具有強抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強化鋼及其制造方法
【專利說明】具有強抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強化鋼及其 制造方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2014年3月5日提交的韓國專利申請號2014-0025971的優先權及 權益，其全部公開內容以引證的方式并入本文。
技術領域
[0003] 本發明涉及一種具有強抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強化鋼及其制造 方法，更特別涉及通過向鐵（Fe)-鉻（Cr)-氧化釔（Y 2O3)合金系中加入鑰（Mo)、鈦（Ti)和 釩（V)的合金元素，因析出物的微觀分布得以提高高溫強度并通過加入錳（Mn)來穩定馬氏 體相的具有高溫強抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強化鋼，及其制造方法。
【背景技術】
[0004] 鐵中加入8~12wt% (重量百分比）的鉻的鐵（Fe)-鉻（Cr)合金，通常要進行正 火和回火，因而形成回火馬氏體組織。這種高鉻合金因其在高溫下優異的抗中子輻照和優 異的機械性能而被用作核動力系統如鈉冷卻快反應堆或熱電廠的結構部件。然而，由于拉 伸應力和蠕變強度在高溫如600°C或以上急劇降低，因此該合金用作結構材料的使用溫度 有一個限度。可選擇地，正在研發一種通過在合金基體中分散氧化物的高溫下具有強機械 性能的氧化物彌散強化鋼。氧化物彌散強化鋼是一種合金，其中具有優良熱穩定性的納米 氧化物如氧化釔（Y 2O3)均勻地分散在鐵（Fe)-鉻（Cr)基合金基體中，與一般合金相比，由 于氧化物的彌散強化以及基體組織的固溶強化，該合金的高溫機械性能如蠕變強度得以增 強。
[0005] 常規的氧化物彌散強化鋼相比一般合金具有優異的高溫強度，但對于設計條件仍 然不能充分滿足。為了改善這樣的問題，將合金原素如鎢（W)、鉭（Ta)或鈮（Nb)等加入到鐵 (Fe)-鉻（Cr)-氧化釔（Y 2O3)系合金中。然而，當加入作為固溶強化元素的鎢（W)的氧化物 彌散強化鋼在高溫應力氣氛下長時間使用時，生成了拉夫斯（Laves)相，如脆的（Fe, Cr)2W， 因此長期蠕變性能顯著降低。因此，需要研制可用作鈉冷卻快反應堆核心結構材料的具有 高溫強抗蠕變性和抗中子輻射的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強化鋼。
【發明內容】
[0006] 技術問題
[0007] 本發明涉及一種具有強抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強化鋼，它主要 由Fe-Cr-Y 2O3系合金組成，并包含0· 02~0· 2wt%的碳（〇、8~12wt%的鉻（Cr)、0. 1~ 0· 5wt% 的氧化釔（Y2O3)、0· 2 ~2wt% 的鑰（Mo)、0· 01 ~0· 5wt% 的鈦（Ti)、0· 01 ~lwt% 的猛（Mn)、0· 01~0· 3wt%的鑰；（V)、大于0至小于或等于0· 3wt%的锫（Zr)、大于0至小 于或等于0.5wt%的鎳（Ni)以及剩余含量的鐵（Fe),以及其制造方法。
[0008] 然而，本發明的技術目的不限于上述目的，本文未說明的其它目的本領域普通技 術人員根據以下說明將會清楚地了解。
[0009] 技術方案
[0010] 根據本發明的一個方面，提供了一種具有優良抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物 彌散強化鋼，其包含0.02~0.2wt%的碳（〇、8~12wt%的鉻（Cr)、0. 1~0.5wt%的氧 化釔（Y2O3)、〇· 2 ~2wt % 的鑰（Mo)、0· 01 ~0· 5wt % 的鈦（Ti)、0· 01 ~Iwt % 的錳（Mn)、 0· 01~0· 3wt%的釩（V)以及剩余含量的鐵（Fe)。
[0011] 根據本發明的另一方面，提供了一種制造具有優良抗蠕變性的鐵素體/馬氏體 氧化物彌散強化鋼的方法，其包括：(a)通過混合包含碳（C)、鉻（Cr)、鑰（Mo)、鈦（Ti)、錳 (Μη)、釩（V)、鐵（Fe)的金屬粉末與氧化釔（Y2O3)粉末后通過機械合金化處理制備合金粉 末；(b)將機械合金化的合金粉末裝入罐容器中并進行脫氣；（c)通過熱加工已脫氣的合金 粉末制備氧化物彌散強化鋼；和（d)冷加工所述熱加工的氧化物彌散強化鋼。
[0012] 有益效果
[0013] 本發明的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強化鋼，包含0. 02~0. 2wt%的碳（C)、8~ 12wt% 的鉻（Cr)、0· 1 ~0· 5wt% 的氧化釔（Y2O3)、0· 2 ~2wt% 的鑰（Mo)、0· 01 ~0· 5wt% 的鈦（Ti)、0. 01~lwt%的猛（Mn)、0. 01~0. 3wt%的鑰;（V)、大于0至小于或等于0. 3wt% 的鋯（Zr)、大于0至小于或等于0. 5wt%的鎳（Ni)以及剩余含量的鐵（Fe)，因此具有高拉 伸強度和優異的抗蠕變性從而用作核動力系統如鈉冷卻快反應堆的核心結構部件（核燃 料包殼、管道、導線、端塞等）、熱電廠的超臨界壓力蒸汽發生器部件（轉子，軸等），并進一 步用作飛機的發動機部件（盤件、噴嘴等）的材料。
【附圖說明】
[0014] 通過結合附圖詳細描述其示例性實施方式，本發明的上述和其他目的，特征和優 點對本領域的普通技術人員而言將變得更加明顯，其中：
[0015] 圖1為制造本發明的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強化鋼的流程圖；
[0016] 圖2為常規的氧化物彌散強化鋼和本發明的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強化鋼在 室溫和700°C下的拉伸試驗結果圖示；和
[0017] 圖3示出了常規的氧化物彌散強化鋼和本發明的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強化 鋼在700°C下的蠕變試驗結果。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖對本發明的示例性實施方式進行詳細說明。盡管結合其示例性實施 方式顯示并說明了本發明，但對本領域的技術人員而言，顯然在不脫離本發明的實質和保 護范圍的情況下，可進行各種修改。
[0019] 作為研究提高氧化物彌散強化鋼的抗蠕變性的結果，本發明人證實，當向 Fe-Cr-Y2O3系氧化物彌散強化合金中加入鑰（Mo)時，與常規的氧化物彌散強化鋼相比，抑 止了 Laves相生成，通過添加釩（V)提高了碳化物的微觀分布，通過添加錳（Mn)增加了固 溶強化，從而提高了長期的抗蠕變性，該強化鋼可用作鈉冷卻快反應堆的核心結構部件的 材料、熱電廠蒸汽發生器部件或者飛機發動機部件的材料。因此，本發明人基于此完成了本 發明。
[0020] 以下，對本發明進行詳細說明。
[0021] 本發明涉及具有優異抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強化鋼，該強化鋼包 含 0· 02 ~0· 2wt% 的碳（C)、8 ~12wt% 的鉻（Cr)、0· 1 ~0· 5wt% 的氧化釔（Y2O3)、0· 2 ~ 2界七％的鑰（]?〇)、0.01~0.5￥七％的鈦（11)、0.01~^^%的錳（]\111)、0.01~0.3￥七％的釩 (V)以及剩余含量的鐵（Fe)。
[0022] 該氧化物彌散強化合金可進一步包含鋯（Zr)和鎳（Ni)或它們的組合，鋯（Zr) 可進一步包含大于〇至小于或等于〇.3wt%，鎳（Ni)可進一步包含大于0至小于或等于 0· 5wt%。
[0023] 也就是說，本發明的氧化物彌散強化鋼包含所有的碳、鉻、氧化釔、鑰、鈦、錳、釩和 鐵，從而確保了高的抗蠕變性。
[0024] 當鉻（Cr)的含量小于8wt%時，耐蝕性會降低，而當鉻（Cr)的含量大于12wt% 時，馬氏體相難以形成，因此，鉻（Cr)的含量優選為8~12wt%，更優選為9~llwt%。
[0025] 當氧化釔（Y2O3)的含量小于0. lwt%時，分散強化效果不顯著，而當氧化釔（Y2O3) 的含量超過〇.5wt%時，由于殘留的分散體顆粒分散強化效果會增加，從而降低了可加工 性，因此，氧化釔（Y 2O3)的含量優選為〇· 1~〇· 5wt%，更優選為0· 3~0· 4wt%。
[0026] 當鑰（Mo)的含量小于0. 2wt%時，高溫強度不會顯著增加，當鑰（Mo)的含量大于 2wt%時，包含了大量的高價鑰（Mo),從而在經濟方面上具有弊端。因此，鑰（Mo)含量優選 0. 2~2wt %，更優選為0. 7~I. 5wt %。也就是說，與常規的氧化物彌散強化鋼相比，代替 鎢（W)，加入鑰（Mo),從而提高了高溫強度，抑制了在暴露于中子輻照氣氛的高溫應力條件 下生成拉夫斯（Laves)相，并提高了長期的懦變特性。
[0027] 鈦（Ti)的含量可以為0· 01~0· 3wt%，優選為0· 1~0· 3wt%。這樣鈦（Ti)在 加熱過程中與氧化釔（Y2O3)連接，從而形成Y-Ti-O系復合氧化物如Y 2Ti2O7或Y2TiO5，有助 于高密度和微觀分布，并提高強度。
[0028] 錳（Mn)可以通過強化馬氏體作為奧氏體形成元素，用于增加基體的強度，這樣錳 (Mn)的含量可以是0.01~Iwt%。
[0029] 釩（V)是形成微小MX析出物的析出物強化元素，并增加高溫拉伸強度和抗蠕 變性。當釩（V)的含量小于0.0 lwt %時，上述效果是微不足道的，當釩（V)的含量超過 0.3wt%時，形成脆性的δ鐵素體相（delta ferrite phase),從而劣化了機械性能。本發 明使用釩來獲得高的抗蠕變性。優選地，釩的含量為〇. 05~0. 15wt %，更優選地，如本發明 的實施例中公開的新合金4,當使用0. lwt%的f凡時，確保優異的強度。
[0030] 當鋯（Zr)的含量優選大于0至小于或等于0. 3wt %時，它與氧化釔（Y2O3)相連， 從而形成Y-Zr-O系復合氧化物并在基體中均勻分散成高密度，從而進一步提高強度特性。
[0031] 此外，鎳（Ni)是一種奧氏體形成元素，用于通過加強馬氏體來增加基體的強度， 并優選這樣的鎳（Ni)含量可以大于0至小于或等于0.5wt%。
[0032] 因此，本發明的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強化鋼，可用作結構部件的材料，該結 構部件包括核燃料包殼、管道、導線、或快反應堆的端部塞子，熱電廠的超超臨界壓力蒸汽 發生器的轉子或軸，或者飛機發動機的底盤或噴嘴。
[0033] 本發明涉及一種制造具有優良抗蠕變性的鐵素體/馬氏體氧化物彌散強化鋼的 方法，其包括：(a)通過混合