一種添加納米粒子的含銅強(qiáng)化鋼及制備方法
【專利摘要】一種添加納米粒子的含銅強(qiáng)化鋼及制備方法，該含銅強(qiáng)化鋼包括納米氧化鋁、銅、硅、碳、錳、鋁、鎳、磷、氧、氮和硫，余量為鐵。在真空熔煉爐內(nèi)精煉無(wú)氧銅和納米氧化鋁粒子的混合物，在5.0x10-3Pa和施加電磁攪拌條件下，熔煉成中間合金；按權(quán)利要求1所述的成分比例配制合金，把中間合金加入配制好的合金中，在真空熔煉爐內(nèi)精煉得到鑄坯；經(jīng)過(guò)變形和回火處理，獲得強(qiáng)化相銅均勻分布的強(qiáng)化鋼。該含銅強(qiáng)化鋼具有優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性、熱成型性和機(jī)械性能。
【專利說(shuō)明】一種添加納米粒子的含銅強(qiáng)化鋼及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種奧氏體型高強(qiáng)度、高韌性的添加納米粒子的含銅強(qiáng)化鋼及其制備方法，所制備的含銅強(qiáng)化鋼是超超臨界電站鍋爐的過(guò)熱器、再熱器管道的首選材料。
【背景技術(shù)】
[0002]為了提高火力發(fā)電的熱效率，減少CO2排放，大力發(fā)展高參數(shù)、大容量的超超臨界(USC)電站已是世界電力工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。而我國(guó)電站中常用的低合金鐵素體鋼、9% -12% Cr型馬氏體鋼及通常的18/8型奧氏體鋼，無(wú)論在高溫強(qiáng)度或者抗氧化性能方面都已無(wú)法滿足要求，只有發(fā)展既具有良好的高溫性能，又具有相對(duì)較低成本的新型奧氏體耐熱鋼才能滿足超超臨界電站對(duì)高溫材料的需求。經(jīng)過(guò)多年的研究和開(kāi)發(fā)，目前已經(jīng)有多種奧氏體耐熱鋼被開(kāi)發(fā)出來(lái)并得到了應(yīng)用，其中主要利用富銅相并輔以MX相和M23C6碳化物析出相強(qiáng)化的18Cr9Ni3CuNbN(超級(jí)304H鋼)奧氏體型高強(qiáng)度耐熱鋼的高溫強(qiáng)度鋼，抗氧化、焊接和加工性能均良好，目前已作為超超臨界電站鍋爐的過(guò)熱器、再熱器管道的首選材料而在全世界范圍內(nèi)被廣泛使用。
[0003]現(xiàn)已證實(shí)超級(jí)304H鋼中最主要的強(qiáng)化相是富銅納米相。由于純凈鋼中碳、氮含量極低，傳統(tǒng)的微合金化元素的作用無(wú)法得到充分發(fā)揮。因此在材料合金化設(shè)計(jì)時(shí)，需要選擇不依賴碳、氮的強(qiáng)化元素。銅是一種不需要C、N元素，即可在鋼中產(chǎn)生強(qiáng)烈析出強(qiáng)化效果的合金元素。同時(shí)，它的析出相具有良好的塑性，從而保證了鋼在具有高強(qiáng)度的同時(shí)具有高塑性。除此之外，它還能提高鋼的抗腐蝕和焊接性能，所以，Cu在高純凈鋼中是非常理想的強(qiáng)化元素。
[0004]在鋼中加入銅，可以提高鋼的耐蝕性、強(qiáng)度，改善焊接性、提高抗疲勞性、成型性與機(jī)加工性等。雖然銅在鋼中具有許多優(yōu)良的作用，但當(dāng)銅在鋼中的含量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，在鋼加熱到一般的熱加工溫度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的熱脆傾向，因此，鋼中銅的加入受到限制，長(zhǎng)期以來(lái)它在結(jié)構(gòu)鋼中只用作抗腐蝕元素。但當(dāng)鋼中銅含量低于0.6wt%時(shí)，無(wú)明顯的強(qiáng)化作用，只有銅的含量大于0.75wt%時(shí)，其強(qiáng)化作用才能顯現(xiàn)。隨著現(xiàn)代冶金技術(shù)的進(jìn)步，鋼材合金成分控制精度大大提高，雜質(zhì)元素含量明顯下降，鋼質(zhì)越來(lái)越純凈，含銅合金化鋼熱加工后，經(jīng)過(guò)時(shí)效處理，細(xì)小而彌散分布的析出物能使強(qiáng)度水平大幅度提高，同時(shí)高純凈的基體和高塑性的析出物顆粒保證了鋼的高強(qiáng)韌性。此外，可通過(guò)特定的熱處理與析出行為的配合來(lái)細(xì)化鋼的組織，以進(jìn)一步提高鋼材性能。
[0005]楊巖、程世長(zhǎng)等研究了銅含量對(duì)超級(jí)304H鋼持久性能的影響，對(duì)銅在鋼中的作用機(jī)理進(jìn)行了探討。他們用真空感應(yīng)爐的二次熔煉工藝獲得鋼錠，然后加熱到1100°c鍛成14mm xl4mm的方還和直徑15_的圓棒，通過(guò)固溶及時(shí)效工藝，進(jìn)行持久強(qiáng)度和持久塑性的測(cè)試。結(jié)果表明:隨銅含量的增加，鋼的持久強(qiáng)度增加，在4wt.%時(shí)強(qiáng)度和塑性均達(dá)到最高。鋼中的主要強(qiáng)化相為富銅相、M23C6、MC、M6C。在時(shí)效過(guò)程中，固溶于奧氏體基體的銅以細(xì)小彌散球狀的富銅相形式析出，形成富銅強(qiáng)化相。日本住友金屬公司認(rèn)為超級(jí)304H鋼的銅含量應(yīng)該在2.5%-3.5wt.%，最佳值為3.0%。李巖、宋波等等指出含MnS的Fe-8.13%Cu合金在1600°C淬火時(shí)，硫化錳能夠?yàn)殂~提供異質(zhì)形核核心，形成銅外包硫化錳的復(fù)合夾雜物。
[0006]劉正東及程世長(zhǎng)等人申請(qǐng)了發(fā)明專利《蒸汽溫度超超臨界火電機(jī)組用鋼及制備方法》，申請(qǐng)?zhí)?012105744451，提出了一種蒸汽溫度超超臨界火電機(jī)組用鋼及制備方法，屬于耐熱鋼【技術(shù)領(lǐng)域】。優(yōu)點(diǎn)在于，可用于650°C蒸汽參數(shù)超超臨界火電機(jī)組的G115鋼及其大口徑鍋爐管制備，室溫力學(xué)性能、沖擊性能、高溫力學(xué)性能和持久性能均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GB5310和ASME標(biāo)準(zhǔn)中的P92鋼。
[0007]目前已有的材料及制備技術(shù)中，存在的主要問(wèn)題是:由于富銅納米相在基體中分布不均勻，也不能有效控制納米相的析出，不能均勻制備高強(qiáng)度、抗氧化、焊接和加工性能均良好的強(qiáng)化鋼。因此，需要開(kāi)發(fā)一種具有異質(zhì)形核的高溫強(qiáng)度鋼及其制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了一種添加納米粒子的含銅強(qiáng)化鋼及制備方法，具有異質(zhì)形核的高溫強(qiáng)化鋼適合冷熱加工成零部件、鍛件、鑄件等，應(yīng)用廣泛。
[0009]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0010]一種添加納米粒子的含銅強(qiáng)化鋼，包括納米氧化鋁、銅、碳、錳、鋁、鎳、硼和鐵，各成分比例為:納米氧化招 0.01-0.1Owt.% ;銅 1.0 ~3.0wt.% ；--± 0.015-0.08wt.% ；碳 0.06-0.19wt.% ;錳 0.90-1.40wt.% ;鋁 0.90 ~1.30wt.% ;鎳 2.0 ~3.0wt.%，磷0.008-0.020wt.%，氧、氮和硫均小于0.006wt.%，余量為鐵。
[0011]在鋼中加入銅， 可以提高鋼的耐蝕性、強(qiáng)度，改善焊接性、提高抗疲勞性、成型性與機(jī)加工性等，是一種主要改性元素。銅的含量大于0.75wt%時(shí)，其強(qiáng)化作用才能顯現(xiàn)。隨銅含量的增加，鋼的持久強(qiáng)度增加，在3.0wt.%時(shí)強(qiáng)度和塑性均達(dá)到最高，高于3.0wt.%會(huì)在軋制時(shí)開(kāi)裂。鋼中的主要強(qiáng)化相為富銅相、M23C6、MC、M6C。在時(shí)效過(guò)程中，固溶于奧氏體基體的銅以細(xì)小彌散球狀的富銅相形式析出，形成富銅強(qiáng)化相。
[0012]強(qiáng)化鋼中添加了納米Al2O3使強(qiáng)化相銅細(xì)化，在基體中均勻分布，提高耐腐蝕性能和強(qiáng)度等。當(dāng)含量低于0.01wt%時(shí)，效果不明顯，當(dāng)含量大于0.1Owt.%時(shí)，細(xì)化效果有明顯提高，含量大會(huì)降低強(qiáng)度且會(huì)增加生產(chǎn)成本，所以納米Al2O3含量在0.01-0.1Owt.%。
[0013]Si元素可顯著提升鋼的強(qiáng)度，同時(shí)鋼沖擊韌性也有所提高，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到Si的含量范圍為 0.015-0.080wt.%o
[0014]為了獲得良好的機(jī)械性能，在鋼中適當(dāng)加入Ni元素是有益的。同時(shí)Ni元素的添加可有效降低Cu引起熱軋開(kāi)裂的傾向，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到鎳的含量范圍為2.0~3.0wt.%。
[0015]本發(fā)明制備含銅強(qiáng)化鋼的方法是:先在真空熔煉爐內(nèi)精煉無(wú)氧銅和納米氧化鋁粒子的混合物，在5.0xlO-3Pa和施加電磁攪拌條件下，熔煉成中間合金；按上述成分比例配制合金，把中間合金加入配制好的合金中，在真空熔煉爐內(nèi)精煉得到鑄坯；經(jīng)過(guò)變形和回火處理，獲得強(qiáng)化相銅均勻分布的強(qiáng)化鋼，具有較好的強(qiáng)韌性。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:制備得到的含銅強(qiáng)化鋼，強(qiáng)化相銅在納米粒子異質(zhì)形核的作用下，進(jìn)一步細(xì)化并彌散分布于基體中。銅、納米氧化鋁、硅和鎳共同作用，經(jīng)過(guò)變形和熱處理，合金強(qiáng)度達(dá)IlOOMPa以上，韌性較好。在納米銅和氧化鋁納米顆粒的共同作用下，組織均勻，強(qiáng)度和韌性均得以提高，達(dá)到強(qiáng)韌性要求?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1 (a)為含銅量為6.02wt.%的強(qiáng)化鋼軋制坯料開(kāi)裂關(guān)系圖。
[0018]圖1 (b)為含銅量達(dá)4.92wt.%的強(qiáng)化鋼軋制坯料開(kāi)裂關(guān)系圖。
[0019]圖1 (c)為含銅達(dá)2.78wt.%的強(qiáng)化鋼軋制坯料沒(méi)有開(kāi)裂圖。
[0020]圖2為各元素對(duì)鋼沖擊韌性的影響曲線圖。
[0021]圖中:970°C淬火和550°C回火，試樣采用6mmX6mm。
[0022]圖3為各元素對(duì)鋼的抗拉強(qiáng)度的影響示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的實(shí)施例。
[0024]實(shí)施例
[0025]二號(hào)無(wú)氧銅管含量為2.0wt.%，把活化后的納米氧化鋁含量0.05wt.%放入管內(nèi)密封，放入真空熔煉爐后抽至5.0xl0_3Pa，加溫至1130-1180°C精煉10分鐘，鑄造時(shí)施加20A電流的電磁攪拌使成分均勻，得到中間合金。按以下含量配制合金:硅0.05wt.%,碳 0.07wt.%,猛 1.1wt.%, In I.Iwt.鎳 2.5wt.磷 0.009wt.%,氧、氮和硫均小于
0.0060wt.%，余量為 鐵。把按比例配制的合金元素放入真空熔煉爐內(nèi)，再放入中間合金進(jìn)行精煉，加熱至1600°C保溫20分鐘，然后鑄造成圓形鑄坯；鑄坯經(jīng)過(guò)鍛造處理，工藝為加熱溫度1200°C，保溫30min，采用10%壓下率，獲得熱鍛造坯料，測(cè)得抗拉強(qiáng)度1370MPa，斷后伸長(zhǎng)率2.0%，(TC沖擊吸收功32.3J，硬度為496HBW10/3000。鍛造坯料經(jīng)過(guò)回火處理，回火工藝為:加熱至600°C，保溫0.5h，空冷。材料強(qiáng)度1140MPa，斷后伸長(zhǎng)率18.0%，0°C沖擊吸收功18.2J，硬度354HBW10/3000，達(dá)到高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)韌性要求。
[0026]試驗(yàn)了不同元素成分而相同鍛造工藝制備的坯料，其性能對(duì)比表1所示。1#至3#樣品滿足成分的設(shè)計(jì)范圍，抗拉強(qiáng)度大于llOOMPa，斷后伸長(zhǎng)率大于10%，滿足高強(qiáng)度的強(qiáng)韌性要求。而4#至6#樣品不在成分的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，出現(xiàn)開(kāi)裂或者強(qiáng)度不滿足要求。這說(shuō)明含銅強(qiáng)化鋼的成分設(shè)計(jì)合理。
[0027]下表1是不同成分抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率對(duì)比表。
[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種添加納米粒子的含銅強(qiáng)化鋼，其特征在于，該含銅強(qiáng)化鋼包括納米氧化鋁、銅、硅、碳、錳、鋁、鎳和鐵，各成分比例為:納米氧化鋁0.01-0.1Owt.%，納米氧化鋁 0.01-0.1Owt.% ;銅 1.0-3.0wt.% ;硅 0.015-0.08wt.% ;碳 0.06-0.19wt.% ；錳。0.90-1.40wt.% ;鋁 0.90-1.30wt.% ;鎳 2.0-3.0wt.%，磷 0.008-0.02wt.%，氧、氮和硫均小于0.006wt.%，余量為鐵。
2.一種制備添加納米粒子的含銅強(qiáng)化鋼的方法，其特征在于以下步驟，在真空熔煉爐內(nèi)精煉無(wú)氧銅和納米氧化鋁粒子的混合物，在5.0xlO^3Pa和施加電磁攪拌條件下，熔煉成中間合金；按權(quán)利要求1所述的成分比例配制合金，把中間合金加入配制好的合金中，在真空熔煉爐內(nèi)精煉得到鑄坯；經(jīng)過(guò)變形和回火處理，獲得強(qiáng)化相銅均勻分布的強(qiáng)化鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于以下步驟， 無(wú)氧銅管含量為2.0wt.%，把活化后的納米氧化鋁含量0.05wt.%放入管內(nèi)密封，放入真空熔煉爐后抽至5.0X10_3Pa，加溫至1130-1180°C精煉10分鐘，鑄造時(shí)施加20A電流的電磁攪拌使成分均勻，得到中間合金； 按權(quán)利要求1所述的比例配制的合金元素放入真空熔煉爐內(nèi)，再放入中間合金進(jìn)行精煉，加熱至160(TC保溫20分鐘，然后鑄造；鑄坯經(jīng)過(guò)變形處理，工藝為加熱溫度1200°C，保溫30min，采用10%加工率，獲得變形坯料。變形坯料經(jīng)過(guò)回火處理，回火工藝為加熱至。6000C，保溫0.5h，空冷，得到含銅強(qiáng)化鋼。
【文檔編號(hào)】C22C38/16GK103924156SQ201410187439
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】付亞波, 徐愛(ài)嬌, 張平, 霍顔秋, 張夢(mèng)賢 申請(qǐng)人:臺(tái)州學(xué)院, 付亞波