一種耐高溫鐵素體不銹鋼及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鐵素體不銹鋼領(lǐng)域，具體涉及一種耐高溫鐵素體不銹鋼及其制造方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車排氣系統(tǒng)用材料越來越受到汽車生產(chǎn)廠商的重視，以 適應(yīng)越來越嚴(yán)格的環(huán)保要求和不斷降低車身重量和材料成本的需要。鐵素體不銹鋼具有節(jié) 鎳、抗晶間腐蝕等優(yōu)良耐蝕性能及低熱膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度等物理和力學(xué)性能等綜合優(yōu)勢(shì)，使 鐵素體不銹鋼取代了奧氏體不銹鋼成為汽車排氣系統(tǒng)的首選材料，應(yīng)用較為廣泛。日本和 歐美的汽車廠均從20世紀(jì)80年代起全面采用鐵素體不銹鋼作為制造汽車排氣系統(tǒng)的材 料。汽車排氣系統(tǒng)主要由岐管、前管、柔性管、轉(zhuǎn)換器、中管、消聲器和尾管等組成，其中，岐 管部分使用的鐵素體不銹鋼要求同時(shí)具備良好的耐腐蝕性能、高溫性能和成型性能。
[0003] 作為高溫段使用的鐵素體不銹鋼主要可以分為兩類，一類是17Cr不銹鋼，另一類 主要是中低鉻鐵素體不銹鋼，為保證鐵素體不銹鋼具備良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，通 過添加適量的穩(wěn)定化元素 Ti或Nb，利用穩(wěn)定化元素固定鋼中N和C，減少Cr與N和C的結(jié) 合形成化合物而造成的局部貧鉻，從而使耐腐蝕性能降低。另外，Nb的添加可以有效提高 高溫強(qiáng)度、抗氧化性能和耐腐蝕性能。
[0004] 目前，對(duì)于汽車尾氣系統(tǒng)中的岐管部分，使用的不銹鋼主要是17Cr不銹鋼，如 441，444等，這類不銹鋼含Cr、Nb、Mo等元素較多，具備良好的耐腐蝕性能和高溫強(qiáng)度，但是 成本相對(duì)較高，同時(shí)，由于合金元素含量較高，增加了成型難度。另外一種應(yīng)用于排氣系統(tǒng) 中岐管部分的鐵素體不銹鋼是中低Cr鐵素體不銹鋼，含13~15% Cr，通過添加 Nb，或復(fù)合 添加 Nb、Mo等，在保證材料成形性的同時(shí)，仍然可以獲得較高的高溫強(qiáng)度，但添加 Mo提高了 成本，無鉬的則高溫強(qiáng)度又相對(duì)較低，代表產(chǎn)品如NSSC450MS、JFE429等。而上述傳統(tǒng)汽車 排氣歧管用不銹鋼的使用溫度一般都在900°C以下，最高不會(huì)超過950°C。隨著汽車工業(yè)的 發(fā)展，以及渦輪增壓技術(shù)的普遍應(yīng)用，目前迫切需要能夠滿足在l〇〇〇°C乃至更高的使用溫 度下具備優(yōu)良高溫強(qiáng)度、抗氧化性能的材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種耐高溫鐵素體不銹鋼及其制造方法，該鐵素體不銹鋼 具備良好的高溫強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性和抗氧化性能，其在1050°C下高溫屈服強(qiáng)度σ 0. 2達(dá)到 24MPa以上，1050°C時(shí)效IOOh后高溫屈服強(qiáng)度無明顯降低，具備良好的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定性，工 作溫度可達(dá)l〇〇〇°C以上，適合應(yīng)用在使用溫度達(dá)到1000°C以上的應(yīng)用領(lǐng)域，如汽車排氣系 統(tǒng)中歧管等。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] -種耐高溫鐵素體不銹鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)如下：C彡0.025 %， N 彡 0· 015 %，Si :0· 1 ~1. 2 %，Mn :1. 0 ~2. 0 %，Cr :18. 0 ~24. 0 %，P 彡 0· 03 %， S 彡 0· 002 %，Ni 彡 0· 3 %，Mo :1. 5 ~2· 5 %，W :0· 3 ~2· O %，4(C+N)彡 Ti 彡 0· 2 %， [10 (C+N) +0· 30 % ]彡Nb彡0· 80 %，且上述成分含量必須同時(shí)滿足如下關(guān)系： 〇+~彡0.035%，2%彡]\1〇+1彡3.5%，他+1+]\1〇彡4.0%，其余為？6以及不可避免的雜質(zhì)元 素，雜質(zhì)元素總量< 0. 05%。
[0008] 進(jìn)一步，所述耐高溫鐵素體不銹鋼1050°C下高溫屈服強(qiáng)度σ 〇. 2彡24MPa，1050°C 時(shí)效IOOh后高溫屈服強(qiáng)度σ 〇. 2彡20MPa。
[0009] 本發(fā)明的化學(xué)成分設(shè)計(jì)中：
[0010] C和N :在本發(fā)明中C和N屬于雜質(zhì)元素，需要盡可能降低其含量。目前的常規(guī)冶 煉裝備能夠?qū)ⅲ–+N)控制在0. 035%以下，同時(shí)C彡0. 025%、N彡0. 015%。降低碳、氮總 量不僅可以提高成型性能，同時(shí)也能降低穩(wěn)定化元素加入量，特別是減少Ti含量，保證產(chǎn) 品表面質(zhì)量和提尚晶間腐蝕性能。
[0011] Cr :Cr是提高抗氧化性和強(qiáng)度的主要合金元素，同時(shí)可以提高高溫強(qiáng)度。Cr提高 鋼的強(qiáng)度，但Cr含量過高時(shí)降低鋼的塑性，且會(huì)惡化產(chǎn)品表面質(zhì)量。因此，本發(fā)明將Cr含 量控制在18. 0~24. 0%。
[0012] Si :Si加入鋼中起到脫氧和提高高溫強(qiáng)度及高溫氧化性能，但當(dāng)Si含量過高時(shí)， 室溫成型性惡化。適量的硅可以使不銹鋼具有優(yōu)異的耐氧化性能。因此，本發(fā)明將Si含量 控制在0. 1~1. 2%。
[0013] Mn :Mn被公認(rèn)為為對(duì)抗氧化性能不利的因素，在現(xiàn)有的材料設(shè)計(jì)過程中，絕大多 數(shù)設(shè)計(jì)者將Mn控制在較低的水平，而并未考慮在冷熱交替使用環(huán)境中Mn的使用效果。本 發(fā)明所述合金體系的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)Mn含量增加到0. 9%以上時(shí)，在冷-熱交替循環(huán) 氧化下材料的失重顯著減少。這使本發(fā)明材料應(yīng)用在汽車排氣系統(tǒng)領(lǐng)域中時(shí)具備非常明顯 的優(yōu)越性，因此，本發(fā)明將Mn含量控制在1 %以上。然而Mn對(duì)抗氧化性能的損害作用是不 可忽視的，尤其當(dāng)其含量高于2%時(shí)，就不得不提高Cr、Mo等元素的含量才能加以補(bǔ)償，因 此綜合考慮Mn對(duì)恒溫氧化和冷-熱交替循環(huán)氧化的綜合影響效果，本發(fā)明將Mn含量范圍 控制為1~2%。
[0014] Ti :Ti很容易與N形成TiN，作為穩(wěn)定化元素添加固定鋼中N。在含Nb鋼中，TiN 可以在高溫條件下有效的提高Nb的固溶量，從而提高鋼的高溫強(qiáng)度，同時(shí)添加 Ti還可以避 免在長(zhǎng)時(shí)間高溫時(shí)效的過程中導(dǎo)致高溫強(qiáng)度下降，從而提高了含Nb鋼高溫強(qiáng)度的穩(wěn)定性。 但是過量的Ti會(huì)增加冶煉難度，降低材料的表面質(zhì)量和使用性能，因此，Ti含量不宜超過 0. 20%。同時(shí)Ti與C、N的結(jié)合可以避免晶界析出Cr的碳化物，從而提升其耐晶間腐蝕能 力，為了確保晶界處不形成Cr的碳化物，Ti的添加量還需滿足Ti彡4 (C+N)。
[0015] Nb :Nb很容易與C結(jié)合，所以添加適量Nb可以固定鋼中C，另一方面，Nb固溶在基 體中能夠有效的起到提高高溫強(qiáng)度的作用，在本發(fā)明中，如果Nb作為穩(wěn)定化元素固定C、N 元素而言，Nb含量滿足10 (C+N) < Nb即可，但是本發(fā)明中Nb還要作為固溶強(qiáng)化元素用以 提高高溫強(qiáng)度，因此，下限設(shè)計(jì)為[10 (C+N)+0. 30% ]< Nb ;另一方面，采用Nb作為單一的 強(qiáng)化元素，當(dāng)其含量較高時(shí)，會(huì)遇到諸如偏析、使用過程中析出相粗大化而導(dǎo)致高溫強(qiáng)度下 降，冷乳板退火難以實(shí)現(xiàn)再結(jié)晶至材料強(qiáng)度過高等問題，因此Nb含量最高不超過0. 8%。
[0016] Mo :Mo不僅提尚尚溫強(qiáng)度，抗氧化性能，還能夠提尚材料的尚溫鹽腐蝕性能，鑒于 本發(fā)明利用的Mo+W的協(xié)同作用，因此Mo的含量為1.5%以上，但不超過2. 5%，以免導(dǎo)致 室溫強(qiáng)度過高以及在熱乳工序中會(huì)導(dǎo)致難以克服的生產(chǎn)缺陷。
[0017] W :W在本發(fā)明中是非常核心的元素，首先，在上述含Mo的體系中添加 W之后可顯 著提高高溫抗氧化性能，同時(shí)提升高溫強(qiáng)度，然而，當(dāng)添加量低于〇. 3%時(shí)候，其對(duì)高溫氧化 性能的提升效果不顯著，但是添加量較大的時(shí)候，其成本上升非常顯著，且當(dāng)含量大于2 % 時(shí)，在冷-熱交替循環(huán)氧化過程中氧化皮會(huì)出現(xiàn)典型的崩裂和脫落，因此，本發(fā)明將W加入 量控制為〇. 3~2%。
[0018] 關(guān)于Nb、Mo和W復(fù)合添加：如上所述，Nb可顯著提升高溫強(qiáng)度，但是對(duì)抗氧化性 能貢獻(xiàn)甚少，因此單獨(dú)增加 Nb含量對(duì)抗氧化性能的提高沒有意義，而W和Mo是同時(shí)可以提 高抗氧化性能和高溫強(qiáng)度的元素，但提升高溫強(qiáng)度的元素對(duì)室溫強(qiáng)度也會(huì)有顯著提升，當(dāng) Nb+W+Mo總量過高時(shí)，室溫下屈服強(qiáng)度極高，可加工性能變差，從而使高溫強(qiáng)度的提升沒有 意義，因此，本發(fā)明要求Nb+W+Mo < 4. 0%。在抗氧化性能提升方面，僅添加 Mo時(shí)富Mo析出 相會(huì)使材料在長(zhǎng)期時(shí)效的條件下高溫強(qiáng)度下降，而W能夠抑制該析出物的產(chǎn)生和長(zhǎng)大，且 相對(duì)Nb、Mo而言，W不易形成該類型析出物。
[0019] 但是W的添加導(dǎo)致氧化皮有剝落傾向，這對(duì)材料是不利的，因此，本發(fā)明復(fù)合添加 W和Mo。對(duì)1050°C抗氧化性能的影響試驗(yàn)結(jié)果表明（試驗(yàn)中，氧化增重少表示抗氧化性 能優(yōu)良）：當(dāng)Mo+W含量小于2. 0 %時(shí)，有異常氧化發(fā)生，而當(dāng)Mo+W總含量大2. 0 %時(shí)，氧化 增重明顯減少，另外，Mn含量較低而Mo+W比較高時(shí)出現(xiàn)氧化皮剝落的情況，而適當(dāng)?shù)脑黾?Mn含量有利于改善這種情況?；诖?，且綜合合金成本考慮，Mo+W復(fù)合添加含量為2. 0% 彡 Mo+W 彡 3. 5%。
[0020] Ni :Ni在鐵素體不銹鋼中屬于殘余元素，盡可能減少Ni的含量。
[0021] P和S :鐵素體不銹鋼中磷和硫會(huì)嚴(yán)重影響不銹鋼的耐蝕性和加工性能，必須嚴(yán)格 控制，一般要求控制在P彡〇. 03%，S彡0. 002%。
[0022] 本發(fā)明所述耐高溫鐵素體不銹鋼的制造方法，其包括如下步驟：
[0023] 1)冶煉、鑄造
[0024] 按照上述化學(xué)成分進(jìn)行冶煉、連鑄；
[0025] 2)熱乳
[0026] 加熱溫度為1050~1200°C，加熱時(shí)間> 180min ;熱乳終乳溫度為800~950°C， 卷取溫度為630~750 °C ;
[0027] 3)熱乳后退火+酸洗
[0028] 熱乳板卷退火溫度為900~1000°C，退火TV值控制在150~220,其