、氮化合物粒子，可以起到组织位错运动的效果，改善耐热合金的蠕变性能，同时提高了耐热合金的组织稳定性。W的熔点为3410℃，体心立方点阵晶体结构，它是中强的碳化物形成元素。W是显著提高固溶体基体的再结晶温度和提高热强性的主要元素之一。稀土(RE)以微量存在于耐热合金中。RE是合金的良好净化剂，可提高合金的热强性。RE的氧化物可以增加合金基体金属与表面氧化膜的附着力，因而使抗氧化腐蚀性有明显改善。
下面结合实施例和对比例对本专利进一步详细说明。
实施例1：
一种Fe-Cr-Ni基耐热板材的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：选用铬铁、锰铁、硅铁及稀土硅铁合金作为原料，采用真空炉熔炼并浇注成板坯。热轧所述板坯，经粗轧、精轧后冷却到室温，所述热轧步骤包括在980℃下粗轧所述板坯，然后在850℃下精轧，所述精轧后以100℃/s的冷却速度冷却所述板坯到室温。冷加工所述热轧后的板坯，然后进行热处理。所述热处理步骤前酸洗所述板坯，所述热处理包括将所述板坯以50℃/s的加热速度，快速加热到650℃保温30min后，油冷淬火冷却到室温，得到板材。然后热浸镀所述板材，使其表面上形成镀锌层，所述热浸镀温度为450℃，即得到所述Fe-Cr-Ni基复合板材。所述热浸镀后的板材放入时效炉中进行时效处理，时效温度为550℃，时效时间为5h。所述Fe-Cr-Ni基耐热板材包括如下组成成分：以重量百分比计含有C：0.10％、Cr：10％、Ni：2.57.5％、Mn：1.50％、Si：1.00％、Nb：0.50％、Mg：0.10％、W：0.05％、B：0.01％、Ce：0.01％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成；且在所述Fe-Cr-Ni基耐热板材的表面上具有热浸镀锌层。所述Fe-Cr-Ni基耐热板材的微观组织的平均晶粒度为4级或更细。其抗拉强度为780MPa的，屈服强度为800MPa，延伸率为15%，断面收缩率为55％。所述Fe-Cr-Ni基耐热板材室温下的平均线膨胀系数为11×10-6/℃以下，600℃时的平均线膨胀系数为13×10-6/℃以下。
实施例2：
一种Fe-Cr-Ni基耐热板材的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：选用铬铁、锰铁、硅铁及稀土硅铁合金作为原料，采用真空炉熔炼并浇注成板坯。热轧所述板坯，经粗轧、精轧后冷却到室温，所述热轧步骤包括在1025℃下粗轧所述板坯，然后在900℃下精轧，所述精轧后以120℃/s的冷却速度冷却所述板坯到室温。冷加工所述热轧后的板坯，然后进行热处理。所述热处理步骤前酸洗所述板坯，所述热处理包括将所述板坯以80℃/s的加热速度，快速加热到700℃保温20min后，油冷淬火冷却到室温，得到板材。然后热浸镀所述板材，使其表面上形成镀锌层，所述热浸镀温度为500℃，即得到所述Fe-Cr-Ni基复合板材。所述热浸镀后的板材放入时效炉中进行时效处理，时效温度为600℃，时效时间为3h。所述Fe-Cr-Ni基耐热板材包括如下组成成分：以重量百分比计含有C：0.30％、Cr：15％、Ni：7.5％、Mn：2.00％、Si：50％、Nb：0.80％、Mg：0.50％、W：0.20％、B：0.10％、Ce：0.10％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成；且在所述Fe-Cr-Ni基耐热板材的表面上具有热浸镀锌层。所述Fe-Cr-Ni基耐热板材的微观组织的平均晶粒度为4级或更细。其抗拉强度为880MPa的，屈服强度为900MPa，延伸率为17%，断面收缩率为57％。所述Fe-Cr-Ni基耐热板材室温下的平均线膨胀系数为11×10-6/℃以下，600℃时的平均线膨胀系数为13×10-6/℃以下。
实施例3：
一种Fe-Cr-Ni基耐热板材的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：选用铬铁、锰铁、硅铁及稀土硅铁合金作为原料，采用真空炉熔炼并浇注成板坯。热轧所述板坯，经粗轧、精轧后冷却到室温，所述热轧步骤包括在1000℃下粗轧所述板坯，然后在880℃下精轧，所述精轧后以110℃/s的冷却速度冷却所述板坯到室温。冷加工所述热轧后的板坯，然后进行热处理。所述热处理步骤前酸洗所述板坯，所述热处理包括将所述板坯以70℃/s的加热速度，快速加热到680℃保温25min后，油冷淬火冷却到室温，得到板材。然后热浸镀所述板材，使其表面上形成镀锌层，所述热浸镀温度为480℃，即得到所述Fe-Cr-Ni基复合板材。所述热浸镀后的板材放入时效炉中进行时效处理，时效温度为580℃，时效时间为4h。所述Fe-Cr-Ni基耐热板材包括如下组成成分：以重量百分比计含有C：0.20％、Cr：12％、Ni：5.5％、Mn：1.80％、Si：1.20％、Nb：0.60％、Mg：0.30％、W：0.10％、B：0.05％、Ce：0.05％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成；且在所述Fe-Cr-Ni基耐热板材的表面上具有热浸镀锌层。所述Fe-Cr-Ni基耐热板材的微观组织的平均晶粒度为4级或更细。其抗拉强度为850MPa的，屈服强度为880MPa，延伸率为16%，断面收缩率为55％。所述Fe-Cr-Ni基耐热板材室温下的平均线膨胀系数为11×10-6/℃以下，600℃时的平均线膨胀系数为13×10-6/℃以下。
对比例1：
将不同于本发明Fe-Cr-Ni基合金的成分作为原料，由于元素成分和比例的改变，导致熔炼时的元素偏析难以抑制，容易产生大量δ铁素体，影响板材的力学性能，所得到的板材成品的最大抗拉强度仅为700MPa，延伸率为12%。
对比例2：
采用元素成分和比例与本发明技术方案相同的Fe-Cr-Ni基耐热板材，在制备时改变工艺步骤，尤其是热轧温度和冷却速度不同时，合金内部各元素扩散速率较低，导致固溶速率降低，显微组织粗大，易出现各项异性和偏析问题，通常其所得到的板材成品的最大抗拉强度仅为650MPa，延伸率为10%。
由实施例1-3和对比例1和2可以看出，本发明通过对Fe-Cr-Ni基耐热板材的Cr、Ni、Mn、Nb元素等成分比例进行调整，加入了Mg、W等辅助元素，并对轧制、冷却、热处理等工艺步骤进行优化，通过热轧时的高温轧制及轧后冷却的精确控制，将淬火温度降低到晶粒粗化温度以下，实现组织的细化和均匀化，改善了加工脆性和低温韧性的问题，使Fe-Cr-Ni基耐热板材成品能够满足高温使用性能和室温力学性能要求。
尽管已经示出和描述了本专利的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本专利的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本专利的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种Fe-Cr-Ni基耐热板材的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：选用铬铁、锰铁、硅铁及稀土硅铁合金作为原料，采用真空炉熔炼并浇注成板坯；热轧所述板坯，经粗轧、精轧后冷却到室温；冷加工所述热轧后的板坯，然后进行热处理，所述热处理包括将所述板坯以50～80℃/s的加热速度，快速加热到650～700℃保温20～30min后，油冷淬火冷却到室温，得到板材；然后热浸镀所述板材，使其表面上形成镀锌层，所述热浸镀温度为450～500℃，即得到所述Fe-Cr-Ni基复合板材。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述热处理步骤前酸洗所述板坯。
3.根据权利要求1-2所述的方法，其特征在于：所述热轧步骤包括在980～1025℃下粗轧所述板坯，然后在850～900℃下精轧。
4.根据权利要求1-3所述的方法，其特征在于：所述精轧后，以100℃/s以上的冷却速度冷却所述板坯到室温。
5.根据权利要求1-4所述的板材，其特征在于：所述热浸镀后的板材放入时效炉中进行时效处理，时效温度为550～600℃，时效时间为3～5h。
6.一种由权利要求1至5任一项所述方法制备的Fe-Cr-Ni基耐热板材，其特征在于：所述Fe-Cr-Ni基耐热板材包括如下组成成分：以重量百分比计含有C：0.10～0.30％、Cr：10～15％、Ni：2.5～7.5％、Mn：1.50～2.00％、Si：1.00～1.50％、Nb：0.50～0.80％、Mg：0.10～0.50％、W：0.05～0.20％、B：0.01～0.10％、Ce：0.01～0.10％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成；
且在所述Fe-Cr-Ni基耐热板材的表面上具有热浸镀锌层。
7.根据权利要求6所述的Fe-Cr-Ni基耐热板材，其特征在于：所述Fe-Cr-Ni基耐热板材的微观组织的平均晶粒度为4级或更细。
8.根据权利要求6-7所述的Fe-Cr-Ni基耐热板材，其特征在于：所述Fe-Cr-Ni基耐热板材的抗拉强度为780～900MPa的，屈服强度为800～900MPa。
9.根据权利要求6-8所述的Fe-Cr-Ni基耐热板材，其特征在于：所述Fe-Cr-Ni基耐热板材的延伸率大于15%，断面收缩率大于55％。
10.根据权利要求6-9所述所述的Fe-Cr-Ni基耐热板材，其特征在于：所述Fe-Cr-Ni基耐热板材室温下的平均线膨胀系数为11×10-6/℃以下，600℃时的平均线膨胀系数为13×10-6/℃以下。
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