[发明专利]一种抗高温氧化铁素体耐热钢棒材及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于耐热钢棒材技术领域，特别是涉及一种抗高温氧化铁素体耐热钢棒材及其制备方法，主要适用于冶金、能源、机械、化工等领域。

背景技术

随着蒸汽锅炉、电站、燃气轮机以及航空发动机的发展，为了满足各种部件在较高温度下工作的需要，冶金材料工作者在低碳钢基础上发展了一系列具有较高热强性和抗氧化性能的耐热钢。这些耐热钢按照组织可以分为珠光体型耐热钢、马氏体型耐热钢、奥氏体型耐热钢、铁素体型耐热钢以及沉淀硬化型耐热钢。珠光体型耐热钢通常属于低合金耐热钢，最早是在低碳钢中加入了0.5％Mo，使钢的热强性明显提高，随后在蒸汽锅炉上得到了应用。20世纪60年代我国研制的多元合金化的珠光体耐热钢其工作温度可达600～620℃，用于制造火力发电站的过热器管和再热器；马氏体型耐热钢以12％Cr型为主，这类钢有优良的综合力学性能、较好的热强性、耐蚀性及振动衰减性，广泛用来制造汽轮机叶片、转子、燃气轮机涡轮盘、叶片、航空发动机压气机叶片、轮盘以及宇航导弹部件等，工作温度为550～650℃；铁素体型耐热钢中含Cr量通常超过12％，这类钢具有优异的耐大气腐蚀、应力腐蚀性能，在一定的酸、碱、盐溶液中也有一定的耐腐蚀能力，因此这类钢也可以作为一类优异的不锈钢使用；奥氏体型耐热钢在室温和工作温度下的组织都是奥氏体，在高温下具有较高的热强性以及优异的抗氧化性，一般用于制作600℃以上承受较高应力的部件，其抗氧化温度可达850～1250℃；沉淀硬化型耐热钢以17-4PH和15-5PH为代表，这类钢在540～650℃范围内具有较高的热强性和足够的抗氧化性。

燃料电池是继水力发电、热能发电、核能发电之后的第四代发电技术，它是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。燃料电池被视为最有效率的和万能的发电体系，能应用于各种环境的不同领域，被人们称为21世纪的可再生绿色能源，并引起了各国科学界的广泛兴趣。燃料电池中有一种固体氧化物燃料电池，是一种全固态部件的燃料电池，电解质为固体氧化物。它除了具备有高效的能量转换率、低的污染等特点之外，还具有可以直接使用燃气、电解质方便处理和能够制作成想要的复杂几何结构等特点，是燃料电池中重要的一类。燃料电池的单体电池的功率是有限的，只能够产生1V左右的电压，为了得到大功率的电池组，我们必须把单体的燃料电池以各种方式(串联、并联或混联)链接起来，这就需要连接体材料。连接体材料作为相连电池电子传递的桥梁，要求具有极高的电子传导能力，并且致密，在阳极和阴极气氛内具有极高的化学稳定性和机械稳定性，且与其他电池元件的膨胀系数相匹配。在目前所研究的连接体材料中，与燃料电池中电解质的膨胀系数最接近的就是铁素体耐热钢，同时铁素体耐热钢又具有良好的导电性，优异的抗高温氧化特性，在燃料电池的工作温度下具有极高的稳定性，因此成为燃料电池连接体材料的首选材料。在这一类铁素体耐热钢中，世界上的研究多集中于Cr含量为22％的Crofer22和Cr含量为17％的AISI 430不锈耐热钢。这两类钢都具有较低的膨胀系数，可以与固体电解质材料很好的结合，同时又具有良好的抗高温氧化特性，在700～1000℃氧化增重较少。但Crofer22耐热钢中含Cr量较高，在高温下会有少量的Cr挥发，产生有毒气体，使其进一步应用受到了限制。而含Cr量在17％左右的铁素体耐热钢除了具有Crofer22钢的优点外，还克服了Crofer22钢阴极毒性问题，成为最有潜力的一种连接体材料。本发明旨在研制一种新型抗高温氧化铁素体耐热钢，具有较低的膨胀系数，且具有比AISI430更好的抗高温氧化特性，可以作为燃料电池连接体材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗高温氧化铁素体耐热钢棒材及其制备方法。获得了具有高纯净度、低膨胀系数、良好抗氧化性的铁素体耐热钢棒材。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

本发明的耐热钢棒材采用真空感应炉冶炼，其化学成分组成重量百分比为：C：0.05～0.15％，Si：0.50～1.20％，Mn：0.30～1.10％，P≤0.030％，S≤0.020％，Cr：16.50～18.50％，Al：0.20～0.50％，(La+Ce)：0.005～0.05％，其中氧含量不大于40ppm(即≤0.004％)。其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明的工艺包括真空冶炼、锻造；在工艺中控制如下技术参数：

钢锭开坯温度1155～1175℃，开锻温度1140～1160℃，终锻温度：880～920℃，锻后空冷。锻造后的棒材具有夹杂物少、强度高和良好的抗氧化性能。