奥氏体耐热钢及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了奥氏体耐热钢及其制备方法，其中，奥氏体耐热钢的制备方法包括如下步骤：S1.称量各物料；S2.对各物料进行加热和精炼；S3.静置降温，加入终脱氧剂，并浇筑到钢锭模中，待凝固后，脱出；S4.固溶处理和时效处理。本发明的奥氏体耐热钢具有良好的耐高温蠕变性能、以及持久的强度。其在长期服役过程中不会发生相变或明显粗化长大，稳定性良好。本发明的奥氏体耐热钢在制备过程中，经过固溶处理和时效处理后，使得奥氏体晶界析出连续的Laves相及晶内析出长条状的Laves相Fe2Nb。该Laves相Fe2Nb作为析出强化相连续析出，能够有效提高材料的高温持久强度。本发明的奥氏体耐热钢元素较少，成分简单，易于工业生产。
【专利说明】奥氏体耐热钢及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种奥氏体耐热钢，尤其涉及一种具有良好高温蠕变强度的奥氏体系耐热钢及其制备方法。
【背景技术】
[0002]超超临界发电机组的快速发展，对高温结构材料提出更为苛刻的要求。高温结构材料在具备良好的高温抗蠕变性能的同时，还要具备良好的抗高温氧化性能以及可观的经济性。目前，常用的高温金属材料主要有:铁素体/马氏体耐热钢、奥氏体耐热钢以及高温合金三大类。
[0003]其中，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，但其抗氧化能力较差以及组织稳定性不能满足长期服役要求，其最高工作温度不能超过650°C，难以胜任700°C乃至更高的温度条件。高温合金高温持久强度较好，但其加工工艺性能较差，生产成本昂贵，也极大的限制了其在工业上的广泛使用。然而，奥氏体具有面心密排结构，在高温下具有较好的组织稳定性，且铬、锰等合金元素含量较高，使其具有更好的抗高温氧化性能，因而在新型奥氏体耐热钢的开发中更具潜力。
[0004]现有的奥氏体耐热钢主要通过在钢中添加合金元素C、Cr、Nb及强碳化物形成元素，依靠在高温长期服役过程中析出的含铬碳化物M23C6, NbC及MX相析出强化。第二相析出高温下能够有效钉扎位错和板条界移动，从而使耐热钢在600-650°C温度范围内具有较好的蠕变强度。但是，析出相M23C6,MX等在耐热钢长期服役过程中会发生相变或粗化长大，在晶界处非连续析出，在高温时不能强化晶界，显著降低了高温蠕变性能。
[0005]因此，针对上述问题有必要提出进一步的解决方案。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发提供一种具有良好高温蠕变强度的奥氏体系耐热钢及其制备方法。
[0007]为实现上上述目的，本发明的一种奥氏体耐热钢的制备方法，其包括如下步骤:
[0008]S1.按质量百分比计，依照合金成分及烧损量分别按碳0.01 %、铬18.6 %、镍31 %、铌3.5%、锰0.5%、镧1.6%、硼0.01 %及铁余量配备原材料，将称量各物料放入氧化镁坩埚中；
[0009]S2.将盛放有各物料的氧化镁坩埚放入真空炉中，对氧化镁坩埚中的各物料进行加热和精炼；
[0010]S3.静置降温，向氧化镁坩埚中加入终脱氧剂，并在高于熔点的温度下将熔融金属浇注到钢锭模中，待凝固后，把凝固成形的钢锭从钢锭模中脱出；
[0011]S4.对凝固成形的钢锭进行固溶处理和时效处理。
[0012]作为本发明的进一步改进，所述步骤S2具体包括:
[0013]将盛放有各物料的氧化镁坩埚放入真空炉中，对真空炉进行抽真空，当真空炉内压强小于1Pa时，对氧化镁坩埚中的各物料进行加热；
[0014]控制真空炉中的真空度小于或等于IPa，精炼15min。
[0015]作为本发明的进一步改进，对氧化镁坩埚中的各物料进行加热时，对真空炉中的感应圈进行送电，送电功率范围为10kw-60kw。
[0016]作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中具体包括:静置降温3min，向氧化镁坩埚中加入终脱氧剂，再对真空炉中的感应圈进行送电，送电功率为30kw，保持1.5min，并在高于熔点的温度下将熔融金属浇注到钢锭模中，待凝固后，把凝固成形的钢锭从钢锭模中脱出。
[0017]作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中，于1150°C条件下进行固溶处理lh。
[0018]作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中，于800°C条件下进行时效处理4h_24h。
[0019]作为本发明的进一步改进，所述步骤S4还包括:在对凝固成形的钢锭进行固溶处理和时效处理之前，对凝固成形的钢锭在1150°C条件下进行均匀化处理72h。
[0020]为实现上上述目的，本发明还提供一种根据如上所述的制备方法获得的奥氏体耐热钢，该奥氏体耐热钢按质量百分比计包括:小于等于0.01wt%的碳，17.5wt% -19.5wt%的铬，30.0wt % -33.0wt % 镍,3.0wt % -4.5wt % 的银，小于等于 2.0wt % 的猛，
0.1wt% -1.5wt% 的镧,0.0Olwt% -0.015wt% 的硼,剩余为铁。
[0021]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明的奥氏体耐热钢具有良好的耐高温蠕变性能、以及持久的强度。其在长期服役过程中不会发生相变或明显粗化长大，稳定性良好。本发明的奥氏体耐热钢在制备过程中，经过固溶处理和时效处理后，使得奥氏体晶界析出连续的Laves相以及在晶内析出长条状的Laves相Fe2Nb。该Laves相Fe2Nb作为析出强化相连续析出，能够提高晶界的高温蠕变强度，阻碍基体的高温蠕变，有效地提高材料的高温持久强度。本发明的奥氏体耐热钢元素较少，成分简单，易于工业生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明的奥氏体耐热钢制备方法的一【具体实施方式】的流程示意图；
[0023]图2为本发明的实施例1中制备的奥氏体耐热钢在扫描电镜下的表面形貌照片；
[0024]图3为本发明的实施例2中制备的奥氏体耐热钢在扫描电镜下的表面形貌照片；
[0025]图4为本发明的实施例3中制备的奥氏体耐热钢在扫描电镜下的表面形貌照片；
[0026]图5为本发明的实施例1中制备的奥氏体耐热钢进行高温持久强度测试后在扫描电镜下的形貌照片；
[0027]图6为本发明的实施例2中制备的奥氏体耐热钢进行高温持久强度测试后在扫描电镜下的形貌照片；
[0028]图7为本发明的实施例3中制备的奥氏体耐热钢进行高温持久强度测试后在扫描电镜下的形貌照片。
【具体实施方式】
[0029]下面将对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]如图1所示，本发明的奥氏体耐热钢的制备方法包括如下步骤:
[0031]S1.按质量百分比计，依照合金成分及烧损量分别按碳0.01%、铬18.6%、镍31 %、铌3.5%、锰0.5%、镧1.6%、硼0.01 %及铁余量配备原材料，将称量各物料放入氧化镁坩埚中；
[0032]S2.将盛放有各物料的氧化镁坩埚放入真空炉中，对氧化镁坩埚中的各物料进行加热和精炼；
[0033]S3.静置降温，向氧化镁坩埚中加入终脱氧剂，并在高于熔点的温度下将熔融金属浇注到钢锭模中，待凝固后，把凝固成形的钢锭从钢锭模中脱出；
[0034]S4.对凝固成形的钢锭进行固溶处理和时效处理。
[0035]其中，步骤SI中，称量的各个物料的量按质量百分比计，各个物料的总量按100份计。其中，铁余量是指，各个物料总量中，除碳、铬、镍、铌、锰、镧、硼外，其余为铁。
[0036]所述步骤S2具体包括:将盛放有各物料的氧化镁坩埚放入真空炉中，对真空炉进行抽真空，当真空炉内压强小于1Pa时，对氧化镁坩埚中的各物料进行加热，从而使氧化镁坩埚中的各物料熔化。其中，对氧化镁坩埚中的各物料进行加热时，通过对真空炉中的感应圈进行送电，使感应线圈产生电流，加热氧化镁坩埚中的各物料，送电功率范围为10kw_60kwo
[0037]然后，控制真空炉中的真空度小于或等于IPa，精炼15min，以除去氧化镁坩埚中的各物料的氧、氮、氢。
[0038]所述步骤S3中具体包括:静置降温3min，向氧化镁坩埚中加入终脱氧剂，再对真空炉中的感应圈进行送电，送电功率为30kw，保持1.5min，并在高于熔点的温度下将熔融金属浇注到钢锭模中，待凝固后，把凝固成形的钢锭从钢锭模中脱出。其中，终脱氧剂为镍镁合金。
[0039]进一步地，固溶处理是指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。步骤S4中，固溶处理是在1150°C条件下进行的，固溶处理的时间为Ih。
[0040]时效处理是指金属或合金工件(如低碳钢等)经固溶处理，从高温淬火或经过一定程度的冷加工变形后，在较高的温度放置或室温保持其性能，其形状、尺寸等随时间而变化的热处理工艺。步骤S4中，时效处理是在800°C条件下进行的，时效处理时间为4h-24h。所述时效处理的目的在于，使Fe2Nb相在晶界析出，且随着时效处理时间的延长，Fe2Nb相在晶界的连续程度越高，并在晶内也析出长条状Fe2Nb相，从而改善本发明的奥氏体耐热钢的高温蠕变性能。
[0041]其中，固溶处理是指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。
[0042]此外，所述步骤S4还包括:在对凝固成形的钢锭进行固溶处理和时效处理之前，对凝固成形的钢锭在1150°C条件下进行均匀化处理72h，从而得到成分均匀的奥氏体组织。
[0043]本发明还提供一种根据如上所述的制备方法获得的奥氏体耐热钢，其按质量百分比计包括:小于等于0.01wt %的碳，17.5wt % -19.5wt %的络，30.0wt % -33.0wt %镍,3.0wt % -4.5wt % 的银，小于等于 2.0wt % 的猛,0.1wt % -1.5wt % 的镧，
0.0Olwt% -0.015wt% 的硼，剩余为铁。
[0044]下面结合具体的实施例对本发明的奥氏体耐热钢及其制备方法进行举例说明。
[0045]实施例1
[0046]按质量百分比计，依照合金成分及烧损量分别按碳0.01%、铬18.6%、镍31%、铌
3.5%、锰0.5%、镧1.6%、硼0.01%及铁余量配备原材料，将称量各物料放入氧化镁坩埚中备用。将盛放有各物料的氧化镁坩埚放入真空炉中，对氧化镁坩埚中的各物料进行加热和精炼。
[0047]本实施例中，使用50kg的真空炉，该真空炉的参数为容量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 1^mmHg,额定温度1700°C，重量1.5吨，控制电压 220V。
[0048]静置降温3min，向氧化镁坩埚中加入镍镁合金作为终脱氧剂，再对真空炉中的感应圈进行送电，送电功率为30kw，保持1.5min。并在高于熔点150°C的温度下将熔融金属浇注到钢锭模中，待凝固后，把凝固成形的钢锭从钢锭模中脱出。
[0049]将脱出的钢锭热轧至截面为1mmX 150mm的板材样品，空冷至室温。在1150°C下进行72h的均匀化处理，得到成分均匀的奥氏体组织。
[0050]将板材样品在1150°C下固溶处理lh，随后在800°C条件下进行4h时效处理后空冷，再进行研磨、抛光、腐蚀，在扫描电镜下观察样品表面。
[0051]实施例2
[0052]本实施例与上述实施例1的不同之处在于，进行时效处理的时间为12h。然后，再进行研磨、抛光、腐蚀，在扫描电镜下观察样品表面。
[0053]实施例3
[0054]本实施例与上述实施例1的不同之处在于，进行时效处理的时间为24h。然后，再进行研磨、抛光、腐蚀，在扫描电镜下观察样品表面。
[0055]如图2-4所示，分别为实施例1、2、3中样品在扫描电镜下的形貌照片。由图2_4可知，随着时效时间延长，Fe2Nb相在晶界的连续程度越高，在进行12h时效处理的试样中除了晶界析出连续Fe2Nb析出相以外，晶内也析出长条状Fe2Nb相，因此极大改善了高温蠕变性能。从而，克服了现有技术中析出相M23C6, MX等在耐热钢长期服役过程中会发生相变或粗化长大，在晶界处非连续析出，且在高温时不能强化晶界，显著降低高温蠕变性能的问题。
[0056] 进一步地，对实施例1、2、3中样品进行高温持久强度测试，测试按照“GB/T2039-1997金属拉伸蠕变及持久试验方法”的标准进行。测试条件如表1所示:
[0057]
【权利要求】
1.一种奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于，所述奥氏体耐热钢的制备方法包括如下步骤: S1.按质量百分比计，依照合金成分及烧损量分别按碳0.01%、铬18.6%、镍31%、铌.3.5%、锰0.5%、镧1.6%、硼0.01%及铁余量配备原材料，将称量各物料放入氧化镁坩埚中； S2.将盛放有各物料的氧化镁坩埚放入真空炉中，对氧化镁坩埚中的各物料进行加热和精炼； S3.静置降温，向氧化镁坩埚中加入终脱氧剂，并在高于熔点的温度下将熔融金属浇注到钢锭模中，待凝固后，把凝固成形的钢锭从钢锭模中脱出； S4.对凝固成形的钢锭进行固溶处理和时效处理。
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，所述步骤S2具体包括: 将盛放有各物料的氧化镁坩埚放入真空炉中，对真空炉进行抽真空，当真空炉内压强小于1Pa时，对氧化镁坩埚中的各物料进行加热； 控制真空炉中的真空度小于或等于IPa，精炼15min。
3.根据权利要求2所述的奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于，对氧化镁坩埚中的各物料进行加热时，对真空炉中的感应圈进行送电，送电功率范围为10kw-60kw。
4.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，所述步骤S3中具体包括:静置降温3min，向氧化镁坩埚中加入终脱氧剂，再对真空炉中的感应圈进行送电，送电功率为30kw，保持1.5min，并在高于熔点的温度下将熔融金属浇注到钢锭模中，待凝固后，把凝固成形的钢锭从钢锭模中脱出。
5.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，所述步骤S4中，于1150°C条件下进行固溶处理Ih。
6.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，所述步骤S4中，于800°C条件下进行时效处理4h-24h。
7.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，所述步骤S4还包括:在对凝固成形的钢锭进行固溶处理和时效处理之前，对凝固成形的钢锭在1150°C条件下进行均匀化处理72h。
8.一种根据权利要求1~7任一项所述的制备方法获得的奥氏体耐热钢，其特征在于，所述奥氏体耐热钢按质量百分比计包括:小于等于0.01wt%的碳，17.5wt% -19.5wt%的铬，30.0wt % -33.0wt % 镍,3.0wt % -4.5wt % 的银，小于等于 2.0wt % 的猛，.0.1wt% -1.5wt% 的镧,0.0Olwt% -0.015wt% 的硼,剩余为铁。
【文档编号】C22C38/54GK104073738SQ201410339732
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】夏志新, 张弛, 姚春发, 陈升伟, 杨志刚 申请人:苏州大学