一種抗高溫氧化的鐵素體耐熱不銹鋼及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鐵素體不鎊鋼及其制造方法，特別涉及一種抗高溫氧化的鐵素體 耐熱不鎊鋼及其制造方法，使用溫度可達(dá)l〇5(TC，用于制作高溫用零部件，如汽車排氣系統(tǒng) 高溫端部件。
【背景技術(shù)】
[0002] 耐熱不鎊鋼用于高溫服役環(huán)境，如火力發(fā)電、原子能、宇航、航空、石油化工和汽車 等領(lǐng)域。耐熱鋼可分為奧氏體耐熱鋼、鐵素體耐熱鋼和雙相耐熱鋼。其中，奧氏體耐熱鋼抗 高溫氧化性好，高溫強(qiáng)度高，初性好，但成本較高；鐵素體耐熱鋼成本低廉、熱膨脹系數(shù)小， 越來(lái)越受到用戶的青睞。
[0003] 在汽車領(lǐng)域，對(duì)汽車尾氣的排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)溫度不斷提高，未來(lái)材 料的最高使用溫度可能提高到l〇5(TC，在105(TC時(shí)的高溫抗拉強(qiáng)度要求達(dá)到20MPa。
[0004] 為達(dá)到此要求，目前使用比較多的是022化ISNbTi鐵素體不鎊鋼，其耐熱鋼的高 溫強(qiáng)度和抗高溫氧化性較低，一般使用溫度900~95(TC，其高溫抗拉強(qiáng)度和抗氧化性性能 無(wú)法滿足用戶的要求。
[0005] 在國(guó)外化20Nil2Si2奧氏體耐熱不鎊鋼已經(jīng)應(yīng)用于排氣系統(tǒng)高溫端零部件，但國(guó) 內(nèi)外鐵素體耐熱鋼的應(yīng)用還比較少，目前正處于研究開發(fā)階段。
[0006] 國(guó)內(nèi)鐵素體耐熱不鎊鋼如下所示：
[0007] 中國(guó)專利CN03111577. 2公布了一種高娃、高鉛鐵素體不鎊鋼及其在制備耐熱鋼 管中的應(yīng)用，特征是通過Si和A1合金元素來(lái)提高鋼的抗高溫氧化性能、耐熱性和強(qiáng)度。
[0008] 中國(guó)專利CN200480025436. 0公布了一種抗氧化的鐵素體不鎊鋼，含鉛、至少一種 稀±金屬和16~30 %的館。
[0009] 中國(guó)專利CN200810159994. 6公布了一種自生碳化物粒子強(qiáng)化鐵素體耐熱鋼，利 用碳化物粒子增加耐熱性能及高溫強(qiáng)度。
[0010] 中國(guó)專利CN01805648. 2涉及一種高館鐵素體耐熱鋼，含館量小于10%，其使用溫 度在650°C。
[0011] 中國(guó)專利CN200810036417. 8涉及一種鐵素體耐熱鋼，含館量小于13%，使用溫度 在60(TC左右，主要用于發(fā)電用的鍋爐和汽輪機(jī)等設(shè)備。
[0012] 中國(guó)專利CN103667976A公布了一種鐵素體系耐熱鋼，包含Co ;3. 50~4. 50%，B : 0. 02 ~0. 04%，Zr ;0. 30 ~0. 50%。
[0013] 綜上，現(xiàn)有的耐熱鋼存在W下兩個(gè)特點(diǎn)：
[0014] 1)對(duì)于化含量低的耐熱鋼，抗氧化性能弱，一般使用溫度不超過65(TC ;
[0015] 2)對(duì)于化含量高的耐熱鋼，含有一定量的A1或者Co,A1在德鑄過程中要求較高 的冶金工藝技術(shù)且容易形成沉淀堵塞水口，添加 Co會(huì)顯著增加成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明的目的在于提供一種抗高溫氧化的鐵素體耐熱不鎊鋼及其制造方法，該 鐵素體耐熱不鎊鋼不含A1和Co,降低了德鑄工藝難度，使用溫度最高可達(dá)105(TC，且在 105(TC高溫下，具有優(yōu)于022化ISNbTi鐵素體不鎊鋼、甚至優(yōu)于化20Nil2Si2奧氏體耐熱 不鎊鋼的高溫力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度> 20MPa，屈服強(qiáng)度> 20MPa) W及高溫抗氧化性能（在 105(TC，保溫100小時(shí)下的氧化增重為40~60g/m2)，但價(jià)格卻僅為化20Ni 12Si2奧氏體耐 熱不鎊鋼的一半左右。
[0017] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0018] 本發(fā)明通過調(diào)節(jié)鋼中C含量，增加稀±元素 W提高鋼種抗高溫氧化性能；為保證 鋼的高溫力學(xué)性能強(qiáng)度，同時(shí)加入Nb和W元素，加入Ti，W提高汽車排氣系統(tǒng)用零件在加工 制造中的焊接性并形成碳氮化物可改善鋼的強(qiáng)度，同時(shí)控制佩、W和Ti的含量與稀±的含 量之間的關(guān)系。此外，控制Nb、W和Ti與碳氮之間的關(guān)系，W保證送些合金元素的加入使鋼 具有高的強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度。對(duì)于整個(gè)成分體系，碳、氮元素與Nb、W、Ti及稀±元素之間存在 相互平衡和制約的關(guān)系。
[0019] 具體地，本發(fā)明的一種抗高溫氧化的鐵素體耐熱不鎊鋼，其化學(xué)成分重量百分比 為：
[0020] C ;0. 007 ~0. 02%，Si《0. 5%，Mn《0. 5%，Cr ;17 ~20%，P<0. 02%，S<0. 02%, Ti ;0. 1 ~0. 2%，佩；0. 3 ~0. 6%，W;0. 3 ~0. 8%，Re ;0. 05 ~0. 13%，0. 007%<N<0. 02%, 0. 9%《Nb+W+Ti-Re《1.3%，4. 5%《（Nb+W+Ti)/10(C+N)《7. 5%，其余為化和不可避 免的雜質(zhì)。
[0021] 進(jìn)一步地，所述鐵素體耐熱不鎊鋼的使用溫度《105(TC，所述鐵素體耐熱不鎊鋼 在105(TC的抗拉強(qiáng)度> 20MPa，屈服強(qiáng)度> 20MPa〇
[0022] 在本發(fā)明抗高溫氧化的鐵素體耐熱不鎊鋼的成分設(shè)計(jì)中：
[0023] C;碳固溶在鋼中可W提高鋼的強(qiáng)度，但碳化物析出后強(qiáng)度下降，熱強(qiáng)性隨碳含量 增加而降低。然而C含量不能太高，汽車在正常使用過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度處于高溫和室溫的 交替狀態(tài)，與發(fā)動(dòng)機(jī)連接的高溫端部件也同時(shí)經(jīng)歷很大的溫度變化，要求材料具有一定的 組織穩(wěn)定性和高的熱疲勞性能，C含量太高，在高溫使用中，C原子容易偏聚，或與其他原子 結(jié)合，形成原子團(tuán)簇或析出相，改變材料的力學(xué)性能，惡化熱疲勞性能。因此本發(fā)明鋼中碳 含量控制在0. 〇2wt% W下。
[0024] N ;氮在不鎊鋼中的溶解度有限，為減少氮化物的形成，氮含量控制在0. 015% W 下。
[002引佩、W、11、稀±元素的含量控制：
[0026] l)Nb在鐵素體耐熱不鎊鋼中W析出物存在，高溫時(shí)溶解W置換固溶原子存在，提 高鋼的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度。本發(fā)明中銀含量控制在0. 35~0. 6% ;
[0027] 2)W;在鐵素體耐熱鋼中加鶴有兩個(gè)目的：一是強(qiáng)化a相固溶體，提高固溶體的再 結(jié)晶溫度，阻礙擴(kuò)散；另一方面是產(chǎn)生彌散強(qiáng)化或者W復(fù)雜的碳化物形式出現(xiàn)，或者是W富 鶴的金屬間化合物形式出現(xiàn)，因此對(duì)提高耐熱鋼的熱強(qiáng)性都有較好的作用。本發(fā)明中鶴含 量控制在0.3~0.8%。
[0028] 3)Ti ;送里Ti的一個(gè)作用是形成碳氮化物改善鋼的強(qiáng)度，另一個(gè)作用是提高鐵素 體不鎊鋼的焊接性，主要機(jī)理是析出細(xì)化機(jī)制，Ti在高溫下形成TiN或TiC的細(xì)小析出相， W此來(lái)改善鋼的綜合性能。本發(fā)明中鐵含量控制在0. 1~0. 2% ;
[0029] 4)Re ;稀±元素對(duì)提高不鎊鋼的抗氧化性能和抗蠕變性有較為明顯的作用。稀± 元素的氧化物可W增加基體金屬與氧化膜之間的附著力，因?yàn)橄　姥趸飳?duì)基體金屬有釘 社作用。稀±金屬Re能降低化2〇3的揮發(fā)，改善氧化物的組成，形成穩(wěn)定的含稀±的氧化膜。 稀±元素的加入量不宜過多，否則會(huì)惡化鋼的質(zhì)量，因此稀±元素的加入量控制在0. 05~ 0. 13%范圍內(nèi)；
[0030] 5)稀±元素主要用于提高抗高溫氧化性能，但同時(shí)稀±的加入，不可避免降低鋼 的強(qiáng)度，目前022化ISNbTi鐵素體不鎊鋼的高溫強(qiáng)度已不滿足要求，稀±加入后，強(qiáng)度進(jìn)一 步降低，越發(fā)不能滿足用戶的要求，必須同時(shí)加入其他能提高強(qiáng)度，尤其是高溫強(qiáng)度的化學(xué) 元素，因此本發(fā)明中同時(shí)加入了 Nb和W元素。Nb形成碳氮化物提高鋼的強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度， W主要形成化合物或W部分固溶態(tài)提高高溫強(qiáng)度。汽車排氣系統(tǒng)用零件在加工制造中對(duì)焊 接性的要求比較高，因此加入Ti。
[0031] 6)考慮Nb、W和Ti都是碳、氮化物形成元素，通常通過碳氮化物的析出或W高 溫下固溶的方式提高鋼的強(qiáng)度，在不鎊鋼的高溫冷卻過程中，隨冷速的不同，常見的化合 物有TiN，NbN，NbC，TiC，WC或其復(fù)合型析出物。佩，W和Ti等用于提高強(qiáng)度的合金元素 太低，則強(qiáng)化作用不夠；合金元素太高，會(huì)導(dǎo)致成形性和加工性能的降低。因此，本發(fā)明在 成分設(shè)計(jì)中，通過C、N的含量來(lái)控制佩，W和Ti的含量，故，佩，W、Ti與碳、氮之間應(yīng)滿足 4. 5《（Nb+W+Ti) /10 (C+N)《7. 5的關(guān)系，W保證送些合金元素的加入使鋼具有高的強(qiáng)度和 高溫強(qiáng)度。對(duì)于整個(gè)成分體系，碳、氮元素與Nb、W、Ti及稀±元素之間存在相互平衡和制約 的關(guān)系。
[0032] 7)考慮到提高高溫強(qiáng)度的佩，W和Ti元素加入量越高，則抗氧化性能下降越多， 稀±元素的含量相應(yīng)也要提高，因此，本發(fā)明通過Ti、Nb、W的含量，來(lái)限定稀±元素 Re的含 量，故，Ti、Nb、W與稀±元素 Re的含量滿足0.9《Nb+W+Ti-Re《1.3的關(guān)系。
[0033] Μη;儘含量過高會(huì)有損于抗氧化性能和降低蠕變極限，本發(fā)明中儘含量小于 0. 5%。
[0034] Si ;娃在鐵素體不鎊鋼中抑巧時(shí)淵屯物的析出，一定程度上增加鋼的抗氧化能力，為 避免高溫脆性，本發(fā)明中娃含量《0. 5%。
[0035] P，S ;磯和硫在不鎊鋼中被視為有害元素，應(yīng)盡量控制得越低越好。
[0036] 化；館是不鎊鋼中最重要的合金元素，館是耐熱鋼中抗高溫氧化和抗高溫腐蝕的 主要合金元素之一，并提高鋼的強(qiáng)度，同時(shí)館形成化2〇3致密的氧化膜，阻礙氧和金屬離子 的擴(kuò)散，從而提高鋼的抗氧化性，本發(fā)明中館含量在17~20%。
[0037] 本發(fā)明的一種抗高溫氧化的鐵素體耐熱不鎊鋼的制造方法，包括真空感應(yīng)爐冶煉 后鍛造或電爐、轉(zhuǎn)爐、V0D爐冶煉后連鑄、熱社、退火、冷社和最終退火送幾個(gè)工序。具體步 驟如下：
[00測(cè) 1)冶煉、鑄造
[0039] 鐵素體耐熱不鎊鋼，其化學(xué)成分重量百分比為；C ;0. 007~0. 02%，Si《0. 5%， Μη《0. 5%, Cr ;17 ~20%, P<0. 02%, S<0. 02%, Ti ;0. 1 ~0. 2%,佩；0. 3 ~0. 6%, W : 0. 3 ~0. 8%，Re ;0. 05 ~0. 13%，0. 007% <N<0. 02%，0. 9%《Nb+W-Re+Ti《1. 3%，4. 5% 《（Nb+W+Ti)/10(C+N)《7. 5%，其余為化和不可避免的雜質(zhì)；按上述成分經(jīng)冶煉，連鑄或 模鑄后獲得鑄昆；
[0040] 。鍛造
[0041] 所得鑄昆冷卻后加熱至1190~121(TC，保溫90~lOOmin，鍛造成方昆，鍛后進(jìn)行 空冷；
[004引如熱社
[0043] 去除表面氧化皮，加熱至1190~121(TC，保溫60~70分鐘后開始熱社，開社溫度 大于liocrc且小于或等于115(TC，終社溫度900~98(TC，將鑄昆厚度社至5. 5~6mm，空 冷；
[0044] 4)熱社退火、酸洗
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