一种含稀土钇的节镍型奥氏体耐热不锈钢及其制备方法

摘要

一种含稀土钇的节镍型奥氏体耐热不锈钢及其制备方法，属于合金钢领域。组成及重量百分比：Cr 20-22％，Ni 10-12％，Si 1.1-2.0％，N0.14-0.22％，C 0.05-0.10％，稀土Y 0.03-0.08％，Mn 0.3-0.8％，P≤0.02％，S≤0.03％，Fe余量。采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉+炉外精炼、转炉+炉外精炼；要求添加稀土之前，钢液的氧含量≤50ppm，并在出钢浇铸前加入Fe-Y中间合金，浇铸温度控制在1500-1650℃，并浇铸成型得到奥氏体耐热不锈钢铸锭或者将铸锭经开坯锻造、轧制及固溶处理，进而得到固溶态合金，优点在于，可实现节镍，降低原料成本。

说明书

技术领域

本发明属于不锈钢技术领域，特别是涉及一种含稀土钇的节镍型奥氏体耐热不锈钢及其制备方法。

背景技术

奥氏体耐热不锈钢在锅炉和压力容器中有着广泛的应用，例如在锅炉的应用上，近年来为了实现清洁煤燃烧技术，流化床锅炉(CFB)的发展很快，其炉膛出口处的分离元件大多选用具有高抗氧化腐蚀性和高温持久强度的SUS310(Cr25Ni20)不锈钢。在压力容器上，当介质具有强烈的腐蚀性时就需要选用像800和601等镍基合金，这些合金的生产和使用无疑会消耗大量价格昂贵的镍，这不仅会增加生产成本，而且与我国乃至世界的“节能减排”的大趋势相悖，它们的应用，特别是未来的应用必然会受到严格的限制。而如果选用镍含量较低、价格相对便宜的合金，如铁素体不锈钢或者最常见的奥氏体不锈钢SUS304(Cr18Ni8)等，有些时候又难以满足更高的温度、更高的应力和更苛刻的使用条件。为了满足合金在更苛刻条件下的要求，保证或者大幅提高使用寿命，同时又可降低合金的生产成本，可以替代高镍钢种，具有性价比更好的新钢种的研究与开发越来越受到人们的关注。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含稀土钇的节镍型奥氏体耐热不锈钢及其制备方法，其高温持久强度和抗高温氧化性均能达到甚至超过310奥氏体不锈钢的水平，而在化学成分上能大幅减少镍含量。

针对上述目的，本发明的技术方案是通过研究合金元素对含稀土钇的节镍型奥氏体耐热不锈钢高温性能的影响，特别是通过添加少量但严格控制的稀土钇元素，利用其具有较高的表面活性而富集于晶界的效应来使S、P等杂质元素的晶界偏析受到抑制，同时改善晶界结构、填补空位，使晶界滑动得到阻滞，从而带来高温持久性能的提高。另外，由于材料中含有一定的Si和N元素，使得材料在稀土Y与Si，N等元素的协同作用下，具有与更高合金含量(特别是镍含量)的不锈钢同样良好的抗氧化性和高温持久性能，并保证具有全奥氏体组织。在科学地设计了钢种化学成分的基础上，通过对制备工艺方法过程中各种工艺参数的优化研究，提出了一种含稀土钇和氮的节镍型奥氏体耐热不锈钢的制备方法。

本发明含稀土钇的节镍型奥氏体耐热不锈钢的成分质量百分配比为：

Cr 20-22％，Ni 10-12％，Si 1.1-2.0％，N 0.14-0.22％，C 0.05-0.10％，稀土Y 0.03-0.08％，Mn 0.3-0.8％，P≤0.02％，S≤0.03％，O≤50ppm，Fe余量。

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，碳含量限定为0.05-0.10％，优选0.06-0.08％。

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1.1-2.0％，优选1.5-1.7％。

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0.8％。

氮同碳一样是形成和稳定奥氏体的元素，作为间隙元素，具有很强的固溶强化作用，可显著提高耐热钢的高温强度和抗蠕变性能。然而，过量的氮会降低合金的延展性和韧性。因此，氮含量限定为0.14-0.22％，优选0.15-0.18％。

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％。然而如果为了铬含量过量，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20-22％。

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。然而增加镍的含量，大大增加原材料的成本，因此，镍含量限制在10-12％。

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0.03-0.08％的范围，以真正实现节镍，比SUS310奥氏体不锈钢节镍近50％，同时还能保证钢的各种性能优良。

本发明含稀土钇的节镍型奥氏体耐热不锈钢合金材料的制备方法，包括如下工艺步骤：冶炼、铸造、铸锭或铸坯开坯、热轧和固溶处理。

1、冶炼和铸造

本发明含稀土钇的节镍型奥氏体耐热不锈钢合金在真空感应炉、非真空冶炼、电炉+炉外精炼、转炉+炉外精炼中任一种工艺进行冶炼。

要求添加稀土之前，要严格控制钢液的氧含量，使其低于50ppm，并在出钢浇铸前加入Fe-Y中间合金。浇铸温度控制在1500-1650℃。

非真空冶炼时注意防止二次氧化，配氮采用添加氮化铬铁合金或吹氮气；利用真空感应炉冶炼时在浇铸室内按预先计算好的压力(0.04-0.09MPa)充入高纯氮气或配合添加氮化铬铁合金。

本发明适应于大生产电炉+炉外精炼+连铸、转炉+炉外精炼+连铸，若采用连铸时可采用现有的SUS304奥氏体不锈钢的连铸工艺。

2、铸锭或铸锭开坯。

加热温度1150-1250℃，开坯时始锻温度控制在1100-1200℃，终锻温度控制在950-1000℃。可采用锻造开坯和连铸连轧。

3、钢的热轧

铸锭或铸锭开坯后根据用户要求的钢材规格进行热轧。热轧时坯料加热温度1150-1250℃，开轧温度控制在1150-1200℃，终轧温度控制在950-1000℃

4、固溶处理

钢热轧后在热处理炉中进行固溶处理，温度为1050-1150℃，保温30-60分钟。冷却方式采用水冷或空冷。通过固溶处理后即可获得本发明含稀土钇的节镍型奥氏体耐热不锈钢。

本发明的有益效果是：本发明含稀土钇的节镍型奥氏体耐热不锈钢高温性能良好，工艺可行，高温持久强度与高温抗氧化性与SUS310S相当，甚至优于SUS310S。本发明含稀土钇的节镍型奥氏体耐热不锈钢可实现节镍，降低原料成本，可替代含镍量20％的SUS310S。另外，由于我国具有丰富的稀土钇资源，本发明的生产成本也大大低于国外类似的奥氏体耐热钢。可用于燃烧器、马弗炉罩、热交换器、淬火夹具、导板和燃烧嘴等。

附图说明

图1为实施例及对比例高温塑性试验结果。

具体实施方式

根据本发明所述的含稀土钇的节镍型奥氏体耐热不锈钢的化学成分，在真空感应炉中冶炼了2炉本发明钢，具体化学成分如表1所示。另外，为了对比，在相同的设备条件下，还冶炼了一炉其它成份与本发明相同或相近，但不添加稀土钇元素的奥氏体耐热不锈钢对比钢种，其成份也列于表1。上述3炉钢均按照本发明制备方法的工艺步骤，进行了铸锭开坯、热轧和固溶处理。有关冶炼、浇铸、铸锭开坯、热轧和固溶的有关参数如表2所示。随后，对产品钢材取样，进行了高温持久试验和高温氧化试验，并以SUS310S为对比例，其结果详见表3和图1。

由表3可看出本发明的在相同条件下的高温持久强度与高温抗氧化性均优于未添加Y的对比例1和SUS310S。

表1实施例及对比例钢种的化学成分(wt％)

表2实施例及对比例钢种制备过程的有关参数

表3实施例及对比例高温性能试验结果

*为通过三个不同温度和三个不同应力得到持久寿命与应力关系曲线后而进行的外推值。