[发明专利]一种沉淀强化高碳奥氏体耐热钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料及材料制备领域，涉及一种具有高体积分数且尺寸细小稳定的碳化物沉淀强化新型奥氏体耐热钢，具体涉及一种沉淀强化高碳奥氏体耐热钢，特别适用于高温工况下长期使用的部件，如乙烯生产中的裂解炉管与制氢转化炉管、火力发电机组中煤粉燃烧器喷嘴与锅炉再热器、玻璃纤维行业中的离心器等部件。

背景技术

合金在高温工况下长期服役时，较高体积分数的碳化物是合金获得良好高温强度的重要保障。目前在高温下使用的耐热钢普遍具有较高的Cr、C含量，通过在晶界处形成大尺寸的初生Cr₂₃C₆及晶界处析出细小弥散分布的二次Cr₂₃C₆而使合金获得优异的高温强度性能。然而，合金在高温或低温高应力条件下长期服役时，Cr₂₃C₆具有较高的粗化长大倾向，进而导致合金性能随着使用时间的延长而迅速下降。此外，晶界处形成较大尺寸的Cr₂₃C₆会造成其界面处Cr元素贫瘠，进而导致合金出现敏化现象，对材料抗腐蚀性能造成不利影响。为使合金在高温下获得更加稳定的组织与性能，近年来人们进行了一系列尝试，结果证实Nb元素的添加可以在晶界形成与碳化铬交替分布的NbC。由于后者在高温下十分稳定，在服役期间其尺寸变化不大，同时在很大程度上抑制了Cr₂₃C₆的粗化长大。其中，最具有代表性的是向HP40合金铸管中添加少量的Nb元素，得到具有更高组织稳定性及持久塑性的HP40Nb合金，从而使材料获得更长的服役寿命。

尽管如此，目前使用的高C含量奥氏体钢中碳化物尺寸仍然较大。这些碳化物在凝固过程中由液相直接形成，无法通过固溶处理将其消除。这些粗大的初生碳化物往往会带来许多其它问题，例如合金在变形过程中其阻碍位错移动，进而导致位错塞积并造成应力集中，最终促进裂纹萌生并沿碳化物扩展；同时，合金在热应力作用下较大尺寸的碳化物也会对合金的热疲劳性能造成较大的不利影响；此外，较大尺寸的碳化物也会对合金的加工性能带来较高难度。因此，在保证碳化物体积分数的基础上，进一步改善合金组织尤其是细化碳化物尺寸，对材料的加工及使用性能具有重要影响。

向合金钢液中添加变质剂可以使合金铸态组织得到显著细化，但变质剂的加入有可能以夹杂的形式存在于合金中，对材料的力学性能造成严重危害。稀土元素的添加可以从液相中形成稀土碳化物，进而作为形核质点促进碳化物尺寸细化。然而，少量加入稀土元素对合金组织细化的效果有限，而过量加入稀土则会对合金性能带来不利影响。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种沉淀强化高碳奥氏体耐热钢，通过调整Ti、Nb质量百分含量，确保合金凝固时TiC作为形核质点而起到充分细化碳化物的效果；同时，确保合金中含有足够体积分数的MC型碳化物，从而获得稳定的合金组织性能的目的。

为了实现以上发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种沉淀强化高碳奥氏体耐热钢，按质量百分数计，该耐热钢成分中各元素含量满足：C：0.5～0.8％，Cr：24～28％，Ni：35～50％，Co：≤3.0％，Mn：≤2.0％，Si：1.5～3.0％，Nb：≤1.5％，W：≤7.5％，Ti：0.5～2.5％，余量为Fe；其中，Ti、Nb质量百分比含量满足Ti/Nb≥0.7；同时，Ti+Nb≥2。

本发明进一步的改进在于，按质量百分数计，该耐热钢成分中各元素含量满足：C：0.5～0.8％，Cr：24～28％，Ni：35～50％，Co：≤3.0％，Mn：≤2.0％，Si：1.5～3.0％，Nb：≤1.5％，W：5≤7.5％，Ti：0.5～2.5％，余量为Fe；其中，Ti、Nb质量百分比含量满足Ti/Nb≥0.7；同时，Ti+Nb≥2。

本发明进一步的改进在于，该耐热钢的铸态组织由奥氏体基体以及(Nb,Ti)C与Cr₂₃C₆两种碳化物构成；并且碳化物体积分数不低于12％，且(Nb,Ti)C占碳化物体积百分比不低于30％。

本发明进一步的改进在于，所述(Nb,Ti)C均匀弥散分布于晶粒内部，其平均尺寸不超过5微米；Ti作为形核质点存在于(Nb,Ti)C颗粒中心位置，并且其平均尺寸不大于1微米；Cr₂₃C₆；呈鱼骨状弥散分布于晶内，其平均尺寸小于10微米。