一种奥氏体耐热不锈钢的制作方法

本发明涉及一种奥氏体耐热不锈钢，特别是该奥氏体耐热不锈钢无铬，具有优异的高温力学性能、高温抗氧化性能以及抗晶间腐蚀性能。

背景技术：

1、奥氏体耐热钢广泛应用于核电、锅炉、汽车排气系统等领域，例如核电的燃料包壳、锅炉的过热器或换热器、汽车排气管或涡轮增压等装置中。国家标准gb/t20878-2007中描述了多种奥氏体耐热不锈钢的成分，但是这些奥氏体不锈钢在600℃以下能够适用，600℃以上的工作温度下氧化加速，热稳定性不好，其高温力学性能仍然不能够令使用者满意。而近年来，相关工况的工作温度越来越高，如超超临界锅炉的应用温度达到700℃以上，传统奥氏体耐热不锈钢并无法满足如此高温的应用。

2、另外，奥氏体不锈钢在450℃～800℃时cr将与c形成cr23c6，导致出现“贫铬”区，“贫铬”区没有足够的cr形成钝化膜，这部分区域在高温工作时将会出现晶间腐蚀，并进一步加速整体腐蚀，导致材料的高温抗氧化性能不足，热稳定性下降，高温工作的使用寿命不理想。

技术实现思路

1、本发明提供一种奥氏体耐热不锈钢，该奥氏体耐热不锈钢无铬，其具有优异的高温力学性能、高温抗氧化性能以及抗晶间腐蚀性能，从而保证了优异该奥氏体耐热不锈钢的高温工作稳定性，具有长的高温工作寿命。

2、本发明的技术目的是通过以下手段实现的。

3、本发明的目的在于提供一种奥氏体耐热不锈钢，所述奥氏体耐热不锈钢的成分为：c：0.05-0.2％，al：7-10％，ni：8-15％，ti：1-2％，nb：1-2％，mn：10-20％，b：0.015-0.025％，余量为fe和不可避免的杂质，所述奥氏体耐热不锈钢的微观组织为奥氏体基体以及平均当量圆直径2-10nm的γ’-ni3(al,ti,nb)金属间化合物析出相。

4、下面，对本发明的成分设计原理进行介绍。

5、第一、本发明省略了cr元素。通常认为，cr是不锈钢中必要的元素，但是一些研究已经提出了无cr的不锈钢，这类不锈钢以fe-al-mn为基础体系设计。本发明以该体系为基础，进行成分设计优化。在省略cr的基础上，不存在奥氏体耐热不锈钢高温工作时“贫铬”区的出现，从根源上解决了高温工作时晶间腐蚀的问题，提高了高温工作的热稳定性，延长了使用寿命。

6、第二、本发明采用高锰高镍高硼的设计。由于不添加cr会影响淬透性，本发明添加大量的mn、ni、b作为淬透性改善元素，稳定奥氏体，确保奥氏体的形成能力，从而保证获得奥氏体组织。另外，al是铁素体形成元素，容易导致脆性相的生成。本发明通过高锰高镍高硼设计，显著提高钢材的淬透性，避免了高铝条件下铁素体的形成，避免了脆性相的出现，确保了奥氏体组织的获得。

7、第三、采用高铝高镍配合钛、铌。通过固溶和时效工艺，ni和al、ti、nb可以形成纳米尺寸的γ’-ni3(al,ti,nb)金属间化合物析出相，其可以大幅度改善奥氏体耐热不锈钢的高温力学性能，弥补省略cr带来的力学性能上的不足；al在高温下的钝化膜比cr还要稳定，确保了奥氏体耐热不锈钢高温工况下的抗氧化性，弥补了无铬带来的高温抗氧化性的下降。

8、第四、本发明的c含量更高。如前述第一点可知，传统cr含量较高的奥氏体不锈钢中，由于高温工作时存在“贫铬”区，必须控制奥氏体不锈钢中c含量在极低的水平，导致生产成本较高。本发明在省略cr后，不存在“贫铬”区的问题，因此，可以大幅提高廉价的强化元素c的含量，而不会导致晶间腐蚀的问题，c含量无需限定至较低水平，生产工艺窗口较大，成本较低。

9、接下来，在前述原理的基础上介绍本发明各元素的作用。

10、c含量为0.05-0.2％。

11、c是廉价的强化元素，其能够改善淬透性。本发明将c设置在0.05-0.2％，以确保强度、奥氏体形成能力和抗氧化性。c含量过低则不能获得满足发明要求的强度，c含量过高则高温抗氧化性急剧下降。

12、al含量为7-10％。

13、al是本发明至关重要的元素。其一方面作为代铬实现高温抗氧化性的主要元素，另一方面作为γ’-ni3(al,ti,nb)金属间化合物析出相的主要组成元素，可以确保奥氏体耐热不锈钢具有优异的高温力学性能。al含量过低则导致高温抗氧化性和高温力学性能不足，al含量过高则会导致铁素体相的出现，导致材料脆性增加。

14、ni含量为8-15％。

15、ni是本发明至关重要的元素。在不添加cr的情况下，ni的添加可以大幅提高材料的淬透性，确保奥氏体组织的获得，并且其作为γ’-ni3(al,ti,nb)金属间化合物析出相的主要组成元素，可以确保奥氏体耐热不锈钢具有优异的高温力学性能。ni含量过低，无法获得奥氏体基体组织，ni含量过高，不仅成本上升，而且会导致析出相尺寸粗化，恶化高温性能。

16、mn含量为10-20％。

17、本发明mn的作用主要是提高材料的淬透性，提高奥氏体形成能力，弥补不添加cr所带来的奥氏体形成能力的不足。mn含量过低，则奥氏体形成能力不足，无法获得奥氏体组织，mn含量过高则高温抗氧化性恶化。

18、ti含量为1-2％、nb含量为1-2％。

19、ti、nb对于获得本发明的技术效果是至关重要的。ti、nb在本发明中是γ’-ni3(al,ti,nb)金属间化合物析出相的主要组成元素，可以确保奥氏体耐热不锈钢具有优异的高温力学性能。ti或nb含量过低，导致高温力学性能不足，ti或nb含量过高则会导致γ’-ni3(al,ti,nb)金属间化合物析出相尺寸变大，高温力学性能反而下降。

20、b含量为0.015-0.025％。

21、b对于本发明不含cr的奥氏体耐热不锈钢是至关重要的提高淬透性的元素，从而确保奥氏体组织的获得，并且适当的b含量对于高温强度和高温工作稳定性有重要作用。b含量过低不能有效提高淬透性，无法获得奥氏体基体组织，高温强度和高温工作稳定性下降，b含量过高则容易形成粗大的硼化物，反而降低高温强度。

22、下面，对本发明奥氏体耐热不锈钢的微观组织进行介绍。

23、本发明的奥氏体耐热不锈钢以奥氏体为基体组织，并且具有平均当量圆直径2-10nm的γ’-ni3(al,ti,nb)金属间化合物析出相，从而确保优异的高温力学性能。γ’-ni3(al,ti,nb)金属间化合物析出相尺寸过大，则无法满足本发明的高温力学性能要求，γ’-ni3(al,ti,nb)金属间化合物析出相尺寸过小则生产难度大，不利于高效生产。优选的，本发明的γ’-ni3(al,ti,nb)金属间化合物析出相平均当量圆直径为4-8nm。

24、下面，对本发明奥氏体耐热不锈钢的制备工艺进行介绍。

25、首先通过常规的冶炼方式获得具有本发明成分的合金锭，然后对合金锭在1000-1150℃施加均匀化处理5-12h，均匀化完成后随炉冷至室温，并进行冷轧操作，冷轧完成后对冷轧件施加950-1050℃下1-8h的固溶处理，固溶后水淬至室温，然后进行850-920℃下5-50h的时效处理，并在时效处理完成后采用液氮冷却。

26、液氮冷却对于本发明是至关重要的，本发明通过固溶时效析出γ’-ni3(al,ti,nb)金属间化合物析出相，在时效完成后，采用液氮急速冷却的工艺，发明人发现，采用液氮急速冷却才能确保本发明2-10nm的γ’-ni3(al,ti,nb)金属间化合物析出相平均当量圆直径要求，冷却速度过慢，如采用水淬，则γ’-ni3(al,ti,nb)金属间化合物析出相长大明显，不能满足本发明2-10nm的要求，继续加快冷却速度则成本显著提升，并且容易导致工件开裂。

27、作为本发明奥氏体耐热不锈钢力学性能的描述，其室温的抗拉强度为1200mpa以上，屈服强度为850mpa以上；600℃的抗拉强度950mpa以上，屈服强度700mpa以上；700℃的抗拉强度为850mpa以上，屈服强度为550mpa以上；800℃的抗拉强度为600mpa以上，屈服强度为450mpa以上。

28、作为本发明奥氏体耐热不锈钢高温抗氧化性和高温稳定性的描述，其在空气中850℃下保温240h后的表面氧化层厚度不大于40μm。

29、作为本发明奥氏体耐热不锈钢抗晶间腐蚀性能的描述，其晶间腐蚀速率不大于0.2g/m2·h。

30、本发明的有益效果如下：本发明的奥氏体耐热不锈钢采用高锰、高镍、高铝、无铬的设计思路，配合碳、钛、铌、硼元素。无铬则不会产生“贫铬”区，降低了高温工作时晶间腐蚀速率，也允许了高c含量的存在，从而确保了强度，提高了淬透性，保证了奥氏体组织，扩大了生产工艺窗口；使用高铝高镍配合钛、铌，ni和al、ti、nb可以形成纳米尺寸的γ’-ni3(al,ti,nb)金属间化合物析出相，大幅度改善奥氏体耐热不锈钢的高温力学性能；高锰、高镍以及硼元素的设计，即便是含有较高的铁素体形成元素al，仍可以确保淬透性，确保奥氏体组织的获得，避免脆性相的出现；高al能够弥补省略cr导致的抗氧化性能的不足，al在高温下的钝化膜比cr还要稳定，确保了奥氏体耐热不锈钢高温工况下的抗氧化性。本发明提供的奥氏体耐热不锈钢，高温力学性能和高温抗氧化性能优异，晶间腐蚀速率极低，高温工作稳定性好，可靠性高，高温工作寿命长，相比于传统的耐热钢需要20％左右的cr和25％以上的ni，本发明采用了高含量的廉价的al和mn以及较低含量的ni实现优异的高温力学和抗氧化性能，成本优势明显，性能优势突出。