專利名稱：一種含稀土釔的節(jié)鎳型奧氏體耐熱不銹鋼及其制備方法

　　技術(shù)領(lǐng)域：

　　本發(fā)明 屬于不銹鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種含稀土釔的節(jié)鎳型奧氏體耐熱不銹 鋼及其制備方法。

　　背景技術(shù)：

　　奧氏體耐熱不銹鋼在鍋爐和壓力容器中有著廣泛的應(yīng)用，例如在鍋爐的應(yīng)用上， 近年來為了實現(xiàn)清潔煤燃燒技術(shù)，流化床鍋爐(CFB)的發(fā)展很快，其爐膛出口處的分離元 件大多選用具有高抗氧化腐蝕性和高溫持久強度的SUS310(Cr25Ni20)不銹鋼。在壓力 容器上，當介質(zhì)具有強烈的腐蝕性時就需要選用像800和601等鎳基合金，這些合金的生 產(chǎn)和使用無疑會消耗大量價格昂貴的鎳，這不僅會增加生產(chǎn)成本，而且與我國乃至世界的 “節(jié)能減排”的大趨勢相悖，它們的應(yīng)用，特別是未來的應(yīng)用必然會受到嚴格的限制。而 如果選用鎳含量較低、價格相對便宜的合金，如鐵素體不銹鋼或者最常見的奧氏體不銹鋼 SUS304(CrlSNiS)等，有些時候又難以滿足更高的溫度、更高的應(yīng)力和更苛刻的使用條件。 為了滿足合金在更苛刻條件下的要求，保證或者大幅提高使用壽命，同時又可降低合金的 生產(chǎn)成本，可以替代高鎳鋼種，具有性價比更好的新鋼種的研究與開發(fā)越來越受到人們的 關(guān)注。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的在于提供一種含稀土釔的節(jié)鎳型奧氏體耐熱不銹鋼及其制備方法， 其高溫持久強度和抗高溫氧化性均能達到甚至超過310奧氏體不銹鋼的水平，而在化學(xué)成 分上能大幅減少鎳含量。針對上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是通過研究合金元素對含稀土釔的節(jié)鎳型奧氏 體耐熱不銹鋼高溫性能的影響，特別是通過添加少量但嚴格控制的稀土釔元素，利用其具 有較高的表面活性而富集于晶界的效應(yīng)來使S、P等雜質(zhì)元素的晶界偏析受到抑制，同時改 善晶界結(jié)構(gòu)、填補空位，使晶界滑動得到阻滯，從而帶來高溫持久性能的提高。另外，由于材 料中含有一定的Si和N元素，使得材料在稀土 Y與Si，N等元素的協(xié)同作用下，具有與更高 合金含量(特別是鎳含量)的不銹鋼同樣良好的抗氧化性和高溫持久性能，并保證具有全 奧氏體組織。在科學(xué)地設(shè)計了鋼種化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，通過對制備工藝方法過程中各種工 藝參數(shù)的優(yōu)化研究，提出了一種含稀土釔和氮的節(jié)鎳型奧氏體耐熱不銹鋼的制備方法。本發(fā)明含稀土釔的節(jié)鎳型奧氏體耐熱不銹鋼的成分質(zhì)量百分配比為Cr 20-22%，Ni 10-12%，Si 1. 1-2. 0%, N 0. 14-0. 22%, C 0. 05-0. 10%，稀土 Y 0. 03-0. 08%, Mn 0. 3-0. 8%, P ^ 0. 02%, S 彡 0. 03%, 0 彡 50ppm, Fe 余量。在上述化學(xué)成分上，碳是有效地賦予耐熱鋼所需的適宜的拉伸強度和高溫持久強 度的組分。然而，如果碳含量過高，將使得合金的韌性降低并可能破壞焊接性。為此，碳含 量限定為 0. 05-0. 10 %，優(yōu)選 0. 06-0. 08 %。硅有利于改善耐熱鋼的抗高溫氧化性，但過量的硅將破壞合金的焊接性能，如果長期暴露在高溫環(huán)境下容易形成O相破壞合金的延展性和韌性。為此，硅含量限定為 1. 1-2. 0%，優(yōu)選 1. 5-1. 7%。錳能穩(wěn)定奧氏體，并能增加氮在奧氏體中的溶解度，錳含量過高會有損于抗氧化 性，降低合金的蠕變極限。為此，錳含量不應(yīng)超過0. 8%。氮同碳一樣是形成和穩(wěn)定奧氏體的元素，作為間隙元素，具有很強的固溶強化作 用，可顯著提高耐熱鋼的高溫強度和抗蠕變性能。然而，過量的氮會降低合金的延展性和韌 性。因此，氮含量限定為0. 14-0. 22%，優(yōu)選0. 15-0. 18%。鉻能提高耐熱鋼的抗氧化性 和耐蝕性，在氧化的介質(zhì)中能形成致密的含鉻的氧化 膜，能組織金屬基體的繼續(xù)破壞。就這方面而言，為了達到足夠的耐蝕性，要求鉻含量至少 20%。然而如果為了鉻含量過量，為了穩(wěn)定奧氏體并抑制ο相的形成就需要增加鎳的含 量，基于這些考慮，鉻含量限制在20-22 %。鎳是強烈形成并穩(wěn)定奧氏體且擴大奧氏體相區(qū)的元素，在特定的鉻含量下，增加 鎳含量抑制氧化物生長速度并增加形成連續(xù)氧化鉻層的趨勢。然而增加鎳的含量，大大增 加原材料的成本，因此，鎳含量限制在10-12%。微量的稀土釔元素不僅能凈化鋼液，而且能細化鋼的凝固組織，改變夾雜物的性 質(zhì)、形態(tài)和分布，從而提高鋼的各項性能。作為表面活性元素，其能增加晶界擴散激活能，既 能阻礙晶界滑動，又增大晶界裂紋的表面能，對提高持久強度十分有效；另外，稀土釔元素 可使耐熱鋼在高溫狀態(tài)下的氧化層生長速度受到抑制，所形成的氧化層與基體結(jié)合良好， 在高溫循環(huán)作用下能保護基體不被進一步氧化。本發(fā)明稀土釔元素控制在0. 03-0. 08%的 范圍，以真正實現(xiàn)節(jié)鎳，比SUS310奧氏體不銹鋼節(jié)鎳近50%，同時還能保證鋼的各種性能 優(yōu)良。本發(fā)明含稀土釔的節(jié)鎳型奧氏體耐熱不銹鋼合金材料的制備方法，包括如下工藝 步驟冶煉、鑄造、鑄錠或鑄坯開坯、熱軋和固溶處理。1、冶煉和鑄造本發(fā)明含稀土釔的節(jié)鎳型奧氏體耐熱不銹鋼合金在真空感應(yīng)爐、非真空冶煉、電 爐+爐外精煉、轉(zhuǎn)爐+爐外精煉中任一種工藝進行冶煉。要求添加稀土之前，要嚴格控制鋼液的氧含量，使其低于50ppm，并在出鋼澆鑄前 加入Fe-Y中間合金。澆鑄溫度控制在1500-1650°C。非真空冶煉時注意防止二次氧化，配氮采用添加氮化鉻鐵合金或吹氮氣；利用真 空感應(yīng)爐冶煉時在澆鑄室內(nèi)按預(yù)先計算好的壓力(0. 04-0. 09MPa)充入高純氮氣或配合添 加氮化鉻鐵合金。本發(fā)明適應(yīng)于大生產(chǎn)電爐+爐外精煉+連鑄、轉(zhuǎn)爐+爐外精煉+連鑄，若采用連鑄 時可采用現(xiàn)有的SUS304奧氏體不銹鋼的連鑄工藝。2、鑄錠或鑄錠開坯。加熱溫度1150_1250°C，開坯時始鍛溫度控制在1100-1200°C，終鍛溫度控制在 950-1000°C。可采用鍛造開坯和連鑄連軋。3、鋼的熱軋鑄錠或鑄錠開坯后根據(jù)用戶要求的鋼材規(guī)格進行熱軋。熱軋時坯料加熱溫度 1150-1250°C，開軋溫度控制在1150-1200°C，終軋溫度控制在950-1000°C

　　4、固溶處理鋼熱軋后在熱處理爐中進行固溶處理，溫度為1050-1150°C，保溫30_60分鐘。冷 卻方式采用水冷或空冷。通過固溶處理后即可獲得本發(fā)明含稀土釔的節(jié)鎳型奧氏體耐熱不 銹鋼。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明含稀土釔的節(jié)鎳型奧氏體耐熱不銹鋼高溫性能良 好，工藝可行，高溫持久強度與高溫抗氧化性與SUS310S相當，甚至優(yōu)于SUS310S。本發(fā)明 含稀土釔的節(jié)鎳型奧氏體耐熱不銹鋼可實現(xiàn)節(jié)鎳，降低原料成本，可替代含鎳量20%的 SUS310S。另外，由于我國具有豐富的稀土釔資源，本發(fā)明的生產(chǎn)成本也大大低于國外類似 的奧氏體耐熱鋼。可用于燃燒器、馬弗爐罩、熱交換器、淬火夾具、導(dǎo)板和燃燒嘴等。

　　圖1為實施例及對比例高溫塑性試驗結(jié)果。

　　具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明所述的含稀土釔的節(jié)鎳型奧氏體耐熱不銹鋼的化學(xué)成分，在真空感應(yīng) 爐中冶煉了 2爐本發(fā)明鋼，具體化學(xué)成分如表1所示。另外，為了對比，在相同的設(shè)備條件 下，還冶煉了一爐其它成份與本發(fā)明相同或相近，但不添加稀土釔元素的奧氏體耐熱不銹 鋼對比鋼種，其成份也列于表1。上述3爐鋼均按照本發(fā)明制備方法的工藝步驟，進行了鑄 錠開坯、熱軋和固溶處理。有關(guān)冶煉、澆鑄、鑄錠開坯、熱軋和固溶的有關(guān)參數(shù)如表2所示。 隨后，對產(chǎn)品鋼材取樣，進行了高溫持久試驗和高溫氧化試驗，并以SUS310S為對比例，其 結(jié)果詳見表3和圖1。由表3可看出本發(fā)明的在相同條件下的高溫持久強度與高溫抗氧化性均優(yōu)于未 添加Y的對比例1和SUS310S。表1實施例及對比例鋼種的化學(xué)成分(wt % )

　　權(quán)利要求

　　一種含稀土釔的節(jié)鎳型奧氏體耐熱不銹鋼，其特征在于，組成重量百分比為Cr 20 22％，Ni 10 12％，Si 1.1 2.0％，N 0.14 0.22％，C 0.05 0.10％，稀土Y 0.03 0.08％，Mn 0.3 0.8％，P≤0.02％，S≤0.03％，O≤50ppm，F(xiàn)e余量。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不銹鋼，其特征在于，C為0.06-0.08%，Si為1.5-1.7%。

　　3.—種權(quán)利要求1所述不銹鋼的制備方法，其特征在于，工藝步驟包括冶煉、鑄造、鑄 錠或鑄坯開坯、熱軋和固溶處理其特征在于，在工藝中控制如下參數(shù)(1)冶煉采用真空感應(yīng)爐、非真空冶煉、電爐+爐外精煉、轉(zhuǎn)爐+爐外精煉中任一種； 要求添加稀土之前，控制鋼液的氧含量，使其低于50ppm，并在出鋼澆鑄前加入Fe-Y中間合 金；澆鑄溫度控制在1500-1650°C ；(2)鑄錠或鑄錠開坯加熱溫度1150-1250°C，開坯時始鍛溫度控制在1100-1200°C，終 鍛溫度控制在950-1000°C ；(3)熱軋鑄錠或鑄錠開坯后根據(jù)用戶要求的鋼材規(guī)格進行熱軋，熱軋時坯料加熱溫 度1150-1250°C，開軋溫度控制在1150-1200°C，終軋溫度控制在950-1000°C(4)固溶處理鋼熱軋后在熱處理爐中進行固溶處理，溫度為1050-1150°C，保溫30-60 分鐘，冷卻方式采用水冷或空冷。

　　全文摘要

　　一種含稀土釔的節(jié)鎳型奧氏體耐熱不銹鋼及其制備方法，屬于合金鋼領(lǐng)域。組成及重量百分比Cr 20-22％，Ni 10-12％，Si 1.1-2.0％，N0.14-0.22％，C 0.05-0.10％，稀土Y 0.03-0.08％，Mn 0.3-0.8％，P≤0.02％，S≤0.03％，F(xiàn)e余量。采用真空感應(yīng)爐、非真空冶煉、電爐+爐外精煉、轉(zhuǎn)爐+爐外精煉；要求添加稀土之前，鋼液的氧含量≤50ppm，并在出鋼澆鑄前加入Fe-Y中間合金，澆鑄溫度控制在1500-1650℃，并澆鑄成型得到奧氏體耐熱不銹鋼鑄錠或者將鑄錠經(jīng)開坯鍛造、軋制及固溶處理，進而得到固溶態(tài)合金，優(yōu)點在于，可實現(xiàn)節(jié)鎳，降低原料成本。

　　文檔編號C21D8/00GK101935807SQ20101027953

　　公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日

　　發(fā)明者劉曉, 劉瀏, 王龍妹, 陳雷 申請人:鋼鐵研究總院