一種抗高溫磨蝕合金鋼及其制備方法
【專利摘要】一種抗高溫磨蝕合金鋼及其制備方法,屬于合金鋼【技術(shù)領(lǐng)域】。其化學(xué)質(zhì)量組成是:0.35~0.50%C,4.1~4.4%B,2.4~2.8%Al,1.3~1.6%Si,5.0~5.5%Cr,2.0~2.5%Mo,1.2~1.5%W,0.05~0.12%N,0.05~0.09%Ti,0.15~0.20%Zr,Mn<0.50%,S<0.030%,P<0.035%,F(xiàn)e余量。利用電爐便可生產(chǎn),硬度高,抗高溫磨蝕性能好,生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便,貴重合金元素加入量少,制造成本低廉。
【專利說(shuō)明】一種抗高溫磨蝕合金鋼及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種合金鋼及其制備方法,特別涉及一種抗高溫磨蝕合金鋼及其制備方法,屬于合金鋼【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫磨損和腐蝕,是一種極其復(fù)雜的磨蝕工況,對(duì)材料性能要求高,不僅要有良好的抗高溫腐蝕性能,還要有良好的抗高溫磨損性能,目前應(yīng)用最成功的當(dāng)屬鈷基合金。鈷是一種價(jià)格昂貴的戰(zhàn)略物質(zhì),用做抗高溫磨蝕材料,價(jià)格高,推廣應(yīng)用困難。而且抗高溫磨蝕材料大量使用鈷基合金,造成了鈷金屬的巨大浪費(fèi),因此開(kāi)發(fā)新型抗高溫磨蝕材料,具有非常重要的意義。
[0003]為了提高材料的抗高溫磨蝕性能,中國(guó)發(fā)明專利CN102952986A公開(kāi)了一種耐腐蝕耐高溫軸承材料,其包括原料組分及其重量百分比如下:碳化鈦60-70%、碳化釩3-10%、碳化鉻3-5%、鎳10-20%及鑰5-20%。該發(fā)明耐腐蝕耐高溫軸承材料,采用碳化鈦、碳化釩、碳化鉻、鎳及鑰制成,具有硬度高、不易變形、耐磨蝕性強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn),適用于高溫磨蝕環(huán)境。中國(guó)發(fā)明專利CN85100649還公開(kāi)了超高溫耐磨鑄造鎳基合金,該合金具有在高溫(> 12000C )下保持高溫耐磨性和抗氧化性的特點(diǎn),適用于制造軋鋼廠高溫加熱爐部件,尤其是超高溫磨損部件。優(yōu)先選用的合金成分(重量)是:鉻30-35%、鎢10-15%、硅 0.5-0.8%、錳 0.4-0.8%、稀土 0.1-0.2% 或鈣 0.05-0.08%、碳 0.40-0.50%、鐵 5% 以下、鎳46-52%,其它為雜質(zhì)。中國(guó)發(fā)明專利CN101509133還公開(kāi)了一種利用等離子弧技術(shù)制備二硼化鋯涂層的方法,按照步驟先將原位反應(yīng)的粉末混合均勻,然后利用等離子弧技術(shù)將混合均勻的粉末熔敷在金屬表面,以形成二硼化鋯的涂層,并可以通過(guò)改變工藝參數(shù)和分布熔敷的方法提高涂層的厚度(達(dá)到毫米和厘米級(jí)),同時(shí)等離子技術(shù)為涂層和基體材料之間提供了較強(qiáng)的冶金結(jié)合力,克服現(xiàn)有技術(shù)中制備的涂層厚度過(guò)薄和結(jié)合力較弱的不足。該發(fā)明的技術(shù)方案可 以用來(lái)制備抗高溫磨損、高溫磨蝕、抗熱輻射、高溫導(dǎo)電零件或在各種金屬材料表面制備涂層,也可用該技術(shù)制備各種關(guān)鍵設(shè)施的屏蔽涂層。中國(guó)發(fā)明專利CN102978499A還公開(kāi)了一種NiAl合金化粘結(jié)相的抗高溫磨損硬質(zhì)合金,硬質(zhì)相為WC和/TiC,粘結(jié)相為NiAl合金化的Co和/Fe,體積百分比為10?40% ;制備包括:按Ni_50at.%A1的成分比例,把0.03?21.04wt%鎳粉和鋁粉,與碳化物粉末混合均勻;置于石墨容器中鋪平,非氧化性氣氛下,升溫加熱至660?1300°C,保溫,然后自然冷卻,獲得碳化物與NiAl的混合物;碾磨、破碎、過(guò)篩,獲得混合粉末;400±50°C的氫氣氛下脫氧預(yù)處理;將45.77-96.34wt%的混合粉末,與余量的Co和/Fe粉末濕磨;濕磨混合料噴霧干燥、壓制;壓坯1350?1550°C低壓液相燒結(jié)獲得抗高溫磨損硬質(zhì)合金。中國(guó)發(fā)明專利CN1928155還公開(kāi)了一種合金鍍液和與之配套的處理技術(shù)工藝,生產(chǎn)出耐高溫腐蝕、耐高溫磨損性能的低成本、低耗能、價(jià)值高的抽油泵,其目的是在抽油泵生產(chǎn)制造、修復(fù)領(lǐng)域把高成本、高耗能最大限度的降下來(lái)。具體實(shí)施:將氯化鎳、氨基乙酸、胺基硼烷、氟化石墨、硼酸、糖精鈉、鉛離子等按比例稱重量,放入帶攪拌器的容器內(nèi)進(jìn)行攪拌,待全部溶解后便可使用。需鍍時(shí)將鍍液加溫40?60°C,根據(jù)所需厚度確定施鍍時(shí)間。其中的材料為,純凈水:氯化鎳:氨基乙酸:胺基硼烷:氟化石墨:硼酸:糖精鈉:鉛離子:氨水:氫氧化鈉=90: 3: 2.5: 0.45: 0.6: 3: 0.3: 0.003: 0.35: 0.15。中國(guó)發(fā)明專利CN1562884還公開(kāi)了一種在高溫條件下使用的抗沖擊耐高溫磨損Fe-Sialon復(fù)相材料及其制備方法,該發(fā)明利用工業(yè)級(jí)S1-Fe合金粉體、Al2O3微粉和混合稀土氧化物細(xì)粉為主要原料,在高溫1100°C?1600°C和氮?dú)鈿夥盏臈l件下,反應(yīng)生成一種Fe-Sialon復(fù)相材料,該復(fù)相材料中含不連續(xù)金屬塑性相(Fe)能夠促進(jìn)Sialon基復(fù)相材料的燒結(jié)并對(duì)材料具有很好的增韌增塑作用,使得制備的Fe-Sialon復(fù)相材料具有很好的抗沖擊耐高溫磨損能力。該方法是制備高性能耐高溫磨損、抗沖擊新型陶瓷復(fù)相材料的理想技術(shù)。中國(guó)發(fā)明專利CN102517532A還公開(kāi)了一種熱噴涂用耐熔鋅腐蝕的涂層材料及該涂層材料的制備方法,包括以Π相碳化鎢為硬質(zhì)相代替高溫下容易分解的WC,以Fe3Al為粘結(jié)相代替Co,采用熱噴涂的方法在熱鍍鋅沉沒(méi)輥或熱鍍鋅沉沒(méi)輥的軸套表面制備H相碳化鎢-Fe3Al涂層,制得目標(biāo)產(chǎn)品。該發(fā)明采用硬質(zhì)相η相碳化鎢能有效地阻止鋅原子向合金內(nèi)部的擴(kuò)散,起到耐熔融鋅液腐蝕作用,Π相碳化鎢耐高溫,不易分解,起到很好的高溫耐磨作用;粘結(jié)相Fe3Al可以與Zn形成耐鋅液腐蝕的Fe-Al-Zn三元相,耐熔融鋅腐蝕性能優(yōu)于燒結(jié)WC-Co涂層。中國(guó)發(fā)明專利CN101886239A還公開(kāi)了高溫耐磨防腐蝕熱噴涂合金絲,其特征在于:包括以下組分重量百分比為:Ni ≥ 38%,Cr ≥ 24%,W > 2.7%, Mo > 3.6%,不大于0.2%的稀土,余量為銅。該發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果:金相更均勻,更細(xì)化,提高了潤(rùn)濕性,延展率、焊接性能;該產(chǎn)品對(duì)線材、變壓器有很好的焊接性能,更容易與基材(固材)產(chǎn)生良好親和力,焊點(diǎn)亮,飽滿。中國(guó)發(fā)明專利CN1394977還公開(kāi)了一種高溫耐磨耐腐蝕Cr-N1-Si金屬娃化物合金材料,該合金材料主要由Cr、N1、Si三種金屬元素組成,其Ni的重量百分比為30?53、Cr的重量百分比為42?65、Si的重量百分比為3.6?10 ;該合金材料的主要組織組成相是:(a)Crl3Ni5Si2金屬硅化物固溶體+鎳基固溶體;(b)Crl3Ni5Si2金屬硅化物固溶體+Cr3Si金屬硅化物固溶體;(c)Cr3Si金屬硅化物固溶體+Crl3Ni5Si2金屬硅化物固溶體+鎳基固溶體。該合金材料可廣泛應(yīng)用于電力、能源、石油、化工、有色金屬冶金、鋼鐵冶金等工業(yè)中大量存在的、在高溫氧化及腐蝕等環(huán)境下承受摩擦磨損作用的機(jī)械運(yùn)動(dòng)副零部件。
[0004]但是,上述抗高溫磨蝕材料存在高溫抗磨蝕性能不足以及生產(chǎn)工藝復(fù)雜等問(wèn)題,限制了其在高溫磨蝕領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明針對(duì)常用抗高溫磨蝕材料存在的問(wèn)題,在中碳鑄造合金鋼中,增加硼含量,獲得耐蝕性好的Fe2B硼化物。在此基礎(chǔ)上,加入適量鋁和硅,利用鋁和硅進(jìn)入基體,提高基體抗高溫軟化性能,還加入適量鉻和鑰,利用鉻和鑰部分進(jìn)入Fe2B硼化物,達(dá)到降低Fe2B硼化物脆性的目的。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0007]本發(fā)明抗高溫磨蝕合金鋼的化學(xué)組成成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)是:0.35?
0.50%C, 4.1 ?4.4%B, 2.4 ?2.8%A1, 1.3 ?1.6%Si, 5.0 ?5.5%Cr, 2.0 ?2.5%Mo, 1.2 ?
1.5%ff, 0.05 ?0.12%N, 0.05 ?0.09%Ti, 0.15 ?0.20%Zr, Mn〈0.50%, S〈0.030%, P〈0.035%, F
e余量。[0008]本發(fā)明抗高溫磨蝕合金鋼用電爐熔煉,其制造工藝步驟包括如下:
[0009]①將普通廢鋼、碳素鉻鐵、低碳鉻鐵、鎢鐵和鑰鐵混合加熱熔化,鋼水熔清后加入娃鐵;
[0010]②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1550?1580°C,繼續(xù)加入金屬鋁和經(jīng)400?450°C預(yù)熱2?4小時(shí)的硼鐵,保溫6?8分鐘后出爐;
[0011]③將氮化鉻鐵、鋯鐵和鈦鐵破碎至粒度為5?12mm的小塊,經(jīng)200?250°C烘干2?4小時(shí)后,置于燒包底部,用包內(nèi)沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理;
[0012]④當(dāng)鋼水溫度為1420?1450°C時(shí)澆入鑄型,澆注2?6小時(shí)后開(kāi)箱空冷抗高溫磨蝕合金鋼產(chǎn)品,打掉澆冒口,清理殘根、飛邊、毛刺;
[0013]⑤抗高溫磨蝕合金鋼產(chǎn)品經(jīng)粗加工后,隨爐加熱至1020?1050°C,保溫2?4小時(shí)后油冷,然后在500? 540°C進(jìn)行回火處理,回火保溫時(shí)間6?10小時(shí),然后爐冷至溫度低于200°C后,出爐空氣冷卻至室溫,最后精加工至規(guī)定尺寸和精度。
[0014]合金材質(zhì)的性能是由金相組織決定的,而一定的組織取決于化學(xué)成分及熱處理工藝,本發(fā)明化學(xué)成分是這樣確定的:
[0015]硼:本發(fā)明加入硼的目的,主要是為了得到硬度高,高溫穩(wěn)定性好,且具有良好耐蝕性的Fe2B硼化物,硼含量加入量過(guò)少,F(xiàn)e2B硼化物數(shù)量少,材料的抗高溫磨蝕性能差,加入量過(guò)多,材料的脆性太大,鑄造和使用過(guò)程中易開(kāi)裂,合適的硼加入量為4.1?4.4%。
[0016]鑰和鉻:在抗高溫磨蝕合金鋼中,加入鉻和鑰的目的有二,部分鉻和鑰進(jìn)入?6忑硼化物,可降低硼化物脆性,另外,部分鉻和鑰進(jìn)入基體,提高基體抗高溫軟化能力,改善材料的抗高溫磨蝕能力。合適的鉻加入量為5.0?5.5%,合適的鑰加入量為2.0?2.5%。
[0017]鋁和硅:鋁和硅是非碳化物和硼化物形成元素,主要固溶于基體,提高基體抗高溫軟化能力,有利于改善材料抗高溫磨蝕能力,加入量多,材料冶煉和鑄造性能差,合適的鋁加入量為2.4?2.8%,合適的娃加入量為1.3?1.6%ο
[0018]媽:加入適量鶴的主要目的是為了提聞材料的聞溫抗軟化能力,從而提聞材料的高溫抗磨蝕性能,合適的鎢加入量為1.2?1.5%。
[0019]碳:加入適量碳是為了提高基體硬度,使淬火組織中獲得高硬度的馬氏體基體,有利于提高材料的抗磨蝕能力,加入量過(guò)多,馬氏體脆性增大,合適的碳含量宜控制在
0.35 ?0.50%O
[0020]鈦、氮和鋯:加入鈦、氮和鋯的目的,主要使利用鈦、氮和鋯與鋼液中的硼、碳化合,得到高熔點(diǎn)的Ti (C,N), BN, ZrC等細(xì)小顆粒,這些細(xì)小顆??勺鳛榭垢邷啬ノg合金鋼的凝固核心,細(xì)化凝固組織,提高抗高溫磨蝕合金鋼的力學(xué)性能,加入量過(guò)多,凝固核心發(fā)生粗化,反而不利于凝固組織的細(xì)化,合適的氮加入量為0.05?0.12%,合適的鋯加入量為
0.15?0.20%,合適的鈦加入量為0.05?0.09%ο
[0021]抗高溫磨蝕合金鋼產(chǎn)品經(jīng)粗加工后,隨爐加熱至1020?1050°C,保溫2?4小時(shí)后油冷,主要是為了獲得高硬度的馬氏體基體,改善抗高溫磨蝕合金鋼的耐磨性。淬火處理后再在500?540°C進(jìn)行回火處理,回火保溫時(shí)間6?10小時(shí),然后爐冷至溫度低于200°C后,出爐空氣冷卻至室溫,主要是為了消除熱處理應(yīng)力,穩(wěn)定組織,確保材料的安全使用。
[0022]本發(fā)明效果:
[0023]①本發(fā)明抗高溫磨蝕合金鋼以廉價(jià)的硼、鋁、鉻等為主要合金元素,不含價(jià)格昂貴的鈷、鎳、f凡、銀等合金元素,具有較低的生產(chǎn)成本。
[0024]②本發(fā)明抗高溫磨蝕合金鋼采用普通電爐冶煉,采用鑄造方法成型,易于實(shí)現(xiàn)批
量生產(chǎn)。
[0025]③本發(fā)明抗高溫磨蝕合金鋼由于含有大量的Fe2B硼化物,具有硬度高和良好的抗高溫磨蝕能力。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述,但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。
[0027]實(shí)施例1:
[0028]采用500公斤中頻感應(yīng)電爐熔煉抗高溫磨蝕合金鋼,其制造工藝步驟是:
[0029]①將普通廢鋼、碳素鉻鐵、低碳鉻鐵、鎢鐵和鑰鐵混合加熱熔化,鋼水熔清后加入娃鐵;
[0030]②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1553°C,繼續(xù)加入金屬鋁和經(jīng)450°C預(yù)熱2小時(shí)的硼鐵,保溫8分鐘后出爐;
[0031]③將氮化鉻鐵、鋯鐵和鈦鐵破碎至粒度為5?12_的小塊,經(jīng)250°C烘干3小時(shí)后,置于澆包底部,用包內(nèi)沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理;
[0032]④當(dāng)鋼水溫度為1422°C時(shí)澆入鑄型,澆注3小時(shí)后開(kāi)箱空冷抗高溫磨蝕合金鋼產(chǎn)品,打掉澆冒口,清理殘根、飛邊、毛刺;
[0033]⑤抗高溫磨蝕合金鋼產(chǎn)品經(jīng)粗加工后,隨爐加熱至1020°C,保溫4小時(shí)后油冷,然后在540°C進(jìn)行回火處理,回火保溫時(shí)間6小時(shí),然后爐冷至溫度低于200°C后,出爐空氣冷卻至室溫,最后精加工至規(guī)定尺寸和精度。抗高溫磨蝕合金鋼的成分見(jiàn)表1,抗高溫磨蝕合金鋼的力學(xué)性能見(jiàn)表2。
[0034]實(shí)施例2:
[0035]采用500公斤中頻感應(yīng)電爐熔煉抗高溫磨蝕合金鋼,其制造工藝步驟是:
[0036]①將普通廢鋼、碳素鉻鐵、低碳鉻鐵、鎢鐵和鑰鐵混合加熱熔化,鋼水熔清后加入娃鐵;
[0037]②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1578°C,繼續(xù)加入金屬鋁和經(jīng)400°C預(yù)熱3小時(shí)的硼鐵,保溫6分鐘后出爐;
[0038]③將氮化鉻鐵、鋯鐵和鈦鐵破碎至粒度為5?12mm的小塊,經(jīng)200°C烘干4小時(shí)后,置于澆包底部,用包內(nèi)沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理;
[0039]④當(dāng)鋼水溫度為1446°C時(shí)澆入鑄型,澆注5小時(shí)后開(kāi)箱空冷抗高溫磨蝕合金鋼產(chǎn)品,打掉澆冒口,清理殘根、飛邊、毛刺;
[0040]⑤抗高溫磨蝕合金鋼產(chǎn)品經(jīng)粗加工后,隨爐加熱至1050°C,保溫2小時(shí)后油冷,然后在500°C進(jìn)行回火處理,回火保溫時(shí)間10小時(shí),然后爐冷至溫度低于200°C后,出爐空氣冷卻至室溫,最后精加工至規(guī)定尺寸和精度??垢邷啬ノg合金鋼的成分見(jiàn)表1,抗高溫磨蝕合金鋼的力學(xué)性能見(jiàn)表2。
[0041]實(shí)施例3:
[0042]采用500公斤中頻感應(yīng)電爐熔煉抗高溫磨蝕合金鋼,其制造工藝步驟是:
[0043]①將普通廢鋼、碳素鉻鐵、低碳鉻鐵、鎢鐵和鑰鐵混合加熱熔化,鋼水熔清后加入娃鐵;
[0044]②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1567°C,繼續(xù)加入金屬鋁和經(jīng)430°C預(yù)熱4小時(shí)的硼鐵,保溫7分鐘后出爐;
[0045]③將氮化鉻鐵、鋯鐵和鈦鐵破碎至粒度為5?12mm的小塊,經(jīng)230°C烘干3小時(shí)后,置于澆包底部,用包內(nèi)沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理;
[0046]④當(dāng)鋼水溫度為1440°C時(shí)澆入鑄型,澆注2小時(shí)后開(kāi)箱空冷抗高溫磨蝕合金鋼產(chǎn)品,打掉澆冒口,清理殘根、飛邊、毛刺;
[0047]⑤抗高溫磨蝕合金鋼產(chǎn)品經(jīng)粗加工后,隨爐加熱至1040°C,保溫3小時(shí)后油冷,然后在530°C進(jìn)行回火處理,回火保溫時(shí)間8小時(shí),然后爐冷至溫度低于200°C后,出爐空氣冷卻至室溫,最后精加工至規(guī)定尺寸和精度??垢邷啬ノg合金鋼的成分見(jiàn)表1,抗高溫磨蝕合金鋼的力學(xué)性能見(jiàn)表2。
[0048]表I抗高溫磨蝕合金鋼的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)
[0049]
【權(quán)利要求】
1.一種抗高溫磨蝕合金鋼,其特征在于,抗高溫磨蝕合金鋼的化學(xué)組成成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)是:0.35 ?0.50%C, 4.1 ?4.4%B, 2.4 ?2.8%A1, 1.3 ?1.6%Si, 5.0 ?5.5%Cr, 2.0 ?2.5%Mo, L 2 ?L 5%ff, 0.05 ?0.12%N, 0.05 ?0.09%Ti, 0.15 ?0.20%Zr, Μη<0.50%, S〈0.030%, Ρ〈0.035%, Fe 余量。
2.制備權(quán)利要求1所述的一種抗高溫磨蝕合金鋼的方法,其特征在于,包括以下步驟:①將普通廢鋼、碳素鉻鐵、低碳鉻鐵、鎢鐵和鑰鐵混合加熱熔化,鋼水熔清后加入硅鐵;②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1550?1580°C,繼續(xù)加入金屬鋁和經(jīng)400?450°C預(yù)熱2?4小時(shí)的硼鐵,保溫6?8分鐘后出爐;③將氮化鉻鐵、鋯鐵和鈦鐵破碎至粒度為5?12mm的小塊,經(jīng)200?250°C烘干2?4小時(shí)后,置于澆包底部,用包內(nèi)沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理;④當(dāng)鋼水溫度為1420?1450°C時(shí)澆入鑄型,澆注2?6小時(shí)后開(kāi)箱空冷抗高溫磨蝕合金鋼產(chǎn)品,打掉澆冒口,清理殘根、飛邊、毛刺;⑤抗高溫磨蝕合金鋼產(chǎn)品經(jīng)粗加工后,隨爐加熱至1020?1050°C,保溫2?4小時(shí)后油冷,然后在500?540°C進(jìn)行回火處理,回火保溫時(shí)間6?10小時(shí),然后爐冷至溫度低于200°C后,出爐空氣冷 卻至室溫,最后精加工至規(guī)定尺寸和精度。
【文檔編號(hào)】C22C38/32GK103436795SQ201310349587
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月12日
【發(fā)明者】符寒光, 馬躍, 張錦紅, 鄭開(kāi)宏, 雷永平, 高義民, 邢建東, 皇志富, 馬勝?gòu)?qiáng) 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)