耐热铁基合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种耐热铁基合金及其制备方法，属于合金技术领域，该合金材料的组成及质量百分比为，C0.01～0.3％、Mn0～2％、Si0.1～2％、P＜0.03％、S＜0.03％、Cr16～26％、Ni29～39％、Nb0.2～2％、Ti0.01～0.3％、Zr0.01～0.3％、Al0.01～0.05％、Re0～1％，余量为铁，该合金特别适合制造用于高温工作的装置，使用时效增加且具有很高的韧性；无脆性断裂倾向；蠕变伸长率确保了安全使用，但蠕变伸长率低至防止使用中的过度变形；适合高温下连续使用；具有良好的抗渗碳性和焊接性；具有优良的抗氧化性，延长了产品的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
耐热铁基合金及其制备方法
本专利技术涉及一种耐热铁基合金及其制备方法，尤其涉及一种适合在600-1250℃使用的耐热铁基合金，该合金具有持久性能，能够替代目前使用的主流合金，用来制造高温工作的装置，例如转化炉的热壁集气管以及相关配件等，其属于合金

技术介绍
转化炉是石化工业中结构复杂且工作条件较为苛刻的一种大型设备装置，集气管是转化炉装置的核心部件之一，其中热壁集气管用于反应气体的收集，具有温度高、压力高等特性，因此对热壁集气管材料的耐高温蠕变性能和耐高温腐蚀提出了更高的要求。首先，转化炉的装置要在高温条件下(如650-950℃范围内)长期服役，以及在服役过程中经受较大的温度梯度和骤冷的影响，对其材料的高温蠕变和高温塑性要求很高。在长期高温工况下，材料微观组织会发生结构变化，如析出物的数量的增长和体积扩大等，此微观变化会造成材料的耐蠕变性能和高温塑性下降，从而产生因蠕变裂纹或者脆性裂纹而导致的材料装置失效。其次，材料的耐高温氧化和耐腐蚀能力也是主要的性能指标。炉管在使用中，外壁长期暴露于高温空气中，氧化速率较快，因此对材料的抗氧化性能有很高的要求。同时炉管内的气体也会对炉管内壁有一定的腐蚀作用，造成炉管壁厚减薄，影响使用。能满足要求并在工业领域应用的合金牌号不多，主要为800、800H以及20Cr32Ni合金。其中800，800H为变形耐热合金，通常含0.08％的C，32％的Ni和大约21％的Cr。变形耐热合金因为成品率低，成本高，生产周期长，并且高温持久性能不如20Cr32Ni合金，已经退出主流市场，转而被20Cr32Ni合金代替。20Cr32Ni合金为铸造合金，生产周期短，成本低，目前广泛应用于热壁转化炉市场。20Cr32Ni铸造高温合金中，最具代表性为上世纪70年代玛努尔工业集团首先开发推出的专利合金MAN900(USPatent3,833,358)。MAN900已在世界范围被广泛应用，其性能及表现在行业内被认可。材料成分为C0.1％，Ni32％和Cr20％的铸造耐热合金，其具有优异的高温耐持久性能，抗热冲击性能，时效后仍具有很好的延伸率，高温耐腐蚀性能和可焊性特性，可以保证其在苛刻的工况下满足使用要求。但随着工业转炉更高设计要求的提出，市场期待一种高温力学性能更为优异的产品，能保证在同样的工况下，降低产品的设计壁厚，或者延长装置的使用寿命。为了满足这样的需求，材料的高温力学性能需要进一步提高，尤其是其高温持久性能。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术中存在的不足，提供一种耐热铁基合金及其制备方法。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种耐热铁基合金，该合金材料的组成及质量百分比为，C0.01～0.3％、Mn0～2％、Si0.1～2％、P＜0.03％、S＜0.03％、Cr16～26％、Ni29～39％、Nb0.2～2％、Ti0.01～0.3％、Zr0.01～0.3％、Al0.01～0.05％、Re0～1％，余量为铁。C:C为碳化物形成元素，本专利技术的高温力学性能主要是通过碳化物的析出强化机制而实现的。C与中强碳化物形成元素(Cr、Mo)或强碳化物形成元素(Ti、V、Nb)等形成碳化物M7C3、M23C6和MC等。在高温时效过程中，基体中过饱和的固溶碳以细小弥散的二次M23C6形式析出，从而提高合金的持久性能。但碳含量过高会降低合金的韧性，需要恰当的选择C的含量，从而保证材料的高温持久性能和高温塑性，本专利技术合金中C的含量控制在0.01～0.3％。Mn:能够改善焊接性能，减慢碳的扩散，但是促进σ相析出，加入量过多会降低合金的抗氧化性能以及促进σ相析出，一般控制3％以下。Si:在钢水冶炼过程中，Si作为强脱氧剂能降低钢水中氧含量，从而提高钢水纯净度。在材料高温服役过程中，适当的Si含量可以使材料具有良好的抗氧化性能和抗渗碳性能。Si与O的结合力要大于Cr，在合金与Cr一样可以形成钝化膜SiO2，它的抗氧化性能高于Cr2O3,但Si含量超过2％后会导致合金的力学性能变差，影响焊接性能。同时Si是促进σ相析出元素，加入量过多将降低持久寿命。Cr:其为抗高温氧化和抗高温腐蚀的主要元素，能提高钢的热强度。Cr作为中强碳化物形成元素，形成M7C3、M23C6等碳化物会起到时效强化，和晶界强化的作用。当钢种的Cr含量足够时会在钢表面形成一层致密的氧化膜。氧化膜的作用：一定程度上阻止O、S、N向钢中扩散，同时阻止金属离子向外扩散；抑制焦炭沉积，增加渗碳抗性。Ni:是耐热合金中最重要的合金元素之一，Ni的主要作用是稳定γ区，使合金获得完全的奥氏体组织，进而使合金具有很高的强度和塑性、韧性的配合，并且保证合金具有较好的高温强度及蠕变抗力。Ni含量的增加不仅可以完全消除残余的铁素体，而且也可以显著降低σ相形成的倾向。Nb:析出强化元素之一，降低蠕变速率，提高抗蠕变性能；同时Nb也是碳化物M7C3、M23C6和MC的主要形成元素之一，其碳化物在高温下十分稳定，Nb也能形成碳氮化物改变碳化物形态，细化M23C6使其均匀弥散分布，进而提高合金的高温蠕变强度。Ti:在产品高温时效过程中，二次析出碳化物逐渐出现,Ti元素的加入，能提高二次析出物M23C6热动力学稳定性，从而使其长时间保持均匀弥散分布，进而提高合金的高温抗蠕变强度；此外，Ti能抑制一次析出物MC转变成G相，间接的提高了一次析出物的稳定性，同样能提高合金的高温蠕变强度。Zr:作为强氧化剂，Zr的添加能在钢水冶炼过程中降低钢水中氧含量，从而保证其他核心元素的吸收；同时Zr偏析于枝晶晶界，能起到晶界的强化作用，抑制晶界的位错运动，从而提高持久寿命和改善持久的塑性，消除缺口敏感性。Re稀土元素:稀土元素是指元素周期表的La至Lu的15种镧系元素再加上Y和Sc的17种元素，本专利技术的耐热合金中稀土元素包括Ce，Y和Hf的至少一种以上。该稀土元素有助于细化和稳定二次析出相，从而提高材料高温力学性能。另外，稀土元素也有助于促进氧化铬和氧化硅为主的氧化层的致密程度，从而提高产品的高温抗氧化性能。一种耐热铁基合金制备方法，包括以下步骤，步骤一，按照目标化学成分选取质量百分比为C0.01～0.3％、Mn0～2％、Si0.1～2％、P＜0.03％、S＜0.03％、Cr16～26％、Ni29～39％、Ti0.01～0.3％、Nb0.2～2％、Zr0.01～0.3％、Al0.01～0.05％、Re0～1％，余量为铁，然后按照特定的投料顺序，投入到中频炉中进行熔料和冶炼；步骤二，将步骤一种熔料和冶炼的钢水进行精炼，得到高质量钢水；步骤三，在步骤二中得到的高质量钢水中加入微合金元素，包括Ti，Zr和稀土元素，并进行惰性气体保护，隔绝空气；温度提高到1640℃后，准备浇铸；步骤四，将步骤三中处理后的高质量钢水通过离心浇铸，砂型铸造，或精密铸造的方式进行浇铸，制备耐热铁基合金制品；步骤五，将步骤四得到的耐热铁基合金制品进行检验，确保产品宏观组织结构满足技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐热铁基合金，其特征在于：该合金材料的组成及质量百分比为，C0.01～0.3％、Mn0～2％、Si0.1～2％、P＜0.03％、S＜0.03％、Cr16～26％、Ni29～39％、Nb0.2～2％、Ti0.01～0.3％、Zr0.01～0.3％、Al0.01～0.05％、Re0～1％，余量为铁。/n

【技术特征摘要】
1.一种耐热铁基合金，其特征在于：该合金材料的组成及质量百分比为，C0.01～0.3％、Mn0～2％、Si0.1～2％、P＜0.03％、S＜0.03％、Cr16～26％、Ni29～39％、Nb0.2～2％、Ti0.01～0.3％、Zr0.01～0.3％、Al0.01～0.05％、Re0～1％，余量为铁。


2.根据权利要求1所述的耐热铁基合金，其特征在于：所述该合金的高温持久性能在600～1100℃较常见其他产品有大幅度的提升。


3.根据权利要求1所述的耐热铁基合金，其特征在于：所述Nb为析出强化元素之一，降低蠕变速率，提高抗蠕变性能；所述Nb是碳化物M7C3、M23C6和MC的主要形成元素之一，其碳化物在高温下十分稳定，Nb也能形成碳氮化物改变碳化物形态，细化M23C6使其均匀弥散分布，进而提高合金的高温蠕变强度。


4.根据权利要求1所述的耐热铁基合金，其特征在于：所述Ni稳定γ区，使合金获得完全奥氏体组织，稳定奥氏体结构以保证合金的高温持久和力学强度，消除残余铁素体，降低σ相析出倾向，降低钢的耐蚀性。


5.根据权利要求1所述的耐热铁基合金，其特征在于：所述Cr作为中强碳化物形成元素在600～1250℃范围有良好的高温耐氧化性。


6.根据权利要求1所述的耐热铁基合金，其特征在于：所述Ti在产品高温时效过程中，二次析出碳化物逐渐出现，Ti元素的加入，能提高二次析出物M23C6热动力学稳定性，从而使其长时间保持均匀弥散分布，进而提高合金的高温抗蠕变强度；所述Ti能抑制一次析出物MC转变成G相，间接的提高了一次析出物的稳定性，同样能提高合金的高温蠕变强度。

【专利技术属性】
技术研发人员：张明昊，都坤，裴健，隋云，丁天臻，叶国蔚，
申请(专利权)人：烟台玛努尔高温合金有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37