一種抗高溫氧化的奧氏體耐熱不銹鋼的制作方法
【專利摘要】一種抗高溫氧化的奧氏體耐熱不銹鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為：C:0.02%以下、Si：2.0～2.5%、Mn:1～2%、Cr:20～22%、Ni:12～14%、N:0.11～0.15%、P<0.035%、S<0.005%、Ce+La+Y:0.06～0.11%，V：0.05～0.15%，Nb：0.1～0.3%，其余為Fe和不可避免雜質(zhì)；其中，1.4≤（Cr+1.5Si+0.5Nb)/(Ni+0.5Mn+20N)≤1.6，1.5（C+N）≤Nb+V≤0.35%。本發(fā)明奧氏體耐熱不銹鋼，具有良好的高溫強(qiáng)度、抗氧化性及成形性，其使用溫度可達(dá)1050℃，滿足汽車排氣系統(tǒng)使用溫度持續(xù)升高和環(huán)境保護(hù)的需要。
【專利說明】一種抗高溫氧化的奧氏體耐熱不銹鋼
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種奧氏體不銹鋼，特別涉及一種抗高溫氧化的奧氏體耐熱不銹鋼，適用于制作汽車排氣系統(tǒng)高溫端零部件。
【背景技術(shù)】
[0002]耐熱不銹鋼與能源和動(dòng)力機(jī)械的進(jìn)步有密切的關(guān)系，可應(yīng)用于火力發(fā)電、原子能、宇航、航空、石油和化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。最近，耐熱不銹鋼逐漸應(yīng)用于汽車排放系統(tǒng)工程。 減少汽車廢氣排放是當(dāng)前全人類共同面臨的巨大挑戰(zhàn)，隨著對(duì)汽車尾氣排放法規(guī)的調(diào)整，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提高，排放氣體溫度越來越高，排氣溫度從目前的900~950°C提高到1000~1050°C，這就對(duì)排氣系統(tǒng)高溫端用不銹鋼提出更高的要求，尤其是具有高的高溫強(qiáng)度、抗高溫氧化性和很好的成形性?？紤]到鐵素體不銹鋼的焊接性、成型性和高溫強(qiáng)度有限，部分歐系車選用1.4828、309S和310奧氏體耐熱鋼來制作高溫部件。1.4828和309S抗高溫氧化性相對(duì)較弱，使用時(shí)未取得令人滿意的效果，310S價(jià)格昂貴，使得生產(chǎn)成本大幅提高。
[0003]中國(guó)專利CN101092678a公布了一種奧氏體耐熱疲勞鋼，特征是通過C、Mn、B、V、Nb、Y合金元素來提高鋼的耐熱疲勞性能和強(qiáng)度，合金設(shè)計(jì)與本發(fā)明不同。
[0004]中國(guó)專利CN102400060a中公布了一種新型含氮奧氏體耐熱鋼，特征是通過N、Nb、T1、Mo、Al的添加來提高鋼的耐熱性能，Al含量較本發(fā)明高。
[0005]韓國(guó)專利KR2012089910-A公布了一種添加Re的高溫抗氧化耐熱奧氏體不銹鋼，
C和Re含量與本發(fā)明有差異。
[0006]日本發(fā)明JP2011236465-A公布了一種奧氏體不鎊鋼，通過添加Nb、B、Al、Cu、La、Ce等元素以獲得優(yōu)良的耐蝕不銹鋼，特別突出了 Cu在抗氧化性能的貢獻(xiàn)，合金設(shè)計(jì)與本發(fā)明不同。
[0007]韓國(guó)專利KR766251-B1公布了一種節(jié)鎳奧氏體耐熱鋼，特征是通過N來取代Ni，通過W取代Mo，獲得抗高溫性能優(yōu)良的不銹鋼，合金設(shè)計(jì)與本發(fā)明不同。
[0008]W02005103314-A1公布了一種用于排氣系統(tǒng)的高鉻、鎳奧氏體耐熱鋼，米用高含量Cr, Ni, Mo或W，Nb來提高鋼的耐熱性。
[0009]日本發(fā)明JP2005133144-公開了一種用于坦克、容器及化學(xué)處理廠的用材，該發(fā)明特征是含有較高含量的Mo、Cu及N，含3.0-7.0%Mo,合金設(shè)計(jì)與本發(fā)明不同。
[0010]美國(guó)US2003084967-A1公布了一種耐熱、耐蝕不銹鋼，采用高含量Mn，N, C，Nb來提高鋼的耐熱性。日本發(fā)明JP11302798-A公開了一種高氮的奧氏體耐熱鋼，特征是含有高含量Mn，N和Mo，同時(shí)含有Al。JP9324246-A公開了一種含Al、Cu、Nb的用于熱交換器的奧氏體不銹鋼，含1.0-3.5%A1，合金設(shè)計(jì)與本發(fā)明不同。JP9324245-A公開了一種用于焊接結(jié)構(gòu)件的奧氏體不銹鋼，含1.0-6.0%A1，合金設(shè)計(jì)與本發(fā)明不同。對(duì)于奧氏體耐熱不銹鋼，Al、Mn、W、Mo、Cu等元素的加入對(duì)耐熱性能有利，因此也是研究和開發(fā)的關(guān)鍵合金元素。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]本發(fā)明的目的是提供一種抗高溫氧化的奧氏體耐熱不銹鋼，具有良好的高溫強(qiáng)度、抗氧化性、成形性，其使用溫度可達(dá)1050°C，滿足汽車排氣系統(tǒng)使用溫度持續(xù)升高和環(huán)境保護(hù)的需要。
[0012]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0013]本發(fā)明設(shè)計(jì)主要針對(duì)汽車排氣系統(tǒng)特定的服役環(huán)境，要求材料高的抗氧化性能和高的高溫強(qiáng)度及良好的加工成形性。同時(shí)，在滿足材料使用性能要求的前提下，兼顧材料的制造成本。因此，優(yōu)選在鋼中添加適當(dāng)?shù)?、祖、隊(duì)￥、他、5丨、1^等元素。
[0014]具體的， 本發(fā)明的一種抗高溫氧化的奧氏體耐熱不銹鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為:C:0.02% 以下、S1:2.0 ~2.5%、Mn:l~2%、Cr:20~22%、N1:12~14%、N:0.11 ~0.15%、Ρ〈0.035%、S〈0.005%、Ce+La+Y:0.06 ~0.11%, V:0.05 ~0.15%, Nb:0.1 ~0.3%,其余為Fe 和不可避免雜質(zhì);其中，1.4 ^ (Cr+1.5Si+0.5Nb)/(Ni+0.5Mn+20N) ( 1.6，1.5 (C+N)(Nb+V ( 0.35%。
[0015]在本發(fā)明奧氏體耐熱不銹鋼的成分設(shè)計(jì)中:
[0016]C:碳固溶在鋼中可以提高鋼的強(qiáng)度，但碳化物析出后強(qiáng)度下降，熱強(qiáng)性隨碳含量增加而降低，因此碳含量控制在0.02%以下。
[0017]Mn:錳是比較弱的奧氏體形成元素，但在不銹鋼中是強(qiáng)烈的奧氏體組織穩(wěn)定元素，并能提高氮在鋼中的溶解度。錳含量過高會(huì)有損于抗氧化性能和降低蠕變極限，本發(fā)明中Mn含量為I~2%。
[0018]S1:硅在奧氏體不銹鋼中能形成氧化硅內(nèi)氧化膜層，它與Cr2O3為主的致密氧化膜層共同抵御鋼的進(jìn)一步氧化，從而增加鋼的抗氧化能力。
[0019]P:磷在不銹鋼中被視為有害元素，應(yīng)盡量控制得越低越好。
[0020]S:硫在不銹鋼中也被視為有害元素，尤其在本發(fā)明的不銹鋼中，錳含量較高，因此須嚴(yán)格控制硫的含量，越低越好。
[0021]Cr:鉻是不銹鋼中最重要的合金元素，鉻是耐熱鋼中抗高溫氧化和抗高溫腐蝕的主要合金元素之一，并提高鋼的強(qiáng)度，同時(shí)鉻形成Cr2O3致密的氧化膜，阻礙氧和金屬離子的擴(kuò)散，從而提高鋼的抗氧化性，本發(fā)明中Cr含量在20~22%。
[0022]N1:鎳是形成和穩(wěn)定奧氏體相最重要的元素，是耐熱鋼中重要的合金元素之一，同時(shí)增加氧化膜層的穩(wěn)定性，有利于提高鋼的抗高溫氧化性，并且還可以增強(qiáng)不銹鋼抗還原酸的能力和提高加工性能，同時(shí)考慮到成本，本發(fā)明限制鎳的含量在12~14%。
[0023]N:氮作為合金元素存在于奧氏體不銹鋼中，可以在不明顯降低材料塑性和韌性的前提下明顯提高鋼的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，且提高奧氏體的穩(wěn)定性，還能提高不銹鋼的不銹性、耐蝕性以及延緩碳化物的析出等。但由于氮在不銹鋼中的溶解度有限，氮含量控制在
0.15%以下。
[0024]V少量的釩在奧氏體不銹鋼中以置換固溶原子存在，一定程度上阻礙晶粒長(zhǎng)大，提高鋼的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度。
[0025]Nb少量的鈮在奧氏體不銹鋼中以析出物存在，高溫時(shí)溶解以置換固溶原子存在，提高鋼的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度。
[0026]RE稀土元素對(duì)提高不銹鋼的抗氧化性能有較為明顯的作用。稀土元素的氧化物可以增加基體金屬與氧化膜之間的附著力，因?yàn)橄⊥裂趸飳?duì)基體金屬有釘軋作用。稀土金屬Ce能降低Cr2O3的揮發(fā)，改善氧化物的組成，形成穩(wěn)定的含稀土的氧化膜。稀土元素的加入量不宜過多，否則會(huì)惡化鋼的質(zhì)量，因此稀土元素的加入量控制0.11%以下。
[0027]在本發(fā)明中，C含量不能太高，熱端部件在實(shí)際工況，需承受室溫~1050°C的高溫循環(huán)溫度變化，在這個(gè)溫度區(qū)間長(zhǎng)期使用，C原子容易偏聚，與其他原子結(jié)合，形成析出相，改變材料的力學(xué)性能，因此，組織穩(wěn)定性也是本發(fā)明需要考量的一個(gè)指標(biāo)。降低C含量，限制合金元素的加入量，可以降低碳化物或其他金屬間化合物的形成傾向，提高組織穩(wěn)定性，同時(shí)充分發(fā)揮Nb，V，C的固溶強(qiáng)化作用， 提高鋼的強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度。即或形成氮化物，也不會(huì)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響。
[0028]另外，在C含量較低的情況下，加入太多的Nb和V將偏聚于鋼中，損害鋼的強(qiáng)度，本發(fā)明成分中，1.5 (C+N)≤Nb+V ≤ 0.35%。選用Nb和V的復(fù)合加入，是因Nb和V的復(fù)合加入比單獨(dú)加入Nb或V的強(qiáng)化效果好。鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量也會(huì)影響鋼在冶煉、加工甚至使用過程中高溫下的組織的穩(wěn)定性，該值越高，穩(wěn)定性越差，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性，本發(fā)明中1.4 ≤ (Cr+1.5Si+0.5Nb)/(Ni+0.5Mn+20N)≤1.6。另外，Si可形成連續(xù)和致密氧化物，阻止鋼的進(jìn)一步氧化，稀土的加入，改善氧化皮的特性，由于本發(fā)明鋼的設(shè)計(jì)使用溫度達(dá)到1050°C，因此選擇二者同時(shí)加入，可有效提高抗高溫氧化性。
[0029]對(duì)于熱端歧管用鋼，高溫強(qiáng)度要求不低于30MPa，另外氧化速率越低越好，氧化速率越低，抗氧化性能越好，則使用壽命越長(zhǎng)，根據(jù)目前的使用狀態(tài)，最好不超過0.15g/m2*h。
[0030]本發(fā)明可用于排氣系統(tǒng)耐高溫部件，也可以制作在高溫工作條件下的各種耐熱構(gòu)件，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn):
[0031](I)本發(fā)明利用Si和Re元素的復(fù)合加入，提高鋼的抗高溫氧化性能。
[0032](2)降低C含量的同時(shí)，加入N、Nb、V，保證足夠的高溫強(qiáng)度，其使用溫度可達(dá)1050°C，同時(shí)兼?zhèn)淞己玫慕M織穩(wěn)定性。
[0033](3)本發(fā)明具有良好的成型性，可制作形狀比較復(fù)雜的零部件，在成本合理的情況下，顯著提高了鋼的高溫使用性能，具有高的性價(jià)比。
[0034]本發(fā)明奧氏體耐熱不銹鋼高溫強(qiáng)度MOMPa、抗氧化性(300h后氧化速率〈0.2g/m2*h)及良好的成形性，使用溫度可達(dá)1050°C。
[0035]一般來講，鐵素體不銹鋼的成形性差，奧氏體不銹鋼的成形性好，因此選用奧氏體不銹鋼來制作歧管部件。對(duì)于奧氏體不銹鋼而言，主要對(duì)比的是高溫強(qiáng)度和抗氧化性。從強(qiáng)度考慮，本發(fā)明鋼滿足使用要求。從抗氧化性看，4828抗氧化性不如本發(fā)明鋼；310S的合金含量達(dá)到45%，價(jià)格偏高，從經(jīng)濟(jì)性考慮，不如本發(fā)明鋼。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1奧氏體耐熱不銹鋼的金相組織。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0038]本發(fā)明實(shí)施例鋼的化學(xué)成分如表1所示。鋼錠冷卻后隨爐加熱，加熱到1240±10°C后保溫90-100分鐘，鍛造成厚度30mm的方坯。始鍛溫度1150°C，終鍛溫度大于950°C，水冷或空冷。鍛后熱軋，于1250±10°C加熱保溫Ih后開始軋制，始軋溫度1200°C，終軋溫度控制在1000°c以上。冷卻后進(jìn)行固溶熱處理，固溶處理溫度1020~1150°C，固溶后水冷。再冷軋至2.0mm。冷軋后固溶處理溫度1050~1120°C，固溶后水冷。
[0039]實(shí)施例1的最終金相組織如圖1所示，組織主要是奧氏體和少量的金屬氧化物。
[0040]對(duì)最終固溶處理后的樣板進(jìn)行取樣及高溫力學(xué)性能的測(cè)試。測(cè)試儀器為INSTR0N5982，檢驗(yàn)依據(jù) GB/T4338-2006 執(zhí)行。測(cè)試溫度為 950、1000、1050 和 1100°C、1050°C時(shí)測(cè)得的高溫強(qiáng)度列于表2中。
[0041]抗氧化性能實(shí)驗(yàn)按GB/T13303-91進(jìn)行， 試樣為30 X 10mm，在爐子自然氣氛中分別保溫50、100、150、200、250和300小時(shí)，保溫結(jié)束后，從爐膛取出，加坩堝蓋自然冷卻，冷卻
至室溫后稱重，計(jì)算樣品的增重及氧化速率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
【權(quán)利要求】
1.一種抗高溫氧化的奧氏體耐熱不銹鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為:C:〈0.02%、Si2.0 ~2.5%、Mnl ~2%、Cr20 ~22%、Ni 12 ~14%、N0.11 ~0.15%、P<0.035%、S<0.005%、Ce+La+Y:0.06~0.11%, V0.05~0.15%,Nb0.1~0.3%，其余為Fe和不可避免雜質(zhì)；且，同時(shí)滿足 1.4 ≤(Cr+1.5Si+0.5Nb)/(Ni+0.5Mn+20N) ≤ 1.6，1.5 (C+N) ≤ (Nb+V) ( 0.35%。
【文檔編號(hào)】C22C38/48GK103741065SQ201310727913
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】張志霞, 畢洪運(yùn), 李鑫, 翟瑞銀, 劉春粟, 常鍔 申請(qǐng)人:寶鋼不銹鋼有限公司