一种耐高温铁素体不锈钢及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于铁素体不锈钢领域，具体涉及一种耐高温铁素体不锈钢及其制造方 法。
【背景技术】
[0002] 随着汽车工业的发展，汽车排气系统用材料越来越受到汽车生产厂商的重视，以 适应越来越严格的环保要求和不断降低车身重量和材料成本的需要。铁素体不锈钢具有节 镍、抗晶间腐蚀等优良耐蚀性能及低热膨胀系数、高强度等物理和力学性能等综合优势，使 铁素体不锈钢取代了奥氏体不锈钢成为汽车排气系统的首选材料，应用较为广泛。日本和 欧美的汽车厂均从20世纪80年代起全面采用铁素体不锈钢作为制造汽车排气系统的材 料。汽车排气系统主要由岐管、前管、柔性管、转换器、中管、消声器和尾管等组成，其中，岐 管部分使用的铁素体不锈钢要求同时具备良好的耐腐蚀性能、高温性能和成型性能。
[0003] 作为高温段使用的铁素体不锈钢主要可以分为两类，一类是17Cr不锈钢，另一类 主要是中低铬铁素体不锈钢，为保证铁素体不锈钢具备良好的力学性能和耐腐蚀性能，通 过添加适量的稳定化元素 Ti或Nb，利用稳定化元素固定钢中N和C，减少Cr与N和C的结 合形成化合物而造成的局部贫铬，从而使耐腐蚀性能降低。另外，Nb的添加可以有效提高 高温强度、抗氧化性能和耐腐蚀性能。
[0004] 目前，对于汽车尾气系统中的岐管部分，使用的不锈钢主要是17Cr不锈钢，如 441，444等，这类不锈钢含Cr、Nb、Mo等元素较多，具备良好的耐腐蚀性能和高温强度，但是 成本相对较高，同时，由于合金元素含量较高，增加了成型难度。另外一种应用于排气系统 中岐管部分的铁素体不锈钢是中低Cr铁素体不锈钢，含13~15% Cr，通过添加 Nb，或复合 添加 Nb、Mo等，在保证材料成形性的同时，仍然可以获得较高的高温强度，但添加 Mo提高了 成本，无钼的则高温强度又相对较低，代表产品如NSSC450MS、JFE429等。而上述传统汽车 排气歧管用不锈钢的使用温度一般都在900°C以下，最高不会超过950°C。随着汽车工业的 发展，以及涡轮增压技术的普遍应用，目前迫切需要能够满足在l〇〇〇°C乃至更高的使用温 度下具备优良高温强度、抗氧化性能的材料。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种耐高温铁素体不锈钢及其制造方法，该铁素体不锈钢 具备良好的高温强度、高温稳定性和抗氧化性能，其在1050°C下高温屈服强度σ 0. 2达到 24MPa以上，1050°C时效IOOh后高温屈服强度无明显降低，具备良好的高温强度稳定性，工 作温度可达l〇〇〇°C以上，适合应用在使用温度达到1000°C以上的应用领域，如汽车排气系 统中歧管等。
[0006] 为达到上述目的，本发明的技术方案是：
[0007] -种耐高温铁素体不锈钢，其化学成分质量百分数如下：C彡0.025 %， N 彡 0· 015 %，Si :0· 1 ~1. 2 %，Mn :1. 0 ~2. 0 %，Cr :18. 0 ~24. 0 %，P 彡 0· 03 %， S 彡 0· 002 %，Ni 彡 0· 3 %，Mo :1. 5 ~2· 5 %，W :0· 3 ~2· O %，4(C+N)彡 Ti 彡 0· 2 %， [10 (C+N) +0· 30 % ]彡Nb彡0· 80 %，且上述成分含量必须同时满足如下关系： 〇+~彡0.035%，2%彡]\1〇+1彡3.5%，他+1+]\1〇彡4.0%，其余为？6以及不可避免的杂质元 素，杂质元素总量< 0. 05%。
[0008] 进一步，所述耐高温铁素体不锈钢1050°C下高温屈服强度σ 〇. 2彡24MPa，1050°C 时效IOOh后高温屈服强度σ 〇. 2彡20MPa。
[0009] 本发明的化学成分设计中：
[0010] C和N :在本发明中C和N属于杂质元素，需要尽可能降低其含量。目前的常规冶 炼装备能够将（C+N)控制在0. 035%以下，同时C彡0. 025%、N彡0. 015%。降低碳、氮总 量不仅可以提高成型性能，同时也能降低稳定化元素加入量，特别是减少Ti含量，保证产 品表面质量和提尚晶间腐蚀性能。
[0011] Cr :Cr是提高抗氧化性和强度的主要合金元素，同时可以提高高温强度。Cr提高 钢的强度，但Cr含量过高时降低钢的塑性，且会恶化产品表面质量。因此，本发明将Cr含 量控制在18. 0~24. 0%。
[0012] Si :Si加入钢中起到脱氧和提高高温强度及高温氧化性能，但当Si含量过高时， 室温成型性恶化。适量的硅可以使不锈钢具有优异的耐氧化性能。因此，本发明将Si含量 控制在0. 1~1. 2%。
[0013] Mn :Mn被公认为为对抗氧化性能不利的因素，在现有的材料设计过程中，绝大多 数设计者将Mn控制在较低的水平，而并未考虑在冷热交替使用环境中Mn的使用效果。本 发明所述合金体系的基础研究数据表明，当Mn含量增加到0. 9%以上时，在冷-热交替循环 氧化下材料的失重显著减少。这使本发明材料应用在汽车排气系统领域中时具备非常明显 的优越性，因此，本发明将Mn含量控制在1 %以上。然而Mn对抗氧化性能的损害作用是不 可忽视的，尤其当其含量高于2%时，就不得不提高Cr、Mo等元素的含量才能加以补偿，因 此综合考虑Mn对恒温氧化和冷-热交替循环氧化的综合影响效果，本发明将Mn含量范围 控制为1~2%。
[0014] Ti :Ti很容易与N形成TiN，作为稳定化元素添加固定钢中N。在含Nb钢中，TiN 可以在高温条件下有效的提高Nb的固溶量，从而提高钢的高温强度，同时添加 Ti还可以避 免在长时间高温时效的过程中导致高温强度下降，从而提高了含Nb钢高温强度的稳定性。 但是过量的Ti会增加冶炼难度，降低材料的表面质量和使用性能，因此，Ti含量不宜超过 0. 20%。同时Ti与C、N的结合可以避免晶界析出Cr的碳化物，从而提升其耐晶间腐蚀能 力，为了确保晶界处不形成Cr的碳化物，Ti的添加量还需满足Ti彡4 (C+N)。
[0015] Nb :Nb很容易与C结合，所以添加适量Nb可以固定钢中C，另一方面，Nb固溶在基 体中能够有效的起到提高高温强度的作用，在本发明中，如果Nb作为稳定化元素固定C、N 元素而言，Nb含量满足10 (C+N) < Nb即可，但是本发明中Nb还要作为固溶强化元素用以 提高高温强度，因此，下限设计为[10 (C+N)+0. 30% ]< Nb ;另一方面，采用Nb作为单一的 强化元素，当其含量较高时，会遇到诸如偏析、使用过程中析出相粗大化而导致高温强度下 降，冷乳板退火难以实现再结晶至材料强度过高等问题，因此Nb含量最高不超过0. 8%。
[0016] Mo :Mo不仅提尚尚温强度，抗氧化性能，还能够提尚材料的尚温盐腐蚀性能，鉴于 本发明利用的Mo+W的协同作用，因此Mo的含量为1.5%以上，但不超过2. 5%，以免导致 室温强度过高以及在热乳工序中会导致难以克服的生产缺陷。
[0017] W :W在本发明中是非常核心的元素，首先，在上述含Mo的体系中添加 W之后可显 著提高高温抗氧化性能，同时提升高温强度，然而，当添加量低于〇. 3%时候，其对高温氧化 性能的提升效果不显著，但是添加量较大的时候，其成本上升非常显著，且当含量大于2 % 时，在冷-热交替循环氧化过程中氧化皮会出现典型的崩裂和脱落，因此，本发明将W加入 量控制为〇. 3~2%。
[0018] 关于Nb、Mo和W复合添加：如上所述，Nb可显著提升高温强度，但是对抗氧化性 能贡献甚少，因此单独增加 Nb含量对抗氧化性能的提高没有意义，而W和Mo是同时可以提 高抗氧化性能和高温强度的元素，但提升高温强度的元素对室温强度也会有显著提升，当 Nb+W+Mo总量过高时，室温下屈服强度极高，可加工性能变差，从而使高温强度的提升没有 意义，因此，本发明要求Nb+W+Mo < 4. 0%。在抗氧化性能提升方面，仅添加 Mo时富Mo析出 相会使材料在长期时效的条件下高温强度下降，而W能够抑制该析出物的产生和长大，且 相对Nb、Mo而言，W不易形成该类型析出物。
[0019] 但是W的添加导致氧化皮有剥落倾向，这对材料是不利的，因此，本发明复合添加 W和Mo。对1050°C抗氧化性能的影响试验结果表明（试验中，氧化增重少表示抗氧化性 能优良）：当Mo+W含量小于2. 0 %时，有异常氧化发生，而当Mo+W总含量大2. 0 %时，氧化 增重明显减少，另外，Mn含量较低而Mo+W比较高时出现氧化皮剥落的情况，而适当的增加 Mn含量有利于改善这种情况。基于此，且综合合金成本考虑，Mo+W复合添加含量为2. 0% 彡 Mo+W 彡 3. 5%。
[0020] Ni :Ni在铁素体不锈钢中属于残余元素，尽可能减少Ni的含量。
[0021] P和S :铁素体不锈钢中磷和硫会严重影响不锈钢的耐蚀性和加工性能，必须严格 控制，一般要求控制在P彡〇. 03%，S彡0. 002%。
[0022] 本发明所述耐高温铁素体不锈钢的制造方法，其包括如下步骤：
[0023] 1)冶炼、铸造
[0024] 按照上述化学成分进行冶炼、连铸；
[0025] 2)热乳
[0026] 加热温度为1050~1200°C，加热时间> 180min ;热乳终乳温度为800~950°C， 卷取温度为630~750 °C ;
[0027] 3)热乳后退火+酸洗
[0028] 热乳板卷退火温度为900~1000°C，退火TV值控制在150~220,其