CN102400060A - 一种新型含氮奥氏体耐热钢 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型含氮奥氏体耐热钢，主要成分由C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、N元素所组成，其化学成分的重量百分比为：C 0.08％～0.15％；Si 1.5％～3.0％；Mn 1.0％～2.0％；P0.001％～0.035％；S 0.0005％～0.005％；Cr 20％～24％；Ni 11％～13％；Mo 0.5％～0.7％；Nb 0.01％～0.05％；Ti 0.01％～0.03％；N 0.2％～0.4％，其余为Fe和杂质。本发明的有益效果是：钢板在添加N元素从而降低Ni元素的基础上，还引入了新的合金元素Ti、Nb以使得新型含氮耐热钢产品具有高强度、高塑性，高使用寿命，使用温度达到1300℃。钢板不仅替代20Cr25Ni20钢、06Cr25Ni20钢、16Cr25Ni20Si2钢和YUS701钢使用，并使钢板的使用寿命增加。
Description
技术领域
本发明涉及合金钢中的奥氏体耐热钢，特别是一种新型含氮奥氏体耐热钢，适用于制作在高温工作条件下的各种耐热构件。
背景技术
奥氏体型耐热钢通常以Cr-Ni作为主要合金元素，其中Ni作为扩大奥氏体区的主要元素经常被大量的加入钢中以保证在常温下得到奥氏体组织。例如行业中使用的20Cr25Ni20钢、06Cr25Ni20钢、16Cr25Ni20Si2钢的Ni含量均在20％左右。
查有关这方面的中国专利，如“奥氏体耐热钢”(公开号CN1095425A)公开了一种适用于高温热腐蚀环境下和恶劣的渗碳条件下的奥氏体型耐热钢。其化学成分中的Cr为18～28％，Ni为29～38％，使用温度在900～1150℃。
“高硅奥氏体耐热钢”(公开号CN 1052906A)公开了一种以高Si和Cr-Ni为主的具有高温抗氧化性、抗渗碳性、良好常高温力学性能和耐热疲劳性的奥氏体型耐热钢。由于添加5.01～8.59％的高含量Si，其Cr、Ni含量均有所降低，分别为16～20％和14～22％，使用温度在900～1200℃。
“高铝奥氏体耐热钢”(公开号CN 1179477A)公开了一种以高Al和Cr-Ni为主的具有综合力学性能好、抗氧化、尤其是抗硫腐蚀等特点的奥氏体型耐热钢。由于添加3.0～7.0％的高含量Al，其Cr、Ni含量均有所降低，分别为17～25％和20～30％，使用温度在1000℃以下。
“一种Cr-Ni系奥氏体耐热钢弹簧及其冷拔钢丝的制备方法”(公开号CN 101642782A)公开了一种Cr-Ni系奥氏体耐热钢弹簧及其冷拔钢丝的制备方法。其中Cr、Ni含量分别为14.0～16.0％和25.0～28.0％，使用温度在600℃以下。
“一种高Cr高Ni奥氏体系耐热铸钢及由其构成的排气系统零件”(公开号CN 1942598A)公开了一种高Cr高Ni用于排气系统零件的奥氏体耐热铸钢。其中Cr、Ni含量分别为15～30％和6～30％，并含有0.05～0.4％的N，使用温度在1000℃以上。但此发明中Nb含量相对较高0.5～5％，过多的Nb含量会导致晶界上的共晶碳化物增多，从而降低其强度和延展性，并使其脆化。
针对上述对于奥氏体耐热钢由于加入Ni等元素所带来的问题，目前有些专家提出采用氮代替Ni生产奥氏体耐热钢的观念，例如：“YU S701奥氏体不锈钢RO F内罩的脆断特征及脆化机理”(武汉交通科技大学学报24(6))报道一种含氮奥氏体耐热钢。日本钢号为25Cr-13Ni-2Si-0.8Mo-0.25N，使用温度达到1200℃，室温抗拉强度690MPa以上。但由于在高温使用状态下，奥氏体容易长大，这种钢的使用寿命还有待提高。
综上所述，现有技术奥氏体型耐热钢中的合金含量相对较高，导致制造成本上升。高温使用寿命相对较短，使用成本增加。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明公开一种合金含量低、使用寿命更长的含氮奥氏体型耐热钢，在添加N元素从而降低Ni元素的基础上，还引入了新的合金元素Ti、Nb以使得新型含氮耐热钢产品具有高强度、高塑性，高使用寿命，使用温度1300℃以上的特点，
为了达到上述目的，本发明的主要成分由C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、N元素所组成，其化学成分的重量百分比为：C 0.08％～0.15％；Si1.5％～3.0％；Mn 1.0％～2.0％；P 0.001％～0.035％；S 0.0005％～0.005％；Cr 20％～24％；Ni 11％～13％；Mo 0.5％～0.7％；Nb 0.01％～0.05％；Ti 0.01％～0.03％；N 0.2％～0.4％，其余为Fe和杂质。
本发明中合金元素C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、N限定量的理由详述如下：
C在钢中形成碳化物，有利于高温强度。此外，它还作为一种奥氏体形成元素，抑制δ铁素体的形成。因此，C的含量必须至少0.08％。然而，其过量加入增大了焊接热影响区的硬度，并增大对焊缝金属冷裂的敏感性和对焊后再加热开裂的敏感性。此外，高C含量的钢在高温下长期使用时变脆。因此，C含量的上限为0.15％，优选为0.12％
Si在钢的制造中作为脱氧元素，对于改善钢的抗氧化性能和耐高温腐蚀性也是有效的。然而，它也导致在高温长期使用过程中钢的韧性降低。因此，Si含量的上限为3.0％，优选为2％。其下限可以是不可避免的杂质量的水平，但是为了保证脱氧效果，优选为至少1.5％。
Mn与Si相同，在钢的制造时加入其进行脱氧。然而，如果加入太多，它会导致在高温长期使用过程中强度的降低和韧性下降，因此，Mn含量最多2％，优选为1.5％。
P在钢中作为不可避免的杂质存在，如果其含量高，那么产生焊接再加热开裂。因此，所述P含量最多0.035％。P含量优选尽可能低，所以对其没有特别的下限，但是过分降低所述P含量导致制造成本增加大，所以从实际观点来看，其下限一般为0.001％。
S与P一样，S在钢中作为不可避免的杂质存在。如果其含量高，那么它产生焊接再加热开裂。因此，所述S含量最多0.005％。S的含量优选尽可能低，但是与P的情况一样，过分降低所述S含量导致制造成本增大，所以从精炼成本的观点来看，其下限一般为0.0005％。
N是强烈的奥氏体形成和稳定化元素，在奥氏体耐热钢中利用N来部分取取代贵金属Ni，可以更加稳定奥氏体组织，在显著提高耐热钢强度的同时不损害其延性。本发明从综合效果考滤，N含量取值为0.2％～0.4％。
Cr是为了保证高温抗氧化性、高温耐腐蚀性和高温强度必不可少的。然而其过量添加导致碳化物的粗化，最终引起高温强度的降低以及韧性的降低。由于这些原因，Cr含量为20％～24％。
Ni是一种奥氏体形成元素，它抑制δ铁素体的形成，并且它保证组织的稳定性，所以加入Ni。在加入Ni时，其含量最少11％。然而Ni的过量添加降低在高温使用过程中的延展性，所以Ni含量的上限为13％。
Mo增大钢基体的固溶强度，它以碳化物形式析出来增大蠕变强度。此外，它对P有强亲和性，它降低在晶界处偏析P的量，所以它有利于焊接再加热开裂敏感性的降低。为了获得这些作用，有必要使其含量至少为0.5％。然而，其过量添加使得在长期使用后韧性降低，所以其上限为0.7％。
Nb与C和N结合形成Nb(C、N)，有利于沉淀弥散强化。但Nb添加量不足0.01％时，析出的密度低，不能得到相应的效果，反之超过0.50％时，容易生成未固溶的粗大Nb(C、N)，延性和韧性降低。此外，在此耐热钢使用过程中，由于热循环的作用，奥氏体晶粒长大，位错密度降低，钢的强度下降，而Nb(C、N)的存在，使钢在1150℃以下使用过程中奥氏体长大变慢，位错反应速度降低，钢的强度降低速度变慢，使用寿命明显提高。
Ti对于降低焊接再加热开裂的敏感性是必不可少的。Ti与N结合形成TiN，从而降低游离N的含量，游离N降低在焊接热影响区域内的晶粒间结合强度。此外，由于钉扎作用，它抑制由于焊接热循环产生的焊接热影响区域内晶粒的粗化并且它防止再加热开裂的形成。此外，在此耐热钢使用过程中，由于热循环的作用，奥氏体晶粒长大，位错密度降低，钢的强度下降，而TiN的存在，使钢在1300℃以下使用过程中奥氏体长大变慢，位错反应速度降低，钢的强度降低速度变慢，使用寿命明显提高。为了获得这些作用，其含量至少为0.01％是必要的。然而，Ti的过量添加导致韧性的极度降低，所以Ti含量最多0.03％
本发明采用真空感应炉冶炼，浇铸成锭后，进行锻造或轧制热加工，最后冷加工成成品。
本发明的有益效果是：
(1)钢板在添加N元素从而降低Ni元素的基础上，还引入了新的合金元素Ti、Nb以使得新型含氮耐热钢产品具有高强度、高塑性，高使用寿命，使用温度达到1300℃。
(2)钢板不仅替代20Cr25Ni20钢、06Cr25Ni20钢、16Cr25Ni20Si2钢和YUS701钢使用，并使钢板的使用寿命增加。
具体实施例
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的含N耐热钢，包含成分及其百分比重量如下：C0.08％～0.15％；Si 1.5％～3.0％；Mn 1.0％～2.0％；P 0.001％～0.035％；S0.0005％～0.005％；Cr 20％～24％；Ni11％～13％；Mo 0.5％～0.7％；Nb0.01％～0.05％；Ti 0.0％1～0.03％；N 0.2％～0.4％，余量为Fe和杂质。根据本发明所设计的化学成分范围进行配料，在真空感应炉上冶炼3炉钢。为了对比，在同设备同样条件下还冶炼了20Cr25Ni20钢、06Cr25Ni20钢、16Cr25Ni20Si2和YUS701钢各一炉。将7炉钢浇铸成锭，其具体的化学成分如表1所示。随后轧制成30mm厚度并进行固溶处理，固溶处理后取样分别进行室温和高温力学性能试验，其结果分别列入表2至表4。
表1实施例化学成分(wt％)
表2实施例室温(20℃)力学性能
表3实施例高温力学性能
表4实施例700℃保温100小时后力学性能
Claims (1)
1.一种新型含氮奥氏体耐热钢，其特征在于，化学成分的重量百分比为：C 0.08％～0.15％；Si 1.5％～3.0％；Mn 1.0％～2.0％；P0.001％～0.035％；S 0.0005％～0.005％；Cr 20％～24％；Ni 11％～13％；Mo 0.5％～0.7％；Nb 0.01％～0.05％；Ti 0.01％～0.03％；N 0.2％～0.4％，其余为Fe和不可避免的杂质。
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