专利名称：一种抗高温氧化铁素体耐热钢棒材及其制备方法
技术领域：
本发明属于耐热钢棒材技术领域，特别是涉及一种抗高温氧化铁素体耐热钢棒材及其制备方法，主要适用于冶金、能源、机械、化工等领域。
背景技术：
随着蒸汽锅炉、电站、燃气轮机以及航空发动机的发展，为了满足各种部件在较高温度下工作的需要，冶金材料工作者在低碳钢基础上发展了一系列具有较高热强性和抗氧化性能的耐热钢。这些耐热钢按照组织可以分为珠光体型耐热钢、马氏体型耐热钢、奥氏体型耐热钢、铁素体型耐热钢以及沉淀硬化型耐热钢。珠光体型耐热钢通常属于低合金耐热钢，最早是在低碳钢中加入了 0. 5% Mo，使钢的热强性明显提高，随后在蒸汽锅炉上得到了应用。20世纪60年代我国研制的多元合金化的珠光体耐热钢其工作温度可达600 620°C，用于制造火力发电站的过热器管和再热器；马氏体型耐热钢以12% Cr型为主，这类钢有优良的综合力学性能、较好的热强性、耐蚀性及振动衰减性，广泛用来制造汽轮机叶片、转子、燃气轮机涡轮盘、叶片、航空发动机压气机叶片、轮盘以及宇航导弹部件等，工作温度为550 650°C ；铁素体型耐热钢中含Cr量通常超过12%，这类钢具有优异的耐大气腐蚀、应力腐蚀性能，在一定的酸、碱、盐溶液中也有一定的耐腐蚀能力，因此这类钢也可以作为一类优异的不锈钢使用；奥氏体型耐热钢在室温和工作温度下的组织都是奥氏体，在高温下具有较高的热强性以及优异的抗氧化性，一般用于制作600°C以上承受较高应力的部件，其抗氧化温度可达850 1250°C ；沉淀硬化型耐热钢以17-4PH和15-5PH为代表，这类钢在540 650°C范围内具有较高的热强性和足够的抗氧化性。燃料电池是继水力发电、热能发电、核能发电之后的第四代发电技术，它是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。燃料电池被视为最有效率的和万能的发电体系，能应用于各种环境的不同领域，被人们称为21世纪的可再生绿色能源，并引起了各国科学界的广泛兴趣。燃料电池中有一种固体氧化物燃料电池，是一种全固态部件的燃料电池，电解质为固体氧化物。它除了具备有高效的能量转换率、低的污染等特点之外，还具有可以直接使用燃气、电解质方便处理和能够制作成想要的复杂几何结构等特点，是燃料电池中重要的一类。燃料电池的单体电池的功率是有限的，只能够产生IV左右的电压， 为了得到大功率的电池组，我们必须把单体的燃料电池以各种方式(串联、并联或混联) 链接起来，这就需要连接体材料。连接体材料作为相连电池电子传递的桥梁，要求具有极高的电子传导能力，并且致密，在阳极和阴极气氛内具有极高的化学稳定性和机械稳定性， 且与其他电池元件的膨胀系数相匹配。在目前所研究的连接体材料中，与燃料电池中电解质的膨胀系数最接近的就是铁素体耐热钢，同时铁素体耐热钢又具有良好的导电性，优异的抗高温氧化特性，在燃料电池的工作温度下具有极高的稳定性，因此成为燃料电池连接体材料的首选材料。在这一类铁素体耐热钢中，世界上的研究多集中于Cr含量为22%的 Crofer22和Cr含量为17%的AISI 430不锈耐热钢。这两类钢都具有较低的膨胀系数，可以与固体电解质材料很好的结合，同时又具有良好的抗高温氧化特性，在700 1000°C氧化增重较少。但Crofer22耐热钢中含Cr量较高，在高温下会有少量的Cr挥发，产生有毒气体，使其进一步应用受到了限制。而含Cr量在17 %左右的铁素体耐热钢除了具有Crof er22 钢的优点外，还克服了 Crofer22钢阴极毒性问题，成为最有潜力的一种连接体材料。本发明旨在研制一种新型抗高温氧化铁素体耐热钢，具有较低的膨胀系数，且具有比AISI430 更好的抗高温氧化特性，可以作为燃料电池连接体材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗高温氧化铁素体耐热钢棒材及其制备方法。获得了具有高纯净度、低膨胀系数、良好抗氧化性的铁素体耐热钢棒材。为了达到上述目的，本发明是这样实现的本发明的耐热钢棒材采用真空感应炉冶炼，其化学成分组成重量百分比为C: 0. 05 0. 15 %，Si 0. 50 1. 20 %，Mn :0. 30 1. 10 %，P 彡 0. 030 %，S 彡 0. 020 %, Cr 16. 50 18. 50%, Al :0. 20 0. 50%，(La+Ce) :0. 005 0. 05%，其中氧含量不大于 40ppm(即< 0. 004% )0其余为！^和不可避免的杂质。本发明的工艺包括真空冶炼、锻造；在工艺中控制如下技术参数钢锭开坯温度1155 1175°C，开锻温度1140 1160°C，终锻温度880 920°C， 锻后空冷。锻造后的棒材具有夹杂物少、强度高和良好的抗氧化性能。本发明的关键在于通过对钢中重要合金元素的合理优化以及气体元素的合理控制，得到了夹杂物少、强度高和良好抗氧化特性的高性能耐热钢。同时，通过选择合适的热加工参数，生产出了符合要求的热锻棒材。耐热钢中常见的合金元素有C(碳)、Si (硅)、Mn(锰)、Cr (铬)、Ni (镍)、Mo (钼)、 W(钨)、Co(钴)、Cu(铜)、Nb(铌)、A1(铝)、Ti(钛)、B(硼)、N(氮)、RE(稀土)等，稀土元素通常由La(镧)和Ce(铈)组成。S(硫)P(磷)为钢中杂质元素。碳是钢中不可缺少的元素。碳在钢中既扩大奥氏体相区，又是高强度碳化物的组成元素。其强化作用与温度有关，随着温度的升高，由于碳化物聚集，强化作用下降。碳含量低，强度不足，碳含量过高，塑性不足并且焊接性能不好；硅是耐热钢中抗高温腐蚀的有益元素，高温下，在含硅的耐热钢表面会形成一层保护性好的SiO2膜。当钢中含硅量达到时就有明显的抗氧化效果，如Cr5Mo钢中的硅含量从0. 2%增加到时，显著低提高了该钢个抗高温氧化性能； 锰能消除或减弱因硫所引起的热脆性，从而改善钢的热加工性能。锰同时又是碳化物形成元素，进入碳化物中取代一部分铁原子。锰对钢的高温瞬时强度提高有益，但对高温长时性能提高帮助不大；Cr是耐热钢中重要的合金元素，钢中含有超过12%的Cr就会使钢具有良好的耐腐蚀性能。钢中的Cr在高温氧化过程中会与氧发生反应，在钢材的表面生成致密的 Cr2O3薄膜，阻止氧与基体的进一步反应，起到了抗氧化的作用，因此耐热钢中的Cr含量不宜太低，本发明中Cr含量为16. 5 18.5% ；铝是耐热钢中抗氧化的重要合金元素。含铝的耐热钢在其表面上能形成一层保护性良好的Al2O3膜，它的抗氧化性能优于Cr2O3膜。虽然钢中含有一定量的铝可以增加抗氧化性，但当铝含量超过8%时，却显著低降低钢的塑性和焊接性能；稀土元素对提高耐热钢的抗氧化性能有较明显的作用。稀土元素的氧化物对基体金属有“钉扎”作用，可以增加基体金属与氧化膜之间的附着力。稀土元素镧和铈能降低Cr2O3的挥发性，改善氧化物的组成，变成更加稳定的(Cr、La)203氧化物膜。同时，稀土元素也是钢中良好的脱硫去气剂，可以清除其他的有害杂质，可以改善钢中夹杂物的形状和分布状态，从而改善和提高钢的冶金质量和耐热性能。与现有技术相比，本发明的有益效果在于通过对耐热钢中各关键元素的合理优化与搭配，以及热加工参数的合理选择，加工出了具有高纯净度、高强度、良好抗氧化性的耐热钢热锻棒材。
具体实施例方式下面结合一个典型实施例对本发明作进一步说明。本实施例中，采用的新型铁素体耐热钢的具体成分以及对比材料AISI 430钢的成分如表1所示。新型铁素体耐热钢具体的工艺流程为选用精料，采用真空感应炉冶炼， 冶炼的钢锭开坯温度为1155°c 1175°C。开坯后的钢坯经过表面打磨，去除角裂以及表面缺陷，装炉加热。钢坯开锻温度1140 1160°C，终锻温度880 90(TC，锻后空冷。锻造后的棒材用于成分分析、夹杂物评定、热处理后的室温及高温力学性能检测以及抗氧化性能测试。本发明实施例与对比材料AISI 430的非金属夹杂物对比见表2，由于本发明钢中氧含量较低，钢中非金属夹杂物尤其是氧化物级别低于AISI 430，表明本发明钢具有较高的纯净度，夹杂物水平较低。本发明实施例与对比材料锻态以及退火态硬度见表3，退火后本发明的硬度稍高于AISI 430钢的硬度。本发明实施例与对比材料退火后室温和高温拉伸性能见表4和表5，退火后本发明的室温和高温拉伸性能都高于AISI 430钢，表明本发明具有较高的室温和高温强度。本发明显著优点是在高温下具有良好的抗氧化性能，本发明与对比材料在800°C 下保温500小时，在不同时间段氧化增重见表6。由于本发明中含有一定量的硅、铝以及稀土元素，明显提高了材料的高温抗氧化性能，在相同的时间和温度下，本发明的氧化增重明显小于AISI 430钢，表明本发明具有良好的抗高温氧化性能。表1本发明实施例化学成分及对比材料成分(wt % )
权利要求
1.一种抗高温氧化铁素体耐热钢棒材，其特征在于，采用真空感应炉冶炼，化学成分组成重量百分比为C :0. 05 0. 15%,Si 0. 50 1. 20%,Mn :0. 30 1. 10%,P ^ 0. 030%, S 彡 0. 020%,Cr 16. 50 18. 50%,Al 0. 20 0. 50%, (La+Ce) :0. 005 0. 05%，其中氧含量不大于40ppm，余量为！^和不可避免的杂质。
2.—种权利要求1所述的抗高温氧化铁素体耐热钢棒材的制备方法，工艺包括真空冶炼、锻造；其特征在于在工艺中控制如下技术参数钢锭开坯温度1155 1175°C， 开锻温度1140 1160°C， 终锻温度880 920°C，锻后空冷。
全文摘要
一种抗高温氧化铁素体耐热钢棒材及其制备方法，属于耐热钢棒材技术领域。采用真空感应炉冶炼，化学成分组成重量百分比为C0.05～0.15％，Si0.50～1.20％，Mn0.30～1.10％，P≤0.030％，S≤0.020％，Cr16.50～18.50％，Al0.20～0.50％，(La+Ce)0.005～0.05％，其中氧含量不大于40ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。工艺包括真空冶炼、锻造；在工艺中控制的技术参数为钢锭开坯温度1155～1175℃，开锻温度1140～1160℃，终锻温度880～920℃，锻后空冷。优点在于，夹杂物少、强度高、抗氧化性能好。
文档编号C22C38/18GK102392184SQ20111042171
公开日2012年3月28日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者刘正东, 包汉生, 李密, 杨钢, 王立民 申请人:钢铁研究总院