一種晶界析出強化的奧氏體耐熱鋼及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種晶界析出強化的奧氏體耐熱鋼及其制備方法，屬于高溫金屬材料制造【技術領域】，該耐熱鋼在高溫服役條件下析出強化相為Laves相Fe2Nb，代替常見碳化物析出相，通過固溶處理及時效處理，在晶界上得到Laves相Fe2Nb析出；該奧氏體耐熱鋼的各成分為：鉻、鎳、鈮、硼和Fe。該方法包括：將上述各成分的原料放入氧化鎂坩堝中；置于真空爐中，抽真空，并加熱爐料，使氧化鎂坩堝中爐料熔化；再對爐料進行精煉，除去爐料中的氧、氮、氫后降溫；加入終脫氧劑，在高于熔點的溫度下從真空爐取出，將熔融爐料澆注到鋼錠模中；再固溶、時效處理后淬火。本發(fā)明具有優(yōu)異高溫持久強度，且組成元素較少，成分簡單，易于在工業(yè)生產中使用的特點。
【專利說明】一種晶界析出強化的奧氏體耐熱鋼及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于高溫金屬材料制造【技術領域】，特別涉及具有良好高溫持久強度的奧氏體系耐熱鋼及其制造方法。
【背景技術】
[0002]火力發(fā)電依然是我國電力生產的主體。提高火力發(fā)電機組的蒸汽參數(shù)(溫度，壓力)是提聞熱電效率的有效途徑。聞效、潔凈的超臨界、超超臨界機組的發(fā)展對于提聞火力發(fā)電的效率有十分明顯的影響，而機組鍋爐過熱器、再熱器高溫段的材料則是我國超臨界機組發(fā)展的主要制約因素。
[0003]發(fā)電機組鍋爐過熱器和再熱器材料需要具有優(yōu)異的高溫抗蠕變性能，同時還要具有良好的抗高溫氧化性能以及經濟性。目前，投入使用的高溫金屬材料主要有鐵素體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼以及高溫合金三大類。鐵素體系耐熱鋼因低廉的價格及良好的工藝性能獲得了廣泛的應用，新型9-12Cr鐵素體耐熱鋼成為了 600°C超臨界機組的關鍵材料，但是由于其抗氧化能力以及組織穩(wěn)定性的關系，其最高工作溫度不能超過650°C，難以滿足機組蒸汽溫度70(TC乃至更高的溫度條件；高溫合金高溫持久強度較好，但是其加工工藝性能差，價格昂貴，也極大的限制了其使用。相比價而言，由于奧氏體具有FCC密排結構，較BCC結構的鐵素體更易獲得較好的組織穩(wěn)定性，且奧氏體耐熱鋼含有更高的鉻，具有更好的抗高溫氧化性能，因而在新型耐熱鋼的開發(fā)中更具潛力。
[0004]在專利CN1340109，US7731895B2, US6939415B2中公開的奧氏體耐熱鋼中，主要合金元素為鉻(Cr)、鎳(Ni)、鈮(Nb)以及碳(C)，其強化原理無一例外都是通過在鋼中添加合金元素碳(C)，依靠在高溫長期服役過程中析出的含鉻碳化物M23C6以及NbC、MX相析出強化，第二相析出高溫下能夠有效釘扎位錯運動，從而達到耐熱鋼在600-650°C溫度范圍內的蠕變強度，但主要析出相M23C6在耐熱鋼長期服役過程中易粗化長大，穩(wěn)定性不佳，對抗高溫蠕變性能不利，同時，碳(C)元素的添加還將使得材料焊接性能下降，不利于材料的生產應用。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有強化的奧氏體耐熱鋼高溫存在的問題，提出一種新型的晶界析出強化的奧氏體耐熱鋼，通過熱處理誘導Laves相Fe2Nb在晶界上的析出，利用高溫條件下穩(wěn)定性更好的Laves phase作為析出強化相，取代鋼中常見的碳化物析出相，能夠有效提高材料的高溫持久強度，且組成元素較少，成分簡單，易于在工業(yè)生產中使用。
[0006]本發(fā)明提出的一種晶界析出強化的奧氏體耐熱鋼，其特征在于，該耐熱鋼在高溫服役條件下析出強化相為Laves相Fe2Nb,代替常見碳化物析出相，通過固溶處理及時效處理，在晶界上得到Laves相Fe2Nb析出，強化奧氏體晶界，改善抗螺變性能；該奧氏體耐熱鋼的各成分占總質量分數(shù)分別為:鉻:18wt%_22wt%,鎳:31wt%_35wt%,銀:3wt%_5wt%,硼:
0.002wt%-0.02wt%，其余為 Fe[0007]該鋼中利用Laves相取代常見碳化物作為析出強化相，有效強化了晶界，從而改善了高溫使用性能。
[0008]本發(fā)明還提出上述奧氏體耐熱鋼的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0009](I)將按上述比例稱量的金屬鐵、鎳、鉻、鈮鉄、綳鐵放入氧化鎂坩堝中；
[0010](2)將氧化鎂坩堝置于真空爐中，對真空爐抽真空，當真空爐內壓強小于IOPa時，對真空爐中的感應圈進行送電，感應線圈產生電流，加熱爐料，送電功率從IOkw直到60kw，使氧化鎂坩堝中爐料熔化；
[0011](3)對真空爐進一步抽真空，使真空爐中的真空度小于或等于IPa，對爐料進行精煉，精煉時間為15分鐘，以除去爐料中的氧、氮、氫；
[0012](4)氧化鎂坩堝靜置3分鐘，用以降溫；
[0013](5)在氧化鎂坩堝中加入終脫氧劑，30kw送電，保持1.5分鐘，在高于熔點150°C的溫度下將坩堝從真空爐取出，將熔融爐料澆注到鋼錠模中；
[0014]所述的終脫氧劑為鎳鎂合金；
[0015](6)待鋼錠凝固后，把鋼錠從錠模中脫出。
[0016]本發(fā)明還包括熱處理制度； [0017](7)將鋼錠鍛造和軋制成所需的型材，在1150°C固溶處理lh，而后在800°C條件下進行時效處理后淬火。
[0018]本發(fā)明提出的奧氏體耐熱鋼，其優(yōu)點在于其析出強化相為Laves相(Fe2Nb),該析出相較碳化物析出而言在高溫條件下穩(wěn)定性更好，不易粗化長大，同時元素硼(B)在晶界富集，使得Laves相在晶界析出覆蓋率更高，能夠有效改善該材料高溫力學性能，延長服役壽命。同時成分組成元素較少，成分相對簡單，易于在工業(yè)生產中使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為實施例樣品熱處理后掃描電鏡(SEM)照片。
【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明提出的一種晶界析出強化的新型奧氏體耐熱鋼，結合實施例詳細說明如下:
[0021]本發(fā)明提出的一種晶界析出強化的奧氏體耐熱鋼，其特征在于，該耐熱鋼在高溫服役條件下析出強化相為Laves相Fe2Nb,代替常見碳化物析出相，通過固溶處理及時效處理，在晶界上得到Laves相Fe2Nb析出，強化奧氏體晶界，改善抗螺變性能；該奧氏體耐熱鋼的各成分占總質量分數(shù)為:鉻18wt%-22wt%，更佳為18.17wt%-20.322wt% ;鎳31wt%-35wt%,更佳為 31.33wt%-33.51wt% ；鈮 3wt%-5wt%,更佳為 3.51wt%-4.20wt% ；硼
0.002wt%-0.02wt%,0.00093wt%-0.0087wt% ;其余為Fe。本發(fā)明的奧氏體耐熱鋼中，各成分作用如下:
[0022]Fe為鋼的主體成分。
[0023]鉻:鉻是改善鋼的耐腐蝕性能的重要元素，含量低于17%時耐蝕性并不理想，不能達到使用要求。[0024]鎳:擴大Y相區(qū)的合金元素，是奧氏體耐熱鋼中獲得穩(wěn)定奧氏體組織主要的合金元素。
[0025]鈮:鈮在材料中與鐵形成Laves相Fe2Nb存在，通過在晶界的析出，釘扎位錯移動，阻礙高溫下微小變形達到強化合金改善高溫力學性能的作用。
[0026]硼:硼易于在晶界平衡偏聚，降低界面能，使得第二相在晶界形核驅動力減少。能夠細化和穩(wěn)定晶界上的析出相從而提高了高溫抗蠕變性能，同時硼的添加還能顯著提高鋼的淬透性。
[0027]本發(fā)明還提出上述奧氏體耐熱鋼的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0028](I)將按上述比例稱量的金屬鐵、鎳、鉻、鈮鉄、綳鐵放入氧化鎂坩堝中；
[0029](2)將氧化鎂坩堝置于真空爐中，對真空爐抽真空，當真空爐內壓強小于IOPa時，對真空爐中的感應圈進行送電，感應線圈產生電流，加熱爐料，送電功率從IOkw直到60kw，使氧化鎂坩堝中爐料熔化；
[0030](3)對真空爐進一步抽真空，使真空爐中的真空度小于或等于IPa，對爐料進行精煉，精煉時間為15分鐘，以除去爐料中的氧、氮、氫；
[0031](4)氧化鎂坩堝靜置3分鐘，用以降溫；
[0032](5)在氧化鎂坩堝中加入終脫氧劑，30kw送電，保持1.5分鐘，在高于熔點150°C的溫度下將坩堝從真空爐取出，將熔融爐料澆注到鋼錠模中；
[0033]所述的終脫氧劑為鎳鎂合金；
[0034](6)待鋼錠凝固后，把鋼錠從錠模中脫出。
[0035]本發(fā)明還包括熱處理制度:
[0036]即在真空感應熔煉中配料熔煉后鍛造和軋制成所需的型材，在1150°C固溶處理lh，而后在800°C條件下進行時效處理后淬火。
[0037]以下是發(fā)明人給出的具體實施例，需要說明的是，該實施例只是較佳的實驗方案，本發(fā)明不僅限于這些實施例。
[0038]各實施例中，所用設備為50kg真空感應爐，真空爐參數(shù)為容量0.05T，額定功率為120千瓦，頻率2.5千赫茲，極限真空度為6.7 X 10-3mmHg，約0.893pa,額定溫度1700°C，重量1.5噸，控制電壓220V，各實施例的制備方法及工藝備件均相同，如上所述，不再重復。
[0039]本發(fā)明的三個實施例的奧氏體耐熱鋼化學成分見表1。
[0040]表1三個實施例的奧氏體耐熱鋼的化學成分(wt%)
【權利要求】
1.一種晶界析出強化的奧氏體耐熱鋼，其特征在于，該耐熱鋼在高溫服役條件下析出強化相為Laves相Fe2Nb,代替常見碳化物析出相，通過固溶處理及時效處理，在晶界上得到Laves相Fe2Nb析出，強化奧氏體晶界，改善抗螺變性能；該奧氏體耐熱鋼的各成分占總質量分數(shù)分別為:鉻:18wt%-22wt%，鎳:31wt%-35wt%，鈮:3wt%_5wt%，硼:0.002wt%-0.02wt%,其余為Fe。
2.根據(jù)權利要求1所述的奧氏體耐熱鋼的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)將按上述比例稱量的金屬鐵、鎳、鉻、鈮鉄、綳鐵放入氧化鎂坩堝中； (2)將氧化鎂坩堝置于真空爐中，對真空爐抽真空，當真空爐內壓強小于IOPa時，對真空爐中的感應圈進行送電，感應線圈產生電流，加熱爐料，送電功率從IOkw直到60kw，使氧化鎂坩堝中爐料熔化； (3)對真空爐進一步抽真空，使真空爐中的真空度小于或等于IPa，對爐料進行精煉，精煉時間為1 5分鐘，以除去爐料中的氧、氮、氫； (4)氧化鎂坩堝靜置3分鐘，用以降溫； (5)在氧化鎂坩堝中加入終脫氧劑，30kw送電，保持1.5分鐘，在高于熔點150°C的溫度下將坩堝從真空爐取出，將熔融爐料澆注到鋼錠模中；所述的終脫氧劑為鎳鎂合金； (6)待鋼徒凝固后，把鋼徒從徒|吳中脫出。
3.如權利要求2所述制備方法，其特征在于，該方法還包括熱處理制度: (7)將鋼錠鍛造和軋制成所需的型材，在1150°C固溶處理lh，而后在800°C條件下進行時效處理后淬火。
【文檔編號】C22C38/54GK103981456SQ201410158289
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權日:2014年4月18日
【發(fā)明者】張弛, 陳升偉, 夏志新, 石川博規(guī), 楊志剛 申請人:清華大學