專利名稱：一種抗高溫氧化鐵素體耐熱鋼棒材及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于耐熱鋼棒材技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種抗高溫氧化鐵素體耐熱鋼棒材及其制備方法，主要適用于冶金、能源、機(jī)械、化工等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著蒸汽鍋爐、電站、燃?xì)廨啓C(jī)以及航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展，為了滿足各種部件在較高溫度下工作的需要，冶金材料工作者在低碳鋼基礎(chǔ)上發(fā)展了一系列具有較高熱強(qiáng)性和抗氧化性能的耐熱鋼。這些耐熱鋼按照組織可以分為珠光體型耐熱鋼、馬氏體型耐熱鋼、奧氏體型耐熱鋼、鐵素體型耐熱鋼以及沉淀硬化型耐熱鋼。珠光體型耐熱鋼通常屬于低合金耐熱鋼，最早是在低碳鋼中加入了 0. 5% Mo，使鋼的熱強(qiáng)性明顯提高，隨后在蒸汽鍋爐上得到了應(yīng)用。20世紀(jì)60年代我國研制的多元合金化的珠光體耐熱鋼其工作溫度可達(dá)600 620°C，用于制造火力發(fā)電站的過熱器管和再熱器；馬氏體型耐熱鋼以12% Cr型為主，這類鋼有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能、較好的熱強(qiáng)性、耐蝕性及振動衰減性，廣泛用來制造汽輪機(jī)葉片、轉(zhuǎn)子、燃?xì)廨啓C(jī)渦輪盤、葉片、航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片、輪盤以及宇航導(dǎo)彈部件等，工作溫度為550 650°C ；鐵素體型耐熱鋼中含Cr量通常超過12%，這類鋼具有優(yōu)異的耐大氣腐蝕、應(yīng)力腐蝕性能，在一定的酸、堿、鹽溶液中也有一定的耐腐蝕能力，因此這類鋼也可以作為一類優(yōu)異的不銹鋼使用；奧氏體型耐熱鋼在室溫和工作溫度下的組織都是奧氏體，在高溫下具有較高的熱強(qiáng)性以及優(yōu)異的抗氧化性，一般用于制作600°C以上承受較高應(yīng)力的部件，其抗氧化溫度可達(dá)850 1250°C ；沉淀硬化型耐熱鋼以17-4PH和15-5PH為代表，這類鋼在540 650°C范圍內(nèi)具有較高的熱強(qiáng)性和足夠的抗氧化性。燃料電池是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電、核能發(fā)電之后的第四代發(fā)電技術(shù)，它是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置。燃料電池被視為最有效率的和萬能的發(fā)電體系，能應(yīng)用于各種環(huán)境的不同領(lǐng)域，被人們稱為21世紀(jì)的可再生綠色能源，并引起了各國科學(xué)界的廣泛興趣。燃料電池中有一種固體氧化物燃料電池，是一種全固態(tài)部件的燃料電池，電解質(zhì)為固體氧化物。它除了具備有高效的能量轉(zhuǎn)換率、低的污染等特點之外，還具有可以直接使用燃?xì)?、電解質(zhì)方便處理和能夠制作成想要的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)等特點，是燃料電池中重要的一類。燃料電池的單體電池的功率是有限的，只能夠產(chǎn)生IV左右的電壓， 為了得到大功率的電池組，我們必須把單體的燃料電池以各種方式(串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)) 鏈接起來，這就需要連接體材料。連接體材料作為相連電池電子傳遞的橋梁，要求具有極高的電子傳導(dǎo)能力，并且致密，在陽極和陰極氣氛內(nèi)具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性， 且與其他電池元件的膨脹系數(shù)相匹配。在目前所研究的連接體材料中，與燃料電池中電解質(zhì)的膨脹系數(shù)最接近的就是鐵素體耐熱鋼，同時鐵素體耐熱鋼又具有良好的導(dǎo)電性，優(yōu)異的抗高溫氧化特性，在燃料電池的工作溫度下具有極高的穩(wěn)定性，因此成為燃料電池連接體材料的首選材料。在這一類鐵素體耐熱鋼中，世界上的研究多集中于Cr含量為22%的 Crofer22和Cr含量為17%的AISI 430不銹耐熱鋼。這兩類鋼都具有較低的膨脹系數(shù)，可以與固體電解質(zhì)材料很好的結(jié)合，同時又具有良好的抗高溫氧化特性，在700 1000°C氧化增重較少。但Crofer22耐熱鋼中含Cr量較高，在高溫下會有少量的Cr揮發(fā)，產(chǎn)生有毒氣體，使其進(jìn)一步應(yīng)用受到了限制。而含Cr量在17 %左右的鐵素體耐熱鋼除了具有Crof er22 鋼的優(yōu)點外，還克服了 Crofer22鋼陰極毒性問題，成為最有潛力的一種連接體材料。本發(fā)明旨在研制一種新型抗高溫氧化鐵素體耐熱鋼，具有較低的膨脹系數(shù)，且具有比AISI430 更好的抗高溫氧化特性，可以作為燃料電池連接體材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種抗高溫氧化鐵素體耐熱鋼棒材及其制備方法。獲得了具有高純凈度、低膨脹系數(shù)、良好抗氧化性的鐵素體耐熱鋼棒材。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的耐熱鋼棒材采用真空感應(yīng)爐冶煉，其化學(xué)成分組成重量百分比為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其余為！^和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明的工藝包括真空冶煉、鍛造；在工藝中控制如下技術(shù)參數(shù)鋼錠開坯溫度1155 1175°C，開鍛溫度1140 1160°C，終鍛溫度880 920°C， 鍛后空冷。鍛造后的棒材具有夾雜物少、強(qiáng)度高和良好的抗氧化性能。本發(fā)明的關(guān)鍵在于通過對鋼中重要合金元素的合理優(yōu)化以及氣體元素的合理控制，得到了夾雜物少、強(qiáng)度高和良好抗氧化特性的高性能耐熱鋼。同時，通過選擇合適的熱加工參數(shù)，生產(chǎn)出了符合要求的熱鍛棒材。耐熱鋼中常見的合金元素有C(碳)、Si (硅)、Mn(錳)、Cr (鉻)、Ni (鎳)、Mo (鉬)、 W(鎢)、Co(鈷)、Cu(銅)、Nb(鈮)、A1(鋁)、Ti(鈦)、B(硼)、N(氮)、RE(稀土)等，稀土元素通常由La(鑭)和Ce(鈰)組成。S(硫)P(磷)為鋼中雜質(zhì)元素。碳是鋼中不可缺少的元素。碳在鋼中既擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，又是高強(qiáng)度碳化物的組成元素。其強(qiáng)化作用與溫度有關(guān)，隨著溫度的升高，由于碳化物聚集，強(qiáng)化作用下降。碳含量低，強(qiáng)度不足，碳含量過高，塑性不足并且焊接性能不好；硅是耐熱鋼中抗高溫腐蝕的有益元素，高溫下，在含硅的耐熱鋼表面會形成一層保護(hù)性好的SiO2膜。當(dāng)鋼中含硅量達(dá)到時就有明顯的抗氧化效果，如Cr5Mo鋼中的硅含量從0. 2%增加到時，顯著低提高了該鋼個抗高溫氧化性能； 錳能消除或減弱因硫所引起的熱脆性，從而改善鋼的熱加工性能。錳同時又是碳化物形成元素，進(jìn)入碳化物中取代一部分鐵原子。錳對鋼的高溫瞬時強(qiáng)度提高有益，但對高溫長時性能提高幫助不大；Cr是耐熱鋼中重要的合金元素，鋼中含有超過12%的Cr就會使鋼具有良好的耐腐蝕性能。鋼中的Cr在高溫氧化過程中會與氧發(fā)生反應(yīng)，在鋼材的表面生成致密的 Cr2O3薄膜，阻止氧與基體的進(jìn)一步反應(yīng)，起到了抗氧化的作用，因此耐熱鋼中的Cr含量不宜太低，本發(fā)明中Cr含量為16. 5 18.5% ；鋁是耐熱鋼中抗氧化的重要合金元素。含鋁的耐熱鋼在其表面上能形成一層保護(hù)性良好的Al2O3膜，它的抗氧化性能優(yōu)于Cr2O3膜。雖然鋼中含有一定量的鋁可以增加抗氧化性，但當(dāng)鋁含量超過8%時，卻顯著低降低鋼的塑性和焊接性能；稀土元素對提高耐熱鋼的抗氧化性能有較明顯的作用。稀土元素的氧化物對基體金屬有“釘扎”作用，可以增加基體金屬與氧化膜之間的附著力。稀土元素鑭和鈰能降低Cr2O3的揮發(fā)性，改善氧化物的組成，變成更加穩(wěn)定的(Cr、La)203氧化物膜。同時，稀土元素也是鋼中良好的脫硫去氣劑，可以清除其他的有害雜質(zhì)，可以改善鋼中夾雜物的形狀和分布狀態(tài)，從而改善和提高鋼的冶金質(zhì)量和耐熱性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于通過對耐熱鋼中各關(guān)鍵元素的合理優(yōu)化與搭配，以及熱加工參數(shù)的合理選擇，加工出了具有高純凈度、高強(qiáng)度、良好抗氧化性的耐熱鋼熱鍛棒材。
具體實施例方式下面結(jié)合一個典型實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本實施例中，采用的新型鐵素體耐熱鋼的具體成分以及對比材料AISI 430鋼的成分如表1所示。新型鐵素體耐熱鋼具體的工藝流程為選用精料，采用真空感應(yīng)爐冶煉， 冶煉的鋼錠開坯溫度為1155°c 1175°C。開坯后的鋼坯經(jīng)過表面打磨，去除角裂以及表面缺陷，裝爐加熱。鋼坯開鍛溫度1140 1160°C，終鍛溫度880 90(TC，鍛后空冷。鍛造后的棒材用于成分分析、夾雜物評定、熱處理后的室溫及高溫力學(xué)性能檢測以及抗氧化性能測試。本發(fā)明實施例與對比材料AISI 430的非金屬夾雜物對比見表2，由于本發(fā)明鋼中氧含量較低，鋼中非金屬夾雜物尤其是氧化物級別低于AISI 430，表明本發(fā)明鋼具有較高的純凈度，夾雜物水平較低。本發(fā)明實施例與對比材料鍛態(tài)以及退火態(tài)硬度見表3，退火后本發(fā)明的硬度稍高于AISI 430鋼的硬度。本發(fā)明實施例與對比材料退火后室溫和高溫拉伸性能見表4和表5，退火后本發(fā)明的室溫和高溫拉伸性能都高于AISI 430鋼，表明本發(fā)明具有較高的室溫和高溫強(qiáng)度。本發(fā)明顯著優(yōu)點是在高溫下具有良好的抗氧化性能，本發(fā)明與對比材料在800°C 下保溫500小時，在不同時間段氧化增重見表6。由于本發(fā)明中含有一定量的硅、鋁以及稀土元素，明顯提高了材料的高溫抗氧化性能，在相同的時間和溫度下，本發(fā)明的氧化增重明顯小于AISI 430鋼，表明本發(fā)明具有良好的抗高溫氧化性能。表1本發(fā)明實施例化學(xué)成分及對比材料成分(wt % )
權(quán)利要求
1.一種抗高溫氧化鐵素體耐熱鋼棒材，其特征在于，采用真空感應(yīng)爐冶煉，化學(xué)成分組成重量百分比為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，余量為！^和不可避免的雜質(zhì)。
2.—種權(quán)利要求1所述的抗高溫氧化鐵素體耐熱鋼棒材的制備方法，工藝包括真空冶煉、鍛造；其特征在于在工藝中控制如下技術(shù)參數(shù)鋼錠開坯溫度1155 1175°C， 開鍛溫度1140 1160°C， 終鍛溫度880 920°C，鍛后空冷。
全文摘要
一種抗高溫氧化鐵素體耐熱鋼棒材及其制備方法，屬于耐熱鋼棒材技術(shù)領(lǐng)域。采用真空感應(yīng)爐冶煉，化學(xué)成分組成重量百分比為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，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。工藝包括真空冶煉、鍛造；在工藝中控制的技術(shù)參數(shù)為鋼錠開坯溫度1155～1175℃，開鍛溫度1140～1160℃，終鍛溫度880～920℃，鍛后空冷。優(yōu)點在于，夾雜物少、強(qiáng)度高、抗氧化性能好。
文檔編號C22C38/18GK102392184SQ20111042171
公開日2012年3月28日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者劉正東, 包漢生, 李密, 楊鋼, 王立民 申請人:鋼鐵研究總院