本发明属于奥氏体耐热钢技术领域，特别是提供了一种热处理炉用高性能奥氏体耐热钢的成分设计和制备方法，是一种室温韧性较高、高温强度较高、抗高温氧化能力较强的热处理炉用耐热钢，制作的炉体有较长的使用寿命。
背景技术：
硅钢环形退火炉内罩是对取向硅钢进行高温退火的关键部件，其工作环境复杂，内表面为还原性气氛，H2：N2为7：3，外表面一般通过煤气加热，罩内压力为250kpa，罩外压力为25kpa，炉罩下部用白硅砂密封。硅钢环形退火炉内罩长期在高温下运行，标准退火周期150h：其中在650℃保温停留17h，在最高温度1250℃保温停留27h。目前国内环形退火炉内罩一般采用日本的奥氏体型耐热不锈钢YUS701生产，该产品在日本属战略型产品，一般不出口。
YUS701材料的役前原始组织为奥氏体+少量δ铁素体，主要强化相为M2(C、N)和M23C6，服役过程中有有害相σ相析出的热力学条件，即σ相在晶界的M23C6上生核，然后向δ铁素体生长，使δ铁素体完全转化为σ相。当σ相数量较多，形态较粗时将导致材料塑性、韧性急剧降低。
SUS310S是国内与YUS701性能近似钢种，但SUS310S钢的高温强度较低，使用过程中高温塌陷严重，使用寿命较短，因此，YUS701目前仍是退火炉内罩制造领域性价比较高的产品。
而YUS701钢制造的退火炉内罩的宏观失效方式主要有两类，一为室温韧性较低导致的封头压制及筒体卷制时开裂；二为下裙座与白硅砂接触处产生高温氧化凹槽导致气体密封不严，导致炉罩使用寿命较短。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种热处理炉用高性能奥氏体耐热钢及其制备方法，室温韧性较高，在产品制造时不因塑性变形而发生开裂，在最高1250℃氧化环境中工作时具有抗氧化性能好，从而使制作的炉体有较长的使用寿命，高温强度较高，在高温、长时、承压环境下不发生塌陷的奥氏体耐热钢的成分设计与制备方法。
根据本发明目的所提出奥氏体耐热钢的使用要求，设计的解决方案是在从室温到最高1250℃范围内，通过成分设计配合制备工艺，与现有技术相比室温韧性较YUS701高，便于室温加工成型，高温强度较SUS310S高，与YUS701相当或高于YUS701以减少高温塌陷事故、抗高温氧化能力较强，减少氧化腐蚀沟槽引起的密封不严，提高炉体内罩的服役次数，提高性价比。
针对现有技术存在的问题，本发明开发了一种室温韧性较高、抗高温氧化能力较强的奥氏体钢来制造类似的热处理炉体罩，引入稀土元素，配合酸洗工艺钝化材料表面，提高钢的抗氧化性能；降低钢中C元素含量，配合固溶工艺，提高钢的室温韧性；控制N元素，当Ni元素加入量较低时引入Co元素，引入选择性添加元素Nb、Ti、Al、W元素辅助提高高温强度。
如表1所示，在奥氏体耐热钢的主添加元素中，奥氏体形成元素包括碳、氮、镍、锰，但不能为了得到单相奥氏体组织一味增加这四种元素，本发明采用低碳、高氮的成分控制策略，当镍元素较低时，添加钴元素提高温强度，添加稀土元素提抗氧化能力。
表1本发明材料与现有技术材料成分对比(wt％)
本发明所提出的热处理炉用耐热钢，化学成分质量百分数为：C：0.02‐0.07％；Si：1.00‐2.00％；Mn：1.00‐2.00％；Cr:23.0‐26.0％；Ni:11.00‐15.00％；Mo：0.50‐1.00％；N：0.20‐0.35％，Ce:0.02‐0.05％，Co：0.05～1.0％，Nb≤0.60％，Ti≤0.10％，Al≤0.50％，W≤1.0％，余量为Fe和不可避免杂质元素。Nb、Ti、Al、W为可选择添加元素，可根据情况添加1～2种。
本发明热处理炉用耐热钢的成分设计，是在考虑到现有材料在服役过程中脆性相向δ铁素体中长大导致材料塑性、韧性急剧下降；及高温塌陷事故、易产生高温氧化腐蚀沟槽，通过调整碳、氮含量，并添加一定量的稀土元素，形成单相奥氏体组织，提高钢的高温强度和抗高温氧化性能，从而达到提高炉体内罩服役次数、减少炉体返修工作的目的。本发明与SUS310S相比，镍含量低约7％，有较大的原材料成本优势。
因此，我们在成分设计中加入23.0‐26.0％的铬元素，是保证本发明材料在高温环境中工作时，具备良好的抗氧化、耐腐蚀性能和强度，且不影响材料的组织稳定性，本发明成分中Cr23.0‐26.0％，可满足该类材料的耐高温和抗腐蚀性要求。
镍、锰、氮、碳是奥氏体的形成元素，在奥氏体不锈钢中增加镍的一个主要原因就在于形成奥氏体晶体结构，从而改善钢的耐腐蚀性能及塑性、可焊性和韧性等属性。但过多的镍会降低氮的溶解度。因此在本发明成分中Ni11.0‐15.0％，当Ni加入量不足12.5％时，要辅以1.0％以下的钴；锰的奥氏体形成能力与镍、氮、碳相比较低，因此过量的Mn会降低材料的抗高温氧化和耐腐蚀效果，但锰可以使更多的氮溶解到不锈钢中，在本发明成分中Mn为1.00-2.00％。氮除了稳定奥氏体，在铬镍奥氏体型耐热钢中还能析出弥散的氮化物，可提高钢的热强性，几乎对脆性无影响，本发明成分中N:0.20‐0.35％。碳在钢中既扩大γ相区，又是高强度的碳化物的组成元素，但钢中碳含量增加，会降低钢的塑性和可焊性，碳含量低可减少氢与碳结合形成甲烷，可有效阻止氢脆，其次，碳含量越低，有利于阻止碳化物析出、脱铬脱碳、晶间腐蚀、晶界脆化等，因此本发明碳含量控制为C：0.02‐0.07％，当C元素在0.02‐0.04％时，形成的碳化物较少，不利于高温强度，此时需将N含量控制在0.25％以上，以弥补C含量的不足。
钼作为奥氏体耐热钢中的重要合金元素，能强化钢中铬的耐蚀作用。其主要作用是提高钢在还原性介质中的耐蚀性，并提高钢的耐点腐蚀及缝隙腐蚀等作用。钼和铬都是形成和稳定铁素体并扩大铁素体相区的元素，钼还促进奥氏体不锈钢中金属间相如σ和Laves等相的沉淀，对钢的力学性能会产生不利影响，特别是导致塑性、韧性下降，因此本发明中钼含量控制为Mo：0.50‐1.00％。
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上形成一层保护性好、致密的SiO2膜。钢中含硅量达1.0～2.0％时，就有较明显的抗氧化效果。当钢中含硅量过多(超过2.0％)时，会导致钢的力学性能变坏。因此，耐热钢中的硅含量一般不超过2.0％，硅与钼共同合金化对提高钢的抗高温氧化性能有明显效果。因此，本发明中Si：1.00‐2.00％。
钴在奥氏体型耐热钢中的作用与镍的作用类似，扩大γ‐Fe相区。本发明中加入钴的重要作用是配合其他合金元素起到弥散析出强化作用而提高钢的热强性。此外，钴减慢固溶到γ相中的复杂碳化物的析出过程，并改变了含钴碳化物的特征，因此本发明中加入Co：0.05～1.0％。
本发明利用稀土元素提高钢的抗氧化性能。稀土氧化物对基体金属有“钉扎”作用，可增加基体金属与氧化膜之间的附着力。稀土金属能降低Cr2O3的挥发性，改善氧化物的组成，变成更加稳定的(Cr、Ce)2O3氧化物膜、稀土抑制在1100～1200℃范围内形成易分解的NiO膜。稀土元素也是钢中很好的脱硫去气剂，可以清除其他(如砷、锑、铋等)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质量和耐热性能。稀土元素对钢的晶粒度细化有一定的作用。稀土元素与氧、硫、磷、氮、氢等的亲和力都很强，和砷、锑、铅、铋、锡等也都能形成熔点较高的化合物。因此，是很好的脱氧、去硫和清除其他有害杂质和气体的添加剂。稀土元素能提高耐热钢的抗蠕变性能。对其抗蠕变强度都有不同程度的提高。当稀土残余量≤0.01时，其有益效果不能完全体现，而当稀土残余量≥0.08时将出现低熔点稀土共晶相，因此本发明中加入Ce：0.02‐0.05％。
引入选择性添加元素Nb、Ti、Al、W，这些元素的碳、氮化物的熔点较高，能起到阻止奥氏体晶粒长大和降低位错反应速度的作用，可辅助提高高温强度，但添加量较多时将大幅降低冲击韧性，因此，Nb≤0.60％，Ti≤0.10％，Ai≤0.50％，W≤1.0％，可根据实际情况添加1～2种。
S、P为有害元素，S、P均要求低于0.03％。
本发明材料采用电弧炉+炉外精炼或其它更先进的工艺冶炼，采用连铸或模铸工艺浇注钢坯，获得的钢坯热扎到产品规格后，经固溶+酸洗交付使用。工艺中控制的技术参数为：固溶温度:1030‐1090℃，当固溶温度低于1030℃时，锻造或轧制变形带未完全消除，合金元素未充分溶解，材料韧性往往不能满足室温变形要求；当固溶温度高于1090℃时，容易形成混晶组织。酸洗是本材料制备过程中的重要工序，通过酸洗，使材料表面形成钝化膜，有利于阻止氧元素向材料内部的扩散侵蚀。
具体实施方式
采用本发明所提出的热处理炉用高性能奥氏体耐热钢成分设计方案，针对现有技术中的YUS701、SUS310S进行实施对比试验。实施例及对比试验材料采用25Kg真空感应炉冶炼，计冶炼8炉，其中实施例6炉，参比材料YUS701一炉，SUS310S一炉。对比与实施例材料的化学成分列于表2。钢锭均采用相同工艺进行锻造开坯，待锻成试棒后对试样分别进行室温和高温力学性能测试，其检测结果分别列于表3、表4中，实施例性能对比表中的数据表明，本发明材料的综合性能优于YUS701和SUS310S，固溶处理改善了材料的室温韧性，酸洗处理改善了材料的抗高温氧化性能。
表2本发明合金材料与参比材料的成分对比(wt％)
表3本发明合金材料与现有技术材料性能对比(室温)
表4本发明合金材料与现有技术材料性能对比(1100℃)