一种抗高温氧化的铁素体耐热不锈钢及其制造方法技术

一种抗高温氧化的铁素体耐热不锈钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C≤0.02％，Si≤0.5％，Mn≤0.5％，Cr：17～20％，N<0.02％，P<0.02％，S<0.02％，Ti：0.1～0.2％，Nb：0.3～0.6％，W：0.3～0.8％，Re：0.05～0.13％，0.9％≤Nb+W-Re+Ti≤1.3％，4.5％≤(Nb+W+Ti)/10(C+N)≤7.5％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明专利技术铁素体耐热不锈钢不含Al和Co，降低了浇铸工艺难度，使用温度最高可达1050℃，且在1050℃高温下，具有优于022Cr18NbTi铁素体不锈钢、甚至优于Cr20Ni12Si2奥氏体耐热不锈钢的高温力学性能(屈服强度和抗拉强度)以及高温抗氧化性能，但价格却仅为Cr20Ni12Si2奥氏体耐热不锈钢的一半左右。

High temperature oxidation resistant ferritic stainless steel and manufacturing method thereof

A high temperature oxidation resistant ferritic heat-resistant stainless steel and its manufacturing method, the chemical components in weight percentage: C = 0.02%, Si = 0.5%, Mn = 0.5%, Cr:17 ~ 20%, N< 0.02%, P< 0.02%, S< 0.02%, Ti:0.1 ~ 0.2%, Nb:0.3 ~ 0.6%, W:0.3 ~ 0.8%, Re:0.05 ~ 0.13%, 0.9% = Nb+W-Re+Ti = 1.3%, 4.5% = (Nb+W+Ti) /10 (C+N) = 7.5%, the remaining Fe and inevitable impurities. The invention of heat-resistant ferritic stainless steel containing Al and Co, reduce the difficulty of casting process, the use of the highest temperature is 1050 degrees centigrade, and at 1050 degrees Celsius, which is better than that of 022Cr18NbTi ferritic stainless steel, high temperature mechanical performance is even better than Cr20Ni12Si2 heat-resistant austenitic stainless steel (yield strength and tensile strength) and high temperature oxidation resistance, but but the price is only about half of the Cr20Ni12Si2 austenitic stainless steel.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种铁素体不锈钢及其制造方法，特别涉及一种抗高温氧化的铁素体耐热不锈钢及其制造方法，使用温度可达1050℃，用于制作高温用零部件，如汽车排气系统高温端部件。
技术介绍
耐热不锈钢用于高温服役环境，如火力发电、原子能、宇航、航空、石油化工和汽车等领域。耐热钢可分为奥氏体耐热钢、铁素体耐热钢和双相耐热钢。其中，奥氏体耐热钢抗高温氧化性好，高温强度高，韧性好，但成本较高；铁素体耐热钢成本低廉、热膨胀系数小，越来越受到用户的青睐。在汽车领域，对汽车尾气的排放标准日趋严格，导致发动机温度不断提高，未来材料的最高使用温度可能提高到1050℃，在1050℃时的高温抗拉强度要求达到20MPa。为达到此要求，目前使用比较多的是022Cr18NbTi铁素体不锈钢，其耐热钢的高温强度和抗高温氧化性较低，一般使用温度900～950℃，其高温抗拉强度和抗氧化性性能无法满足用户的要求。在国外Cr20Ni12Si2奥氏体耐热不锈钢已经应用于排气系统高温端零部件，但国内外铁素体耐热钢的应用还比较少，目前正处于研究开发阶段。国内铁素体耐热不锈钢如下所示：中国专利CN03111577.2公布了一种高硅、高铝铁素体不锈钢及其在制备耐热钢管中的应用，特征是通过Si和Al合金元素来提高钢的抗高温氧化性能、耐热性和强度。中国专利CN200480025436.0公布了一种抗氧化的铁素体不锈钢，含铝、至少一种稀土金属和16～30％的铬。中国专利CN200810159994.6公布了一种自生碳化物粒子强化铁素体耐热钢，利用碳化物粒子增加耐热性能及高温强度。中国专利CN01805648.2涉及一种高铬铁素体耐热钢，含铬量小于10％，其使用温度在650℃。中国专利CN200810036417.8涉及一种铁素体耐热钢，含铬量小于13％，使用温度在600℃左右，主要用于发电用的锅炉和汽轮机等设备。中国专利CN103667976A公布了一种铁素体系耐热钢，包含Co：3.50～4.50％，B：0.02～0.04％，Zr：0.30～0.50％。综上，现有的耐热钢存在以下两个特点：1)对于Cr含量低的耐热钢，抗氧化性能弱，一般使用温度不超过650℃；2)对于Cr含量高的耐热钢，含有一定量的Al或者Co，Al在浇铸过程中要求较高的冶金工艺技术且容易形成沉淀堵塞水口，添加Co会显著增加成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种抗高温氧化的铁素体耐热不锈钢及其制造方法，该铁素体耐热不锈钢不含Al和Co，降低了浇铸工艺难度，使用温度最高可达1050℃，且在1050℃高温下，具有优于022Cr18NbTi铁素体不锈钢、甚至优于Cr20Ni12Si2奥氏体耐热不锈钢的高温力学性能(抗拉强度≥20MPa，屈服强度≥20MPa)以及高温抗氧化性能(在1050℃，保温100小时下的氧化增重为40～60g/m2)，但价格却仅为Cr20Ni12Si2奥氏体耐热不锈钢的一半左右。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是：本专利技术通过调节钢中C含量，增加稀土元素以提高钢种抗高温氧化性能；为保证钢的高温力学性能强度，同时加入Nb和W元素，加入Ti，以提高汽车排气系统用零件在加工制造中的焊接性并形成碳氮化物可改善钢的强度，同时控制Nb、W和Ti的含量与稀土的含量之间的关系。此外，控制Nb、W和Ti与碳氮之间的关系，以保证这些合金元素的加入使钢具有高的强度和高温强度。对于整个成分体系，碳、氮元素与Nb、W、Ti及稀土元素之间存在相互平衡和制约的关系。具体地，本专利技术的一种抗高温氧化的铁素体耐热不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.007～0.02％，Si≤0.5％，Mn≤0.5％，Cr：17～20％，P<0.02％，S<0.02％，Ti：0.1～0.2％，Nb：0.3～0.6％，W：0.3～0.8％，Re：0.05～0.13％，0.007％<N<0.02％，0.9％≤Nb+W+Ti-Re≤1.3％，4.5％≤(Nb+W+Ti)/10(C+N)≤7.5％，其余为Fe和不可避免的杂质。进一步地，所述铁素体耐热不锈钢的使用温度≤1050℃，所述铁素体耐热不锈钢在1050℃的抗拉强度≥20MPa，屈服强度≥20MPa。在本专利技术抗高温氧化的铁素体耐热不锈钢的成分设计中：C：碳固溶在钢中可以提高钢的强度，但碳化物析出后强度下降，热强性随碳含量增加而降低。然而C含量不能太高，汽车在正常使用过程中，发动机温度处于高温和室温的交替状态，与发动机连接的高温端部件也同时经历很大的温度变化，要求材料具有一定的组织稳定性和高的热疲劳性能，C含量太高，在高温使用中，C原子容易偏聚，或与其他原子结合，形成原子团簇或析出相，改变材料的力学性能，恶化热疲劳性能。因此本专利技术钢中碳含量控制在0.02wt％以下。N：氮在不锈钢中的溶解度有限，为减少氮化物的形成，氮含量控制在0.015％以下。Nb、W、Ti、稀土元素的含量控制：1)Nb在铁素体耐热不锈钢中以析出物存在，高温时溶解以置换固溶原子存在，提高钢的室温强度和高温强度。本专利技术中铌含量控制在0.35～0.6％；2)W：在铁素体耐热钢中加钨有两个目的：一是强化a相固溶体，提高固溶体的再结晶温度，阻碍扩散；另一方面是产生弥散强化或者以复杂的碳化物形式出现，或者是以富钨的金属间化合物形式出现，因此对提高耐热钢的热强性都有较好的作用。本专利技术中钨含量控制在0.3～0.8％。3)Ti：这里Ti的一个作用是形成碳氮化物改善钢的强度，另一个作用是提高铁素体不锈钢的焊接性，主要机理是析出细化机制，Ti在高温下形成TiN或TiC的细小析出相，以此来改善钢的综合性能。本专利技术中钛含量控制在0.1～0.2％；4)Re：稀土元素对提高不锈钢的抗氧化性能和抗蠕变性有较为明显的作用。稀土元素的氧化物可以增加基体金属与氧化膜之间的附着力，因为稀土氧化物对基体金属有钉轧作用。稀土金属Re能降低Cr2O3的挥发，改善氧化物的组成，形成稳定的含稀土的氧化膜。稀土元素的加入量不宜过多，否则会恶化钢的质量，因此稀土元素的加入量控制在0.05～0.13％范围内；5)稀土元素主要用于提高抗高温氧化性能，但同时稀土的加入，不可避免降低钢的强度，目前022Cr18NbTi铁素体不锈钢的高温强度已不满足要求，稀土加入后，强度进一步降低，越发不能满足用户的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗高温氧化的铁素体耐热不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.007～0.02％，Si≤0.5％，Mn≤0.5％，Cr：17～20％，P<0.02％，S<0.02％，Ti：0.1～0.2％，Nb：0.3～0.6％，W：0.3～0.8％，Re：0.05～0.13％，0.007％<N<0.02％，0.9％≤Nb+W+Ti‑Re≤1.3％，4.5％≤(Nb+W+Ti)/10(C+N)≤7.5％，其余为Fe和不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种抗高温氧化的铁素体耐热不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：
0.007～0.02％，Si≤0.5％，Mn≤0.5％，Cr：17～20％，P<0.02％，S<0.02％，
Ti：0.1～0.2％，Nb：0.3～0.6％，W：0.3～0.8％，Re：0.05～0.13％，0.007％<N
<0.02％，0.9％≤Nb+W+Ti-Re≤1.3％，4.5％≤(Nb+W+Ti)/10(C+N)≤7.5％，
其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的抗高温氧化的铁素体耐热不锈钢，其特征在于，
所述铁素体耐热不锈钢的使用温度≤1050℃，所述铁素体耐热不锈钢在
1050℃的抗拉强度≥20MPa，屈服强度≥20MPa。
3.一种抗高温氧化的铁素体耐热不锈钢的制造方法，包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
铁素体耐热不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.007～0.02％，
Si≤0.5％，Mn≤0.5％，Cr：17～20％，P<0.02％，S<0.02％，Ti：0.1～0.2％，
Nb：0.3～0.6％，W：0.3～0.8％，Re：0.05～0.13％，0.007％<N<0.02％，
0.9％≤Nb+W-Re+Ti≤1.3％，4.5％≤(Nb+W+Ti)/10(C+N)≤7.5％，其余
为Fe和不可避免的杂质；按上述成分经冶炼，连铸或模铸后获得铸
坯；
2)锻造
所得铸坯冷却后加热至1190～1210℃，保温90～100min，锻造成方
坯，锻后进行空冷；
3)热轧
去除表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志霞，毕洪运，李鑫，刘春粟，常锷，
申请(专利权)人：宝钢不锈钢有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31