本发明涉及钢铁材料技术领域，且特别涉及一种含稀土钇的奥氏体耐热钢及其制备方法。
背景技术
耐热钢作为特殊钢类重要的一种耐蚀合金材料，近年来迎来发展的新时期，未来几年是耐热钢向高品质化发展的重要阶段。随着技术的发展与生活的实际需要，人们对电力的需求也日益加剧。电站热力设备中许多零部件热电偶、风帽、燃烧器喷嘴都在高温氧化、严重腐蚀等恶劣环境下长期工作，要求材质必须具有优良的高温抗氧化性及高温强度等性能。
奥氏体耐热钢因其良好的韧性和抗氧化性以及较高的蠕变强度而被广泛应用于燃煤锅炉耐热构件、汽涡轮机、长期工作在蒸汽下的气体管道及乙烯裂解炉管等高温服役构件中。随着生产需求的提高，耐热钢的工作环境愈加复杂化且其服役温度也越来越高，因此改善材料的抗高温氧化性也越来越受到人们的关注。
在耐热钢中加入单一的稀土ce、la或y等元素后，均在一定程度上改善了耐热钢高温力学性能及耐蚀性能。但由于不同稀土元素具有不同的原子半径、负电性和外层价电子结构等物理化学特性，因此，在耐热钢中虽然基本作用相同，但是各元素的优势作用确存在较大差异。所以，耐热钢中添加单一稀土还远远达不到提高其综合性能的效果。因此，发明新型耐热钢，对改善耐热钢的综合性能具有重要的现实意义。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种含稀土钇的奥氏体耐热钢，该耐热钢具有良好的高温力学性能和高温抗氧化能力，适用于高温环境下服役的耐热设备等材质。
本发明的另一目的在于提供上述含稀土钇的奥氏体耐热钢的制备方法，该制备方法操作简单，可控性强，易于工业化生产。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种含稀土钇的奥氏体耐热钢，按重量百分比计，包括c：0.06～0.2％，si：0.4～1.0％，mn：0.5～1.5％，cr：16～22％，ni：28～34％，y：0.15～0.3％，余量的fe和杂质元素。
本发明提出一种含稀土钇的奥氏体耐热钢的制备方法，包括：按配比将原料混合熔化、浇注成形，再进行后处理。
本发明的有益效果包括：
本发明通过加入稀土元素钇，并合理控制碳、硅、锰、铬、镍以及稀土元素钇的含量，通过本发明提供的制备方法，得到具有良好高温力学性能和高温抗氧化能力的奥氏体耐热钢。适用于高温环境下服役的耐热设备等材质。该制备方法操作简单，可控性强，易于工业化生产。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种含稀土钇的奥氏体耐热钢及其制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供了一种含稀土钇的奥氏体耐热钢，按重量百分比计，包括c：0.06～0.2％，si：0.4～1.0％，mn：0.5～1.5％，cr：16～22％，ni：28～34％，y：0.15～0.3％，余量的fe和杂质元素。
在上述化学成分上，碳是有效地赋予耐热钢所需的适宜的拉伸强度和高温持久强度的组分。然而，如果碳含量过高，将使得合金的韧性降低并可能破坏焊接性。为此，本发明中碳含量限定为0.06～0.2％。碳含量可以为0.07％、0.08％、0.09％。优选地，碳含量可以为0.1～0.2％，其中，碳含量可以为0.11％、0.13％、0.15％、0.16％、0.19％。
硅有利于改善耐热钢的抗高温氧化性，但过量的硅将破坏合金的焊接性能，如果长期暴露在高温环境下容易形成σ相破坏合金的延展性和韧性。为此，硅含量限定为0.4～1.0％，硅含量可以为0.77％、0.79％、0.81％、0.82％、0.84％、0.88％、0.90％、0.94％、0.97％。优选地，硅含量可以为0.4～0.75％，其中，硅含量可以为0.42％、0.45％、0..47％、0.49％、0.51％、0.53％、0.58％、0.62％、0.67％、0.71％、0.73％。
锰能稳定奥氏体，并能增加氮在奥氏体中的溶解度，锰含量过高会有损于抗氧化性，降低合金的蠕变极限。为此，锰含量不应超过1.5％，本发明中锰含量为0.5～1.5％。锰含量可以为0.6％、0.8％、0.9％、1.1％、1.3％。
铬能提高耐热钢的抗氧化性和耐蚀性，在氧化的介质中能形成致密的含铬的氧化膜，能组织金属基体的继续破坏。就这方面而言，为了达到足够的耐蚀性，要求铬含量至少20％。然而如果铬含量过高，为了稳定奥氏体并抑制σ相的形成就需要增加镍的含量，基于这些考虑，铬含量限制在16～22％。铬含量可以为16.5％、21.5％。优选地，铬含量为17～21％。其中，铬含量可以为17.5％、18％、19％、20％。
镍是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素，在特定的铬含量下，增加镍含量抑制氧化物生长速度并增加形成连续氧化铬层的趋势。因此，镍含量优选在28～34％。镍含量可以为28.5％、33.5％。优选地，镍含量为29～33％。其中，镍含量可以为29.5％、30％、31％、32％。
微量的稀土钇元素不仅能净化钢液，而且能细化钢的凝固组织，改变夹杂物的性质、形态和分布，从而提高钢的各项性能。作为表面活性元素，其能增加晶界扩散激活能，既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹的表面能，对提高持久强度十分有效；另外，稀土钇元素可使耐热钢在高温状态下的氧化层生长速度受到抑制，所形成的氧化层与基体结合良好，在高温循环作用下能保护基体不被进一步氧化。本发明稀土钇元素控制在0.15～0.3％的范围，以真正实现抗高温氧化能力，比一般耐热钢抗高温氧化能力提高近50％，同时还能保证钢优良的各种综合性能。钇含量可以为0.16％、0.17％、0.18％、0.19％、0.27％、0.29％。优选地，镍含量为0.2～0.26％。其中，钇含量可以为0.21％、0.22％、0.23％、0.24％、0.25％。
进一步地，在本发明较优的实施例中，奥氏体耐热钢含有少量的硫和磷，需要说明的是，s≤0.03％，p≤0.03％。硫和磷的含量较多会影响奥氏体耐热钢的高温力学性能和高温抗氧化能力，因此需控制其含量。
本发明实施例提供了上述含稀土钇的奥氏体耐热钢的制备方法，包括：按配比将原料混合熔化、浇注成形，再进行后处理。
具体的，本发明以废钢、锰铁和硅铁、铬铁、镍铁和稀土钇为原材料，按照稀土钇改性耐热钢的各成分重量百分比，计算并称重各原材料，进行配料。
将废钢在电炉中加热至1400℃～1460℃熔化成第一钢水，待第一钢水熔清后，依次加入锰铁和硅铁熔清得第二钢水，使温度达到1500℃～1540℃，并采用铝丝脱氧。再依次加入镍铁、铬铁，升温至第三水钢水温度达到1600℃～1650℃，再次采用铝丝脱氧。
对第三钢水液面除渣后，将第三钢水迅速出炉倒入底端放置稀土钇铁的浇包中，此时包中第四钢水温度控制在1560℃～1580℃，静置一段时间使第四钢水温度降为1530℃～1550℃时，将第四钢水倒入铸型浇注成形，即得到铸态耐热钢件。浇注完成10小时后打箱取出铸件。本发明中的第一钢水、第二钢水、第三钢水以及第四钢水是为了明确原料的混合顺序，在具体实施例中对其命名不做强制要求。本发明的实施例采用铝丝脱氧，铝丝脱氧为本技术领域的通用技术，在本发明的其他实施例中，可以采用其他的脱氧方法，本发明对其不做限定。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种含稀土钇的奥氏体耐热钢及其制备方法，包括：
本实施例稀土奥氏体耐热钢的化学成分(重量百分数)：0.12％c，0.46％si，0.51％mn，17.5％cr，29.8％ni，0.22％y，s≤0.03％，p≤0.03％，其余为fe和不可避免的杂质元素。
计算并称重上述熔炼所需的原材料：废钢、锰铁、硅铁、铬铁、镍铁和稀土钇，进行配料。
将废钢在电炉中加热至1400℃熔化，待钢水熔清后，依次加入锰铁和硅铁熔清后使温度达到1500℃，并采用铝丝脱氧后，依次加入镍铁、铬铁后使此时钢水温度达到1600℃，再次采用铝丝脱氧并在钢水液面除渣后，将钢水迅速出炉倒入底端放置稀土钇铁的浇包中，此时包中钢水温度控制在1560℃，静置一段时间使钢水温度降为1530℃，将钢水倒入铸型浇注成形，即得到铸态耐热钢件。
浇注完成10小时后打箱取出铸件。冷却后，经清砂、打磨等处理，获得含稀土钇的奥氏体耐热钢铸件。
铸件性能测试结果为：700℃时材料的抗拉强度和伸长率分别为295mpa和32.4％；1000℃氧化100h单位面积氧化增重为14.96g/m2。
实施例2
本实施例提供了一种含稀土钇的奥氏体耐热钢及其制备方法，包括：
本实施例稀土奥氏体耐热钢的化学成分(重量百分数)：0.16％c，0.51％si，0.78％mn，18.4％cr，30.6％ni，0.24％y，s≤0.03％，p≤0.03其余为fe和不可避免的杂质元素。
计算并称重上述熔炼所需的原材料：废钢、锰铁、硅铁、铬铁、镍铁和稀土钇，进行配料。
将废钢在电炉中加热至1440℃熔化，待钢水熔清后，依次加入锰铁和硅铁熔清后使温度达到1520℃，并采用铝丝脱氧后，依次加入镍铁、铬铁后使此时钢水温度达到1620℃，再次采用铝丝脱氧并在钢水液面除渣后，将钢水迅速出炉倒入底端放置稀土钇铁的浇包中，此时包中钢水温度控制在1570℃，静置一段时间使钢水温度降为1540℃，将钢水倒入铸型浇注成形，即得到铸态耐热钢件。
浇注完成10小时后打箱取出铸件；冷却后，经清砂、打磨等处理，获得含稀土钇的奥氏体耐热钢铸件。铸件性能测试结果为：700℃时材料的抗拉强度和伸长率分别为317mpa和29.8％；1000℃氧化120h单位面积氧化增重为15.38g/m2。
实施例3
本实施例提供了一种含稀土钇的奥氏体耐热钢及其制备方法，包括：
本实施例稀土奥氏体耐热钢的化学成分(重量百分数)：0.19％c，0.59％si，1.25％mn，20.4％cr，32.3％ni，0.26％y，s≤0.03％，p≤0.03其余为fe和不可避免的杂质元素。
计算并称重上述熔炼所需的原材料：废钢、锰铁、硅铁、铬铁、镍铁和稀土钇，进行配料。
将废钢在电炉中加热至1460℃熔化，待钢水熔清后，依次加入锰铁和硅铁熔清后使温度达到1540℃，并采用铝丝脱氧后，依次加入镍铁、铬铁后使此时钢水温度达到1650℃，再次采用铝丝脱氧并在钢水液面除渣后，将钢水迅速出炉倒入底端放置稀土钇铁的浇包中，此时包中钢水温度控制在1580℃，静置一段时间使钢水温度降为1550℃，将钢水倒入铸型浇注成形，即得到铸态耐热钢件。
浇注完成10小时后打箱取出铸件；冷却后，经清砂、打磨等处理，获得含稀土钇的奥氏体耐热钢铸件。
铸件性能测试结果为：700℃时材料的抗拉强度和伸长率分别为324mpa和31.5％；1000℃氧化150h单位面积氧化增重为16.67g/m2。
对比例1
本对比例提供了一种含稀土钇的奥氏体耐热钢及其制备方法，包括：
本对比例稀土奥氏体耐热钢的化学成分(重量百分数)：0.09％c，0.56％si，0.65％mn，17.59％cr，29.88％ni，0.12％y，s≤0.03％，p≤0.03％，其余为fe和不可避免的杂质元素。
计算并称重上述熔炼所需的原材料：废钢、锰铁、硅铁、铬铁、镍铁和稀土钇，进行配料。
将废钢在电炉中加热至1410℃熔化，待钢水熔清后，依次加入锰铁和硅铁熔清后使温度达到1500℃，并采用铝丝脱氧后，依次加入镍铁、铬铁后使此时钢水温度达到1620℃，再次采用铝丝脱氧并在钢水液面除渣后，将钢水迅速出炉倒入底端放置稀土钇铁的浇包中，此时包中钢水温度控制在1565℃，静置一段时间使钢水温度降为1530℃，将钢水倒入铸型浇注成形，即得到铸态耐热钢件。
浇注完成10小时后打箱取出铸件。冷却后，经清砂、打磨等处理，获得含稀土钇的奥氏体耐热钢铸件。
铸件性能测试结果为：700℃时材料的抗拉强度和伸长率分别为265mpa和23.4％；1000℃氧化100h单位面积氧化增重为23.69g/m2。
对比例2
本对比例提供了一种含稀土钇的奥氏体耐热钢及其制备方法，包括：
本对比例稀土奥氏体耐热钢的化学成分(重量百分数)：0.18％c，0.74％si，1.49％mn，20.4％cr，32.3％ni，0.35％y，s≤0.03％，p≤0.03其余为fe和不可避免的杂质元素。
计算并称重上述熔炼所需的原材料：废钢、锰铁、硅铁、铬铁、镍铁和稀土钇，进行配料。
将废钢在电炉中加热至1455℃熔化，待钢水熔清后，依次加入锰铁和硅铁熔清后使温度达到1545℃，并采用铝丝脱氧后，依次加入镍铁、铬铁后使此时钢水温度达到1650℃，再次采用铝丝脱氧并在钢水液面除渣后，将钢水迅速出炉倒入底端放置稀土钇铁的浇包中，此时包中钢水温度控制在1575℃，静置一段时间使钢水温度降为1530℃，将钢水倒入铸型浇注成形，即得到铸态耐热钢件。
浇注完成10小时后打箱取出铸件；冷却后，经清砂、打磨等处理，获得含稀土钇的奥氏体耐热钢铸件。
铸件性能测试结果为：700℃时材料的抗拉强度和伸长率分别为236mpa和21.5％；1000℃氧化150h单位面积氧化增重为28.76g/m2。
试验例
分别对实施例1～3、对比例1～2制备的含稀土钇的奥氏体耐热钢进行性能测试，由测试结果可知，相比与对比例，实施例制得的奥氏耐热钢的高温力学性能和高温抗氧化性能均较好。通过本发明提供的制备方法制得的耐热钢在700℃时的抗拉强度大于295mpa，最高可达到324mpa，伸长率大于29％，最高可达到32.4％，1000℃氧化100h单位面积氧化增重小于16.67g/m2，最小可达14.96g/m2。说明本发明提供的制备方法较为科学合理，可以制得具有良好的高温力学性能和高温抗氧化能力的奥氏体耐热钢。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。