具有強(qiáng)抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強(qiáng)化鋼及其制造方法
【專利說(shuō)明】具有強(qiáng)抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強(qiáng)化鋼及其 制造方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求于2014年3月5日提交的韓國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?014-0025971的優(yōu)先權(quán)及 權(quán)益，其全部公開(kāi)內(nèi)容以引證的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及一種具有強(qiáng)抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強(qiáng)化鋼及其制造 方法，更特別涉及通過(guò)向鐵（Fe)-鉻（Cr)-氧化釔（Y 2O3)合金系中加入鑰（Mo)、鈦（Ti)和 釩（V)的合金元素，因析出物的微觀分布得以提高高溫強(qiáng)度并通過(guò)加入錳（Mn)來(lái)穩(wěn)定馬氏 體相的具有高溫強(qiáng)抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強(qiáng)化鋼，及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 鐵中加入8~12wt% (重量百分比）的鉻的鐵（Fe)-鉻（Cr)合金，通常要進(jìn)行正 火和回火，因而形成回火馬氏體組織。這種高鉻合金因其在高溫下優(yōu)異的抗中子輻照和優(yōu) 異的機(jī)械性能而被用作核動(dòng)力系統(tǒng)如鈉冷卻快反應(yīng)堆或熱電廠的結(jié)構(gòu)部件。然而，由于拉 伸應(yīng)力和蠕變強(qiáng)度在高溫如600°C或以上急劇降低，因此該合金用作結(jié)構(gòu)材料的使用溫度 有一個(gè)限度?？蛇x擇地，正在研發(fā)一種通過(guò)在合金基體中分散氧化物的高溫下具有強(qiáng)機(jī)械 性能的氧化物彌散強(qiáng)化鋼。氧化物彌散強(qiáng)化鋼是一種合金，其中具有優(yōu)良熱穩(wěn)定性的納米 氧化物如氧化釔（Y 2O3)均勻地分散在鐵（Fe)-鉻（Cr)基合金基體中，與一般合金相比，由 于氧化物的彌散強(qiáng)化以及基體組織的固溶強(qiáng)化，該合金的高溫機(jī)械性能如蠕變強(qiáng)度得以增 強(qiáng)。
[0005] 常規(guī)的氧化物彌散強(qiáng)化鋼相比一般合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，但對(duì)于設(shè)計(jì)條件仍 然不能充分滿足。為了改善這樣的問(wèn)題，將合金原素如鎢（W)、鉭（Ta)或鈮（Nb)等加入到鐵 (Fe)-鉻（Cr)-氧化釔（Y 2O3)系合金中。然而，當(dāng)加入作為固溶強(qiáng)化元素的鎢（W)的氧化物 彌散強(qiáng)化鋼在高溫應(yīng)力氣氛下長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，生成了拉夫斯（Laves)相，如脆的（Fe, Cr)2W， 因此長(zhǎng)期蠕變性能顯著降低。因此，需要研制可用作鈉冷卻快反應(yīng)堆核心結(jié)構(gòu)材料的具有 高溫強(qiáng)抗蠕變性和抗中子輻射的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強(qiáng)化鋼。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 技術(shù)問(wèn)題
[0007] 本發(fā)明涉及一種具有強(qiáng)抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強(qiáng)化鋼，它主要 由Fe-Cr-Y 2O3系合金組成，并包含0· 02~0· 2wt%的碳（〇、8~12wt%的鉻（Cr)、0. 1~ 0· 5wt% 的氧化釔（Y2O3)、0· 2 ~2wt% 的鑰（Mo)、0· 01 ~0· 5wt% 的鈦（Ti)、0· 01 ~lwt% 的猛（Mn)、0· 01~0· 3wt%的鑰；（V)、大于0至小于或等于0· 3wt%的锫（Zr)、大于0至小 于或等于0.5wt%的鎳（Ni)以及剩余含量的鐵（Fe),以及其制造方法。
[0008] 然而，本發(fā)明的技術(shù)目的不限于上述目的，本文未說(shuō)明的其它目的本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員根據(jù)以下說(shuō)明將會(huì)清楚地了解。
[0009] 技術(shù)方案
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種具有優(yōu)良抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物 彌散強(qiáng)化鋼，其包含0.02~0.2wt%的碳（〇、8~12wt%的鉻（Cr)、0. 1~0.5wt%的氧 化釔（Y2O3)、〇· 2 ~2wt % 的鑰（Mo)、0· 01 ~0· 5wt % 的鈦（Ti)、0· 01 ~Iwt % 的錳（Mn)、 0· 01~0· 3wt%的釩（V)以及剩余含量的鐵（Fe)。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造具有優(yōu)良抗蠕變性的鐵素體/馬氏體 氧化物彌散強(qiáng)化鋼的方法，其包括：(a)通過(guò)混合包含碳（C)、鉻（Cr)、鑰（Mo)、鈦（Ti)、錳 (Μη)、釩（V)、鐵（Fe)的金屬粉末與氧化釔（Y2O3)粉末后通過(guò)機(jī)械合金化處理制備合金粉 末；(b)將機(jī)械合金化的合金粉末裝入罐容器中并進(jìn)行脫氣；（c)通過(guò)熱加工已脫氣的合金 粉末制備氧化物彌散強(qiáng)化鋼；和（d)冷加工所述熱加工的氧化物彌散強(qiáng)化鋼。
[0012] 有益效果
[0013] 本發(fā)明的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強(qiáng)化鋼，包含0. 02~0. 2wt%的碳（C)、8~ 12wt% 的鉻（Cr)、0· 1 ~0· 5wt% 的氧化釔（Y2O3)、0· 2 ~2wt% 的鑰（Mo)、0· 01 ~0· 5wt% 的鈦（Ti)、0. 01~lwt%的猛（Mn)、0. 01~0. 3wt%的鑰;（V)、大于0至小于或等于0. 3wt% 的鋯（Zr)、大于0至小于或等于0. 5wt%的鎳（Ni)以及剩余含量的鐵（Fe)，因此具有高拉 伸強(qiáng)度和優(yōu)異的抗蠕變性從而用作核動(dòng)力系統(tǒng)如鈉冷卻快反應(yīng)堆的核心結(jié)構(gòu)部件（核燃 料包殼、管道、導(dǎo)線、端塞等）、熱電廠的超臨界壓力蒸汽發(fā)生器部件（轉(zhuǎn)子，軸等），并進(jìn)一 步用作飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件（盤(pán)件、噴嘴等）的材料。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 通過(guò)結(jié)合附圖詳細(xì)描述其示例性實(shí)施方式，本發(fā)明的上述和其他目的，特征和優(yōu) 點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言將變得更加明顯，其中：
[0015] 圖1為制造本發(fā)明的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強(qiáng)化鋼的流程圖；
[0016] 圖2為常規(guī)的氧化物彌散強(qiáng)化鋼和本發(fā)明的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強(qiáng)化鋼在 室溫和700°C下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果圖示；和
[0017] 圖3示出了常規(guī)的氧化物彌散強(qiáng)化鋼和本發(fā)明的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強(qiáng)化 鋼在700°C下的蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。盡管結(jié)合其示例性實(shí)施 方式顯示并說(shuō)明了本發(fā)明，但對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯然在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和保 護(hù)范圍的情況下，可進(jìn)行各種修改。
[0019] 作為研究提高氧化物彌散強(qiáng)化鋼的抗蠕變性的結(jié)果，本發(fā)明人證實(shí)，當(dāng)向 Fe-Cr-Y2O3系氧化物彌散強(qiáng)化合金中加入鑰（Mo)時(shí)，與常規(guī)的氧化物彌散強(qiáng)化鋼相比，抑 止了 Laves相生成，通過(guò)添加釩（V)提高了碳化物的微觀分布，通過(guò)添加錳（Mn)增加了固 溶強(qiáng)化，從而提高了長(zhǎng)期的抗蠕變性，該強(qiáng)化鋼可用作鈉冷卻快反應(yīng)堆的核心結(jié)構(gòu)部件的 材料、熱電廠蒸汽發(fā)生器部件或者飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的材料。因此，本發(fā)明人基于此完成了本 發(fā)明。
[0020] 以下，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0021] 本發(fā)明涉及具有優(yōu)異抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強(qiáng)化鋼，該強(qiáng)化鋼包 含 0· 02 ~0· 2wt% 的碳（C)、8 ~12wt% 的鉻（Cr)、0· 1 ~0· 5wt% 的氧化釔（Y2O3)、0· 2 ~ 2界七％的鑰（]?〇)、0.01~0.5￥七％的鈦（11)、0.01~^^%的錳（]\111)、0.01~0.3￥七％的釩 (V)以及剩余含量的鐵（Fe)。
[0022] 該氧化物彌散強(qiáng)化合金可進(jìn)一步包含鋯（Zr)和鎳（Ni)或它們的組合，鋯（Zr) 可進(jìn)一步包含大于〇至小于或等于〇.3wt%，鎳（Ni)可進(jìn)一步包含大于0至小于或等于 0· 5wt%。
[0023] 也就是說(shuō)，本發(fā)明的氧化物彌散強(qiáng)化鋼包含所有的碳、鉻、氧化釔、鑰、鈦、錳、釩和 鐵，從而確保了高的抗蠕變性。
[0024] 當(dāng)鉻（Cr)的含量小于8wt%時(shí)，耐蝕性會(huì)降低，而當(dāng)鉻（Cr)的含量大于12wt% 時(shí)，馬氏體相難以形成，因此，鉻（Cr)的含量?jī)?yōu)選為8~12wt%，更優(yōu)選為9~llwt%。
[0025] 當(dāng)氧化釔（Y2O3)的含量小于0. lwt%時(shí)，分散強(qiáng)化效果不顯著，而當(dāng)氧化釔（Y2O3) 的含量超過(guò)〇.5wt%時(shí)，由于殘留的分散體顆粒分散強(qiáng)化效果會(huì)增加，從而降低了可加工 性，因此，氧化釔（Y 2O3)的含量?jī)?yōu)選為〇· 1~〇· 5wt%，更優(yōu)選為0· 3~0· 4wt%。
[0026] 當(dāng)鑰（Mo)的含量小于0. 2wt%時(shí)，高溫強(qiáng)度不會(huì)顯著增加，當(dāng)鑰（Mo)的含量大于 2wt%時(shí)，包含了大量的高價(jià)鑰（Mo),從而在經(jīng)濟(jì)方面上具有弊端。因此，鑰（Mo)含量?jī)?yōu)選 0. 2~2wt %，更優(yōu)選為0. 7~I. 5wt %。也就是說(shuō)，與常規(guī)的氧化物彌散強(qiáng)化鋼相比，代替 鎢（W)，加入鑰（Mo),從而提高了高溫強(qiáng)度，抑制了在暴露于中子輻照氣氛的高溫應(yīng)力條件 下生成拉夫斯（Laves)相，并提高了長(zhǎng)期的懦變特性。
[0027] 鈦（Ti)的含量可以為0· 01~0· 3wt%，優(yōu)選為0· 1~0· 3wt%。這樣鈦（Ti)在 加熱過(guò)程中與氧化釔（Y2O3)連接，從而形成Y-Ti-O系復(fù)合氧化物如Y 2Ti2O7或Y2TiO5，有助 于高密度和微觀分布，并提高強(qiáng)度。
[0028] 錳（Mn)可以通過(guò)強(qiáng)化馬氏體作為奧氏體形成元素，用于增加基體的強(qiáng)度，這樣錳 (Mn)的含量可以是0.01~Iwt%。
[0029] 釩（V)是形成微小MX析出物的析出物強(qiáng)化元素，并增加高溫拉伸強(qiáng)度和抗蠕 變性。當(dāng)釩（V)的含量小于0.0 lwt %時(shí)，上述效果是微不足道的，當(dāng)釩（V)的含量超過(guò) 0.3wt%時(shí)，形成脆性的δ鐵素體相（delta ferrite phase),從而劣化了機(jī)械性能。本發(fā) 明使用釩來(lái)獲得高的抗蠕變性。優(yōu)選地，釩的含量為〇. 05~0. 15wt %，更優(yōu)選地，如本發(fā)明 的實(shí)施例中公開(kāi)的新合金4,當(dāng)使用0. lwt%的f凡時(shí)，確保優(yōu)異的強(qiáng)度。
[0030] 當(dāng)鋯（Zr)的含量?jī)?yōu)選大于0至小于或等于0. 3wt %時(shí)，它與氧化釔（Y2O3)相連， 從而形成Y-Zr-O系復(fù)合氧化物并在基體中均勻分散成高密度，從而進(jìn)一步提高強(qiáng)度特性。
[0031] 此外，鎳（Ni)是一種奧氏體形成元素，用于通過(guò)加強(qiáng)馬氏體來(lái)增加基體的強(qiáng)度， 并優(yōu)選這樣的鎳（Ni)含量可以大于0至小于或等于0.5wt%。
[0032] 因此，本發(fā)明的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強(qiáng)化鋼，可用作結(jié)構(gòu)部件的材料，該結(jié) 構(gòu)部件包括核燃料包殼、管道、導(dǎo)線、或快反應(yīng)堆的端部塞子，熱電廠的超超臨界壓力蒸汽 發(fā)生器的轉(zhuǎn)子或軸，或者飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的底盤(pán)或噴嘴。
[0033] 本發(fā)明涉及一種制造具有優(yōu)良抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強(qiáng)化鋼的 方法，其包括：(a)通過(guò)混合