一種抗高溫磨蝕合金鋼及其製備方法
2023-05-11 16:05:31 1
一種抗高溫磨蝕合金鋼及其製備方法
【專利摘要】一種抗高溫磨蝕合金鋼及其製備方法，屬於合金鋼【技術領域】。其化學質量組成是：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%，Fe餘量。利用電爐便可生產，硬度高，抗高溫磨蝕性能好，生產工藝簡便，貴重合金元素加入量少，製造成本低廉。
【專利說明】一種抗高溫磨蝕合金鋼及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種合金鋼及其製備方法，特別涉及一種抗高溫磨蝕合金鋼及其製備方法，屬於合金鋼【技術領域】。
【背景技術】
[0002]高溫磨損和腐蝕，是一種極其複雜的磨蝕工況，對材料性能要求高，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，目前應用最成功的當屬鈷基合金。鈷是一種價格昂貴的戰略物質，用做抗高溫磨蝕材料，價格高，推廣應用困難。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，因此開發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，中國發明專利CN102952986A公開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%。該發明耐腐蝕耐高溫軸承材料，採用碳化鈦、碳化釩、碳化鉻、鎳及鑰製成，具有硬度高、不易變形、耐磨蝕性強、耐高溫、耐腐蝕等特點，適用於高溫磨蝕環境。中國發明專利CN85100649還公開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，適用於製造軋鋼廠高溫加熱爐部件，尤其是超高溫磨損部件。優先選用的合金成分(重量)是:鉻30-35%、鎢10-15%、矽 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。中國發明專利CN101509133還公開了一種利用等離子弧技術製備二硼化鋯塗層的方法，按照步驟先將原位反應的粉末混合均勻，然後利用等離子弧技術將混合均勻的粉末熔敷在金屬表面，以形成二硼化鋯的塗層，並可以通過改變工藝參數和分布熔敷的方法提高塗層的厚度(達到毫米和釐米級)，同時等離子技術為塗層和基體材料之間提供了較強的冶金結合力，克服現有技術中製備的塗層厚度過薄和結合力較弱的不足。該發明的技術方案可 以用來製備抗高溫磨損、高溫磨蝕、抗熱輻射、高溫導電零件或在各種金屬材料表面製備塗層，也可用該技術製備各種關鍵設施的屏蔽塗層。中國發明專利CN102978499A還公開了一種NiAl合金化粘結相的抗高溫磨損硬質合金，硬質相為WC和/TiC，粘結相為NiAl合金化的Co和/Fe，體積百分比為10?40% ;製備包括: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；置於石墨容器中鋪平，非氧化性氣氛下，升溫加熱至660?1300°C，保溫，然後自然冷卻，獲得碳化物與NiAl的混合物；碾磨、破碎、過篩，獲得混合粉末；400±50°C的氫氣氛下脫氧預處理；將45.77-96.34wt%的混合粉末，與餘量的Co和/Fe粉末溼磨；溼磨混合料噴霧乾燥、壓制；壓坯1350?1550°C低壓液相燒結獲得抗高溫磨損硬質合金。中國發明專利CN1928155還公開了一種合金鍍液和與之配套的處理技術工藝，生產出耐高溫腐蝕、耐高溫磨損性能的低成本、低耗能、價值高的抽油泵，其目的是在抽油泵生產製造、修復領域把高成本、高耗能最大限度的降下來。具體實施: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進行攪拌，待全部溶解後便可使用。需鍍時將鍍液加溫40?60°C，根據所需厚度確定施鍍時間。其中的材料為，純淨水: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。中國發明專利CN1562884還公開了一種在高溫條件下使用的抗衝擊耐高溫磨損Fe-Sialon復相材料及其製備方法,該發明利用工業級S1-Fe合金粉體、Al2O3微粉和混合稀土氧化物細粉為主要原料，在高溫1100°C?1600°C和氮氣氣氛的條件下，反應生成一種Fe-Sialon復相材料,該復相材料中含不連續金屬塑性相(Fe)能夠促進Sialon基復相材料的燒結並對材料具有很好的增韌增塑作用，使得製備的Fe-Sialon復相材料具有很好的抗衝擊耐高溫磨損能力。該方法是製備高性能耐高溫磨損、抗衝擊新型陶瓷復相材料的理想技術。中國發明專利CN102517532A還公開了一種熱噴塗用耐熔鋅腐蝕的塗層材料及該塗層材料的製備方法，包括以Π相碳化鎢為硬質相代替高溫下容易分解的WC，以Fe3Al為粘結相代替Co，採用熱噴塗的方法在熱鍍鋅沉沒輥或熱鍍鋅沉沒輥的軸套表面製備H相碳化鎢-Fe3Al塗層，製得目標產品。該發明採用硬質相η相碳化鎢能有效地阻止鋅原子向合金內部的擴散，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於燒結WC-Co塗層。中國發明專利CN101886239A還公開了高溫耐磨防腐蝕熱噴塗合金絲，其特徵在於:包括以下組分重量百分比為:Ni ≥ 38%,Cr ≥ 24%,W > 2.7%, Mo > 3.6%，不大於0.2%的稀土，餘量為銅。該發明具有如下優點和效果:金相更均勻，更細化，提高了潤溼性，延展率、焊接性能；該產品對線材、變壓器有很好的焊接性能，更容易與基材(固材)產生良好親和力，焊點亮，飽滿。中國發明專利CN1394977還公開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金屬矽化物固溶體+鎳基固溶體；(b)Crl3Ni5Si2金屬矽化物固溶體+Cr3Si金屬矽化物固溶體；(c)Cr3Si金屬矽化物固溶體+Crl3Ni5Si2金屬矽化物固溶體+鎳基固溶體。該合金材料可廣泛應用於電力、能源、石油、化工、有色金屬冶金、鋼鐵冶金等工業中大量存在的、在高溫氧化及腐蝕等環境下承受摩擦磨損作用的機械運動副零部件。
[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工藝複雜等問題，限制了其在高溫磨蝕領域的廣泛應用。
【發明內容】
[0005]本發明針對常用抗高溫磨蝕材料存在的問題，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。在此基礎上，加入適量鋁和矽，利用鋁和矽進入基體，提高基體抗高溫軟化性能，還加入適量鉻和鑰，利用鉻和鑰部分進入Fe2B硼化物，達到降低Fe2B硼化物脆性的目的。
[0006]本發明的目的可以通過以下措施來實現:
[0007]本發明抗高溫磨蝕合金鋼的化學組成成分及其質量分數是: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餘量。[0008]本發明抗高溫磨蝕合金鋼用電爐熔煉，其製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，鋼水熔清後加入娃鐵；
[0010]②爐前調整成分合格後將溫度升至1550?1580°C，繼續加入金屬鋁和經400?450°C預熱2?4小時的硼鐵，保溫6?8分鐘後出爐；
[0011]③將氮化鉻鐵、鋯鐵和鈦鐵破碎至粒度為5?12mm的小塊，經200?250°C烘乾2?4小時後,置於燒包底部,用包內衝入法對鋼水進行複合變質處理；
[0012]④當鋼水溫度為1420?1450°C時澆入鑄型，澆注2?6小時後開箱空冷抗高溫磨蝕合金鋼產品，打掉澆冒口，清理殘根、飛邊、毛刺；
[0013]⑤抗高溫磨蝕合金鋼產品經粗加工後，隨爐加熱至1020?1050°C，保溫2?4小時後油冷，然後在500? 540°C進行回火處理，回火保溫時間6?10小時，然後爐冷至溫度低於200°C後，出爐空氣冷卻至室溫，最後精加工至規定尺寸和精度。
[0014]合金材質的性能是由金相組織決定的，而一定的組織取決於化學成分及熱處理工藝，本發明化學成分是這樣確定的:
[0015]硼:本發明加入硼的目的，主要是為了得到硬度高，高溫穩定性好，且具有良好耐蝕性的Fe2B硼化物，硼含量加入量過少，Fe2B硼化物數量少，材料的抗高溫磨蝕性能差，加入量過多，材料的脆性太大，鑄造和使用過程中易開裂，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，部分鉻和鑰進入？6忑硼化物，可降低硼化物脆性，另外，部分鉻和鑰進入基體，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]鋁和矽:鋁和矽是非碳化物和硼化物形成元素，主要固溶於基體，提高基體抗高溫軟化能力，有利於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，有利於提高材料的抗磨蝕能力，加入量過多，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，得到高熔點的Ti (C，N), BN, ZrC等細小顆粒，這些細小顆粒可作為抗高溫磨蝕合金鋼的凝固核心，細化凝固組織，提高抗高溫磨蝕合金鋼的力學性能，加入量過多，凝固核心發生粗化，反而不利於凝固組織的細化，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品經粗加工後，隨爐加熱至1020?1050°C，保溫2?4小時後油冷，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。淬火處理後再在500?540°C進行回火處理，回火保溫時間6?10小時，然後爐冷至溫度低於200°C後，出爐空氣冷卻至室溫，主要是為了消除熱處理應力，穩定組織，確保材料的安全使用。
[0022]本發明效果:
[0023]①本發明抗高溫磨蝕合金鋼以廉價的硼、鋁、鉻等為主要合金元素，不含價格昂貴的鈷、鎳、f凡、銀等合金元素，具有較低的生產成本。
[0024]②本發明抗高溫磨蝕合金鋼採用普通電爐冶煉，採用鑄造方法成型，易於實現批
量生產。
[0025]③本發明抗高溫磨蝕合金鋼由於含有大量的Fe2B硼化物，具有硬度高和良好的抗高溫磨蝕能力。
【具體實施方式】
[0026]下面結合實施例對本發明作進一步詳述，但本發明並不限於以下實施例。
[0027]實施例1:
[0028]採用500公斤中頻感應電爐熔煉抗高溫磨蝕合金鋼，其製造工藝步驟是:
[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，鋼水熔清後加入娃鐵；
[0030]②爐前調整成分合格後將溫度升至1553°C，繼續加入金屬鋁和經450°C預熱2小時的硼鐵，保溫8分鐘後出爐；
[0031]③將氮化鉻鐵、鋯鐵和鈦鐵破碎至粒度為5?12_的小塊，經250°C烘乾3小時後，置於澆包底部，用包內衝入法對鋼水進行複合變質處理；
[0032]④當鋼水溫度為1422°C時澆入鑄型，澆注3小時後開箱空冷抗高溫磨蝕合金鋼產品，打掉澆冒口，清理殘根、飛邊、毛刺；
[0033]⑤抗高溫磨蝕合金鋼產品經粗加工後，隨爐加熱至1020°C，保溫4小時後油冷，然後在540°C進行回火處理，回火保溫時間6小時，然後爐冷至溫度低於200°C後，出爐空氣冷卻至室溫，最後精加工至規定尺寸和精度。抗高溫磨蝕合金鋼的成分見表1，抗高溫磨蝕合金鋼的力學性能見表2。
[0034]實施例2:
[0035]採用500公斤中頻感應電爐熔煉抗高溫磨蝕合金鋼，其製造工藝步驟是:
[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，鋼水熔清後加入娃鐵；
[0037]②爐前調整成分合格後將溫度升至1578°C，繼續加入金屬鋁和經400°C預熱3小時的硼鐵，保溫6分鐘後出爐；
[0038]③將氮化鉻鐵、鋯鐵和鈦鐵破碎至粒度為5?12mm的小塊，經200°C烘乾4小時後，置於澆包底部，用包內衝入法對鋼水進行複合變質處理；
[0039]④當鋼水溫度為1446°C時澆入鑄型，澆注5小時後開箱空冷抗高溫磨蝕合金鋼產品，打掉澆冒口，清理殘根、飛邊、毛刺；
[0040]⑤抗高溫磨蝕合金鋼產品經粗加工後，隨爐加熱至1050°C，保溫2小時後油冷，然後在500°C進行回火處理，回火保溫時間10小時，然後爐冷至溫度低於200°C後，出爐空氣冷卻至室溫，最後精加工至規定尺寸和精度。抗高溫磨蝕合金鋼的成分見表1，抗高溫磨蝕合金鋼的力學性能見表2。
[0041]實施例3:
[0042]採用500公斤中頻感應電爐熔煉抗高溫磨蝕合金鋼，其製造工藝步驟是:
[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，鋼水熔清後加入娃鐵；
[0044]②爐前調整成分合格後將溫度升至1567°C，繼續加入金屬鋁和經430°C預熱4小時的硼鐵，保溫7分鐘後出爐；
[0045]③將氮化鉻鐵、鋯鐵和鈦鐵破碎至粒度為5?12mm的小塊，經230°C烘乾3小時後，置於澆包底部，用包內衝入法對鋼水進行複合變質處理；
[0046]④當鋼水溫度為1440°C時澆入鑄型，澆注2小時後開箱空冷抗高溫磨蝕合金鋼產品，打掉澆冒口，清理殘根、飛邊、毛刺；
[0047]⑤抗高溫磨蝕合金鋼產品經粗加工後，隨爐加熱至1040°C，保溫3小時後油冷，然後在530°C進行回火處理，回火保溫時間8小時，然後爐冷至溫度低於200°C後，出爐空氣冷卻至室溫，最後精加工至規定尺寸和精度。抗高溫磨蝕合金鋼的成分見表1，抗高溫磨蝕合金鋼的力學性能見表2。
[0048]表I抗高溫磨蝕合金鋼的成分(質量分數，%)
[0049]
【權利要求】
1.一種抗高溫磨蝕合金鋼，其特徵在於，抗高溫磨蝕合金鋼的化學組成成分及其質量分數是: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 餘量。
2.製備權利要求1所述的一種抗高溫磨蝕合金鋼的方法，其特徵在於，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，鋼水熔清後加入矽鐵；②爐前調整成分合格後將溫度升至1550?1580°C，繼續加入金屬鋁和經400?450°C預熱2?4小時的硼鐵，保溫6?8分鐘後出爐；③將氮化鉻鐵、鋯鐵和鈦鐵破碎至粒度為5?12mm的小塊，經200?250°C烘乾2?4小時後，置於澆包底部，用包內衝入法對鋼水進行複合變質處理；④當鋼水溫度為1420?1450°C時澆入鑄型，澆注2?6小時後開箱空冷抗高溫磨蝕合金鋼產品，打掉澆冒口，清理殘根、飛邊、毛刺；⑤抗高溫磨蝕合金鋼產品經粗加工後，隨爐加熱至1020?1050°C，保溫2?4小時後油冷，然後在500?540°C進行回火處理，回火保溫時間6?10小時，然後爐冷至溫度低於200°C後，出爐空氣冷 卻至室溫，最後精加工至規定尺寸和精度。
【文檔編號】C22C38/32GK103436795SQ201310349587
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月12日 優先權日:2013年8月12日
【發明者】符寒光, 馬躍, 張錦紅, 鄭開宏, 雷永平, 高義民, 邢建東, 皇志富, 馬勝強 申請人:北京工業大學