一种晶界析出强化的奥氏体耐热钢及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种晶界析出强化的奥氏体耐热钢及其制备方法，属于高温金属材料制造【技术领域】，该耐热钢在高温服役条件下析出强化相为Laves相Fe2Nb，代替常见碳化物析出相，通过固溶处理及时效处理，在晶界上得到Laves相Fe2Nb析出；该奥氏体耐热钢的各成分为：铬、镍、铌、硼和Fe。该方法包括：将上述各成分的原料放入氧化镁坩埚中；置于真空炉中，抽真空，并加热炉料，使氧化镁坩埚中炉料熔化；再对炉料进行精炼，除去炉料中的氧、氮、氢后降温；加入终脱氧剂，在高于熔点的温度下从真空炉取出，将熔融炉料浇注到钢锭模中；再固溶、时效处理后淬火。本发明具有优异高温持久强度，且组成元素较少，成分简单，易于在工业生产中使用的特点。
【专利说明】一种晶界析出强化的奥氏体耐热钢及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高温金属材料制造【技术领域】，特别涉及具有良好高温持久强度的奥氏体系耐热钢及其制造方法。
【背景技术】
[0002]火力发电依然是我国电力生产的主体。提高火力发电机组的蒸汽参数(温度，压力)是提闻热电效率的有效途径。闻效、洁净的超临界、超超临界机组的发展对于提闻火力发电的效率有十分明显的影响，而机组锅炉过热器、再热器高温段的材料则是我国超临界机组发展的主要制约因素。
[0003]发电机组锅炉过热器和再热器材料需要具有优异的高温抗蠕变性能，同时还要具有良好的抗高温氧化性能以及经济性。目前，投入使用的高温金属材料主要有铁素体耐热钢、奥氏体耐热钢以及高温合金三大类。铁素体系耐热钢因低廉的价格及良好的工艺性能获得了广泛的应用，新型9-12Cr铁素体耐热钢成为了 600°C超临界机组的关键材料，但是由于其抗氧化能力以及组织稳定性的关系，其最高工作温度不能超过650°C，难以满足机组蒸汽温度70(TC乃至更高的温度条件；高温合金高温持久强度较好，但是其加工工艺性能差，价格昂贵，也极大的限制了其使用。相比价而言，由于奥氏体具有FCC密排结构，较BCC结构的铁素体更易获得较好的组织稳定性，且奥氏体耐热钢含有更高的铬，具有更好的抗高温氧化性能，因而在新型耐热钢的开发中更具潜力。
[0004]在专利CN1340109，US7731895B2, US6939415B2中公开的奥氏体耐热钢中，主要合金元素为铬(Cr)、镍(Ni)、铌(Nb)以及碳(C)，其强化原理无一例外都是通过在钢中添加合金元素碳(C)，依靠在高温长期服役过程中析出的含铬碳化物M23C6以及NbC、MX相析出强化，第二相析出高温下能够有效钉扎位错运动，从而达到耐热钢在600-650°C温度范围内的蠕变强度，但主要析出相M23C6在耐热钢长期服役过程中易粗化长大，稳定性不佳，对抗高温蠕变性能不利，同时，碳(C)元素的添加还将使得材料焊接性能下降，不利于材料的生产应用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有强化的奥氏体耐热钢高温存在的问题，提出一种新型的晶界析出强化的奥氏体耐热钢，通过热处理诱导Laves相Fe2Nb在晶界上的析出，利用高温条件下稳定性更好的Laves phase作为析出强化相，取代钢中常见的碳化物析出相，能够有效提高材料的高温持久强度，且组成元素较少，成分简单，易于在工业生产中使用。
[0006]本发明提出的一种晶界析出强化的奥氏体耐热钢，其特征在于，该耐热钢在高温服役条件下析出强化相为Laves相Fe2Nb,代替常见碳化物析出相，通过固溶处理及时效处理，在晶界上得到Laves相Fe2Nb析出，强化奥氏体晶界，改善抗螺变性能；该奥氏体耐热钢的各成分占总质量分数分别为:铬:18wt%_22wt%,镍:31wt%_35wt%,银:3wt%_5wt%,硼:
0.002wt%-0.02wt%，其余为 Fe[0007]该钢中利用Laves相取代常见碳化物作为析出强化相，有效强化了晶界，从而改善了高温使用性能。
[0008]本发明还提出上述奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0009](I)将按上述比例称量的金属铁、镍、铬、铌鉄、綳铁放入氧化镁坩埚中；
[0010](2)将氧化镁坩埚置于真空炉中，对真空炉抽真空，当真空炉内压强小于IOPa时，对真空炉中的感应圈进行送电，感应线圈产生电流，加热炉料，送电功率从IOkw直到60kw，使氧化镁坩埚中炉料熔化；
[0011](3)对真空炉进一步抽真空，使真空炉中的真空度小于或等于IPa，对炉料进行精炼，精炼时间为15分钟，以除去炉料中的氧、氮、氢；
[0012](4)氧化镁坩埚静置3分钟，用以降温；
[0013](5)在氧化镁坩埚中加入终脱氧剂，30kw送电，保持1.5分钟，在高于熔点150°C的温度下将坩埚从真空炉取出，将熔融炉料浇注到钢锭模中；
[0014]所述的终脱氧剂为镍镁合金；
[0015](6)待钢锭凝固后，把钢锭从锭模中脱出。
[0016]本发明还包括热处理制度； [0017](7)将钢锭锻造和轧制成所需的型材，在1150°C固溶处理lh，而后在800°C条件下进行时效处理后淬火。
[0018]本发明提出的奥氏体耐热钢，其优点在于其析出强化相为Laves相(Fe2Nb),该析出相较碳化物析出而言在高温条件下稳定性更好，不易粗化长大，同时元素硼(B)在晶界富集，使得Laves相在晶界析出覆盖率更高，能够有效改善该材料高温力学性能，延长服役寿命。同时成分组成元素较少，成分相对简单，易于在工业生产中使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为实施例样品热处理后扫描电镜(SEM)照片。
【具体实施方式】
[0020]本发明提出的一种晶界析出强化的新型奥氏体耐热钢，结合实施例详细说明如下:
[0021]本发明提出的一种晶界析出强化的奥氏体耐热钢，其特征在于，该耐热钢在高温服役条件下析出强化相为Laves相Fe2Nb,代替常见碳化物析出相，通过固溶处理及时效处理，在晶界上得到Laves相Fe2Nb析出，强化奥氏体晶界，改善抗螺变性能；该奥氏体耐热钢的各成分占总质量分数为:铬18wt%-22wt%，更佳为18.17wt%-20.322wt% ;镍31wt%-35wt%,更佳为 31.33wt%-33.51wt% ；铌 3wt%-5wt%,更佳为 3.51wt%-4.20wt% ；硼
0.002wt%-0.02wt%,0.00093wt%-0.0087wt% ;其余为Fe。本发明的奥氏体耐热钢中，各成分作用如下:
[0022]Fe为钢的主体成分。
[0023]铬:铬是改善钢的耐腐蚀性能的重要元素，含量低于17%时耐蚀性并不理想，不能达到使用要求。[0024]镍:扩大Y相区的合金元素，是奥氏体耐热钢中获得稳定奥氏体组织主要的合金元素。
[0025]铌:铌在材料中与铁形成Laves相Fe2Nb存在，通过在晶界的析出，钉扎位错移动，阻碍高温下微小变形达到强化合金改善高温力学性能的作用。
[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驱动力减少。能够细化和稳定晶界上的析出相从而提高了高温抗蠕变性能，同时硼的添加还能显著提高钢的淬透性。
[0027]本发明还提出上述奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0028](I)将按上述比例称量的金属铁、镍、铬、铌鉄、綳铁放入氧化镁坩埚中；
[0029](2)将氧化镁坩埚置于真空炉中，对真空炉抽真空，当真空炉内压强小于IOPa时，对真空炉中的感应圈进行送电，感应线圈产生电流，加热炉料，送电功率从IOkw直到60kw，使氧化镁坩埚中炉料熔化；
[0030](3)对真空炉进一步抽真空，使真空炉中的真空度小于或等于IPa，对炉料进行精炼，精炼时间为15分钟，以除去炉料中的氧、氮、氢；
[0031](4)氧化镁坩埚静置3分钟，用以降温；
[0032](5)在氧化镁坩埚中加入终脱氧剂，30kw送电，保持1.5分钟，在高于熔点150°C的温度下将坩埚从真空炉取出，将熔融炉料浇注到钢锭模中；
[0033]所述的终脱氧剂为镍镁合金；
[0034](6)待钢锭凝固后，把钢锭从锭模中脱出。
[0035]本发明还包括热处理制度:
[0036]即在真空感应熔炼中配料熔炼后锻造和轧制成所需的型材，在1150°C固溶处理lh，而后在800°C条件下进行时效处理后淬火。
[0037]以下是发明人给出的具体实施例，需要说明的是，该实施例只是较佳的实验方案，本发明不仅限于这些实施例。
[0038]各实施例中，所用设备为50kg真空感应炉，真空炉参数为容量0.05T，额定功率为120千瓦，频率2.5千赫兹，极限真空度为6.7 X 10-3mmHg，约0.893pa,额定温度1700°C，重量1.5吨，控制电压220V，各实施例的制备方法及工艺备件均相同，如上所述，不再重复。
[0039]本发明的三个实施例的奥氏体耐热钢化学成分见表1。
[0040]表1三个实施例的奥氏体耐热钢的化学成分(wt%)
【权利要求】
1.一种晶界析出强化的奥氏体耐热钢，其特征在于，该耐热钢在高温服役条件下析出强化相为Laves相Fe2Nb,代替常见碳化物析出相，通过固溶处理及时效处理，在晶界上得到Laves相Fe2Nb析出，强化奥氏体晶界，改善抗螺变性能；该奥氏体耐热钢的各成分占总质量分数分别为:铬:18wt%-22wt%，镍:31wt%-35wt%，铌:3wt%_5wt%，硼:0.002wt%-0.02wt%,其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: (1)将按上述比例称量的金属铁、镍、铬、铌鉄、綳铁放入氧化镁坩埚中； (2)将氧化镁坩埚置于真空炉中，对真空炉抽真空，当真空炉内压强小于IOPa时，对真空炉中的感应圈进行送电，感应线圈产生电流，加热炉料，送电功率从IOkw直到60kw，使氧化镁坩埚中炉料熔化； (3)对真空炉进一步抽真空，使真空炉中的真空度小于或等于IPa，对炉料进行精炼，精炼时间为1 5分钟，以除去炉料中的氧、氮、氢； (4)氧化镁坩埚静置3分钟，用以降温； (5)在氧化镁坩埚中加入终脱氧剂，30kw送电，保持1.5分钟，在高于熔点150°C的温度下将坩埚从真空炉取出，将熔融炉料浇注到钢锭模中；所述的终脱氧剂为镍镁合金； (6)待钢徒凝固后，把钢徒从徒|吴中脱出。
3.如权利要求2所述制备方法，其特征在于，该方法还包括热处理制度: (7)将钢锭锻造和轧制成所需的型材，在1150°C固溶处理lh，而后在800°C条件下进行时效处理后淬火。
【文档编号】C22C38/54GK103981456SQ201410158289
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】张弛, 陈升伟, 夏志新, 石川博规, 杨志刚 申请人:清华大学