高性能耐高温铁素体不锈钢的制备方法有哪些

本发明涉及一种合金材料,更具体地说，它涉及一种高性能耐高温铁素体不锈钢及其制备方法。

背景技术：

我国汽车工业正在高速发展，据预测，今后相当时期内仍将以20%以上的速度发展。目前市场上平均每辆轿车用不锈钢40-50kg，其中排气系统用30kg左右。这是一个不锈钢大市场，为了争夺市场，不锈钢生产厂不断开发新钢种。随着汽车发动机性能的提高，气体排放温度越来越高，发动机排气管、涡轮增压器壳体的工作温度提高到900℃以上，甚至到达1000℃。常规的不锈钢材料已经不能满足耐高温的要求。

现有技术中，用于汽车排气系统最常用的不锈钢材料为奥氏体系列不锈钢和铁素体系列不锈钢。其中，常规耐高温铁素体不锈钢，具有良好的高温稳定性、抗热冲击性能和抗高温氧化性，但由于其常温和高温强度较低，影响了其应用，只用于最高温度935℃工作条件；耐高温奥氏体不锈钢，具有良好的高温力学性能，最高工作温度可达1000℃，但由于奥氏体的热导率低，热膨胀系数高，抗高温氧化性较差，影响了材料的使用寿命，并且由于含有较高的金属ni元素，导致材料成本高。有研究，在含有适量cr的铁素体不锈钢基础上添加nb和mo元素，可以使得在维持铁素体不锈钢良好的热导率、低热膨胀系数、良好的高温稳定性基础上，常温和高温下的综合力学性能有所提升，但综合力学性能距离奥氏体不锈钢尚有大的差距。

综上，如何提供一种可以耐1000℃工作温度，既能具有奥氏体耐热不锈钢的综合力学性能，又能兼具耐高温铁素体不锈钢良好的抗高温氧化性、抗热冲击性，并且成本相对低廉的新型耐高温不锈钢材料，是本领域技术人员仍待解决的技术难题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高性能耐高温铁素体不锈钢，具有良好常温和高温力学性能，良好抗高温热冲击性能、抗高温氧化性能，且成本相对低廉。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种高性能耐高温铁素体不锈钢，其特征在于，各组分重量百分比为：c≤0.5%，si0.2-2.6%，mo0.2-2.0%，cr17-27%，nb0.2-1.8%，v0.05-0.6%，ti0.1-0.7%，其余为fe和在不锈钢中出现的不可避免的杂质，杂质（mn、ni、s、p）总量≤2.5%。

优选的，各组分重量百分比为：c0.15%，si1.5%，mo1.5%，cr19%，nb0.9%，v0.15%，ti0.3%，其余为fe和在不锈钢中出现的不可避免的杂质，杂质（mn、ni、s、p）总量≤2.5%。

为实现上述目的，本发明还提供一种高性能耐高温铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.配料、熔化，按照上述目标成分配置合金，在标准容量500公斤的中频感应电炉内中加入低碳铬铁(60%cr)和废钢，待金属熔化后，通过加入工业硅铁、工业钼铁、铌铁、钒铁、铁钛中间合金达到以上设计成分，熔炼过程中，通过直读光谱仪，检测合金化学成分；

b．钢水处理，待钢液达到熔炼工艺温度扒渣,按常规方法脱氧、精炼；

c.出钢水、浇注，在1570℃时，出钢水，在覆膜砂壳型重力浇注条件下进行浇注，浇注过程中采用覆盖剂保护钢水防止氧化。

本发明与现有技术相比具有：

（1）本不锈钢合金材料中：cr含量在17%-27%，组织是铁素体，该铁素体不锈钢不含ni（杂质中可能会包含微量的ni,但不作为合金元素），降低成本；在高温条件下尺寸稳定、抗氧化能力强，热膨胀系数低，相对于奥氏体不锈钢，铁素体成本较低；硅（si）为促进石墨化元素，硅元素能在铸铁表面可以形成一层致密的sio2氧化膜，进而抵抗材料的进一步氧化；钼（mo）元素的加入可以促进铁素体形成，显著提高材料在900℃条件下的屈服强度和高温抗氧化能力；在没有mo元素存在的情况下，si含量的持续提高(0.8%以至更高)可以持续提高材料在950℃下的抗氧化性，但本发明在有mo元素同时加入的情况下，只需要少量的si加入即可以获得良好的抗氧化效果；cr和si元素的加入，通过在高温下形成cr2o3和sio2保护膜，可以阻止材料的进一步被氧化；nb元素，可使铁素体不锈钢的常温力学性能和高温力学性能得到显著提升；研究表明，fe-nb化合物在晶界的析出，使得合金在高温下的蠕变抗力增大；金属钒(v)，在中国储量丰富，材料简单易取，少量v元素加入铁素体不锈钢，可以形成细小的vc化合物颗粒，细化晶粒，从而提升不锈钢的常温和高温力学性能；金属钛(ti)能使不锈钢的内部组织致密，细化晶粒，从而可以改善不锈钢的总和力学性能。

（2）本发明在覆膜砂壳型重力浇注条件下，铸态组织以铁素体为基体，耐1000℃工作温度，既能具有奥氏体耐热不锈钢的综合力学性能，又能兼具耐高温铁素体不锈钢良好的抗高温氧化性、抗热冲击性，并且成本相对低廉的新型耐高温不锈钢材料，合金室温抗拉强度、伸长率分别大于、6.0%，在1000℃条件下的，抗拉强度大于15mpa，1000℃条件下的平均氧化速度小于0.1g.m-2.h-1)，具有良好的铸造成型性能，材料的铸态组织以铁素体为基体。

（3）本发明在有限度提高铁素体不锈钢合金成本的情况下，保持了耐热铁素体不锈钢的高温稳定性、良好的抗高温氧化性的前提下，显著提升了常温和高温力学性能，与奥氏体不锈钢相比，高温稳定性强、抗高温氧化性强，材料成本下降；与铁素体不锈钢相比，常温和高温强度显著提高，具有实质性的进步。

具体实施方式

实施例1：

一种高性能耐高温铁素体不锈钢，各组分重量百分比为：c0.5%，si0.2%，mo0.2%，cr27%，nb0.2%，v0.05%，ti0.7%，其余为fe和在不锈钢中出现的不可避免的杂质，杂质（mn、ni、s、p）总量≤2.5%。其具体制备步骤如下：

a.配料、熔化，按照上述目标成分配置合金，在标准容量500公斤的中频感应电炉内中加入低碳铬铁(60%cr)135公斤，废钢155公斤，待金属熔化后，通过加入工业硅铁、工业钼铁、铌铁、钒铁、铁钛中间合金达到以上设计成分，熔炼过程中，通过直读光谱仪，检测合金化学成分；

b．钢水处理，待钢液达到熔炼工艺温度扒渣,按常规方法脱氧、精炼；

c.出钢水、浇注，在1570℃时，出钢水，在覆膜砂壳型重力浇注条件下进行浇注，浇注过程中采用覆盖剂保护钢水防止氧化。

应用效果：采用覆膜砂壳型重力浇注条件下，铸造条件下合金室温抗拉强度、伸长率分别为、7.0%，在1000℃条件下的，抗拉强度为19mpa，1000℃条件下的平均氧化速度0.085g.m-2.h-1)，铸态下，以铁素体为主，可以含少量珠光体，并将其发动机排气管，在1000℃工作温度下可以正常工作，达到设计要求。

实施例2：

一种高性能耐高温铁素体不锈钢，各组分重量百分比为：c0.1%，si2.6%，mo2.0%，cr17%，nb1.8%，v0.6%，ti0.1%，其余为fe和在不锈钢中出现的不可避免的杂质，杂质（mn、ni、s、p）总量≤2.5%。其具体制备步骤如下：

a.配料、熔化，按照上述目标成分配置合金，在标准容量500公斤的中频感应电炉内中加入低碳铬铁(60%cr)85公斤，废钢210公斤，待金属熔化后，通过加入工业硅铁、工业钼铁、铌铁、钒铁、铁钛中间合金达到以上设计成分，熔炼过程中，通过直读光谱仪，检测合金化学成分；

b．钢水处理，待钢液达到熔炼工艺温度扒渣,按常规方法脱氧、精炼；

c.出钢水、浇注，在1570℃时，出钢水，在覆膜砂壳型重力浇注条件下进行浇注，浇注过程中采用覆盖剂保护钢水防止氧化。

应用效果：采用覆膜砂壳型重力浇注条件下，铸造条件下合金室温抗拉强度、伸长率分别为、7.5%，在1000℃条件下的，抗拉强度21mpa，1000℃条件下的平均氧化速度0.092g.m-2.h-1)，铸态下，以铁素体为主，可以含少量珠光体，并将其发动机排气管，在1000℃工作温度下可以正常工作，达到设计要求。

实施例3：

一种高性能耐高温铁素体不锈钢，各组分重量百分比为：c0.15%，si1.5%，mo1.5%，cr19%，nb0.9%，v0.15%，ti0.3%，其余为fe和在不锈钢中出现的不可避免的杂质，杂质（mn、ni、s、p）总量≤2.5%。其具体制备步骤如下：

a.配料、熔化，按照上述目标成分配置合金，在标准容量500公斤的中频感应电炉内中加入低碳铬铁(60%cr)95公斤，废钢200公斤，待金属熔化后，通过加入工业硅铁、工业钼铁、铌铁、钒铁、铁钛中间合金达到以上设计成分，熔炼过程中，通过直读光谱仪，检测合金化学成分；

b．钢水处理，待钢液达到熔炼工艺温度扒渣,按常规方法脱氧、精炼；

c.出钢水、浇注，在1570℃时，出钢水，在覆膜砂壳型重力浇注条件下进行浇注，浇注过程中采用覆盖剂保护钢水防止氧化。

应用效果：采用覆膜砂壳型重力浇注条件下，铸造条件下合金室温抗拉强度、伸长率分别为、8.0%，在1000℃条件下的，抗拉强度22mpa，1000℃条件下的平均氧化速度0.082g.m-2.h-1)，铸态下，以铁素体为主，可以含少量珠光体，并将其发动机排气管，在1000℃工作温度下可以正常工作，达到设计要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结

本发明公开了一种高性能耐高温铁素体不锈钢，其技术方案要点是，各组分重量百分比为：C≤0.5%，Si0.2‑2.6%，Mo0.2‑2.0%，Cr17‑27%，Nb0.2‑1.8%，V0.05‑0.6%，Ti0.1‑0.7%，其余为Fe和在不锈钢中出现的不可避免的杂质，杂质（Mn、Ni、S、P）总量≤2.5%，本发明旨在提供一种高性能耐高温铁素体不锈钢，具有良好常温和高温力学性能，良好抗高温热冲击性能、抗高温氧化性能，且成本相对低廉。

技术研发人员：王业双

受保护的技术使用者：王业双

技术研发日：2017.09.05

技术公布日：2018.02.09