CN100482840C - 一种导辊用镍基高温合金材料及其热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新材料制备及应用领域，涉及一种导辊用镍基高温合金材料及其热处理工艺。以K403合金为基础，考虑成本和性能因素，通过调整合金的成分，去除Co元素，适当的添加W、Nb和Fe元素，经过真空熔炼而成。随后对合金进行了不同的热处理工艺，所得到的镍基高温合金代替传统导辊材料，具有良好的抗高温氧化性能、抗热冲击性能和高温强度，其使用寿命相对于传统导辊材料有较大的提高，有较大的应用价值。在经济效益和环境能源方面都有着很好的发展前景。
Description
技术领域
本发明属于新材料制备及应用领域，特别涉及一种导辊用镍基高温合金材料及其热处理工艺。
背景技术
导辊是轧机的重要部件，用来输送型材和线材顺利的进入轧机。随着轧机轧制速度提高，滑动导卫(导辊)逐渐被滚动导卫取代。因为工作环境的复杂，导辊使用寿命短，导辊已成为高速线材轧机上的主要消耗部件。目前，国内外通常采用的导辊材料有三种。第一种是具有奥氏体组织的耐热钢；第二种是具有马氏体组织的耐磨钢或耐磨铸铁；第三种是硬质合金。奥氏体耐热钢具有良好的高温稳定性及韧性，但耐磨性差，磨损快。而且奥氏体与线材(组织为铁素体或奥氏体)本身的相互粘附倾向性较大，易发生粘钢。马氏体组织耐磨钢和耐磨铸铁在室温下具有良好的耐磨性，但随着使用温度的提高，马氏体发生回火，耐磨性会降低。硬质合金导辊具有良好的耐磨性和高温稳定性，其冲击韧性较差。
导卫装置设计的关键之一是高温抗磨材料的选择，传统的导辊材料已经不能满足导辊的高性能要求，发展新型的导辊材料显得尤为迫切。
镍基高温合金是随着航空业对高温材料不断提高的要求发展起来的，主要用在叶片材料等高温部件。叶片的工作环境也很恶劣，高温叶片不仅受高温作用，而且受动静载荷、热疲劳、高频振动、低周疲劳、氧化和高温腐蚀的作用。所以要求材料具有很高的高温拉伸强度，持久强度性能及良好的抗蠕变能力。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统导辊材料在服役时出现磨损，裂纹和断裂等频繁失效问题，而提供一种导辊用镍基高温合金材料及其热处理工艺。其特征在于，以K403合金为基础，通过调整合金成分，通过不同的热处理工艺，熔炼的镍基高温合金，提高、改善合金的硬度。
所述导辊用镍基高温合金材料的化学组成：C 0.1～0.2wt％，Cr 10～15wt％，Nb 1～3wt％，W 5～9wt％，Mo 2～5wt％，B 0.01～0.1wt％，Al 2～5wt％，Ti1～4wt％，Ce 0.01～0.1wt％，Fe 9～12wt％，Si 0.1～1wt％，Mn 0.1～0.5wt％，Ni余量。
所述热处理工艺包括以下步骤：
1)将上述化学组成的镍基高温合金材料进行普通真空铸造，真空度0.1Pa，模具为铁模，熔炼温度为1400～1500℃，熔炼时间为1.5h，模壳温度200～300℃；
2)将铸造合金在1140℃～1210℃进行固溶处理3～5h，再在空气冷却条件下，进行960℃、0～10h的时效热处理。
本发明的有益效果是为了提高合金的硬度，有针对性的设计了合金的成分，热处理可以有效地改变合金的组织和提高提高合金的硬度，改善其耐磨性能。特别是对γ′相强的材料具有良好的抗高温氧化性能、抗热冲击性能和高温强度，其使用寿命相对于传统导辊材料有较大的提高，有较大的应用价值。所得到的镍基高温合金代替传统导辊材料，良好的抗高温氧化性能、抗热冲击性能和高温强度，其使用寿命相对于传统导辊材料有较大的提高，有较大的应用价值。在经济效益和环境能源方面都有着很好的发展前景，
具体实施方式
本发明涉及一种导辊用镍基高温合金材料及其热处理工艺。本发明的特点及效果：本发明中，是以K403合金为基础，为了提高合金的硬度，有针对性的调整了合金的成分，其化学组成为C 0.1～0.2wt％，Cr 10～15wt％，Nb 1～3wt％，W5～9wt％，Mo 2～5wt％，B 0.01～0.1wt％，Al 2～5wt％，Ti 1～4wt％，Ce0.01～0.1wt％，Fe 9～12wt％，Si 0.1～1wt％，Mn 0.1～0.5wt％，Ni余量。
上述成份的调整主要考虑两个因素：性能和成本。在性能方面，为了提高提高合金的硬度，改善其耐磨性，在K403合金成分的基础上添加W。W主要起固溶强化作用，也是碳化物形成元素，W主要进入合金固溶体，减慢Al、Ti的高温扩散速度，加强固溶体中原子结合力，减慢软化速度。加入大于6wt％的W，能显著地改善合金的热强性。另外增加W含量可有利于形成M6C。碳化物为硬质相，有利于提高合金的硬度。在成本方面，Co元素相对价格较贵，因此去除了合金中的Co元素。并适当的增加了Fe的含量。为了降低去除Co元素对合金性能的负面影响，添加了少量的Nb元素。Nb主要进入γ′相，提高γ′相的稳定性，并强化固溶体。此外，还能提高合金的焊接和工艺性能。
合金的组织和性能具有密切的关系，而热处理可以有效地改变合金的组织和性能。特别是对γ′相强的材料具有良好的抗高温氧化性能、抗热冲击性能和高温强度，其使用寿命相对于传统导辊材料有较大的提高，有较大的应用价值。因此研究热处理制度对合金性能的影响一直是合金研究的一个重要方面。所进行的热处理都在普通热处理炉中完成，分为固溶和时效两个阶段。
所述热处理工艺包括以下步骤：
1)将上述化学组成的镍基高温合金材料进行普通真空铸造，真空度0.1Pa，模具为铁模，熔炼温度为1400～1500℃，熔炼时间为1.5h，模壳温度200～300℃；
2)将铸造合金在1140℃～1210℃进行固溶处理3～5h，再在空气冷却条件下，进行960℃、0～10h的时效热处理。
导辊要具有良好的耐磨性，抗热冲击性能和导热性能等。在对导辊材料的选择上，其主要指标是硬度、韧性、导热性能、抗氧化性能和高温强度。本发明的方法通过实施例进一步详细说明如下：
实施例1
按照以下化学成分：C 0.15wt％，Cr 11.7wt％，Nb 1.6wt％，W 7.9wt％，Mo 3.5wt％，B 0.02wt％，Al 3.5wt％，Ti 2wt％，Ce 0.07wt％，Fe 11.3wt％，Si 0.43wt％，Mn 0.1wt％，Ni余量。
普通真空铸造，真空度为0.1Pa，模具为铁模，熔炼温度为1400～1500℃，熔炼时间为1.5h，模壳温度200～300℃，熔炼出镍基高温合金，然后对铸造合金进行1140℃、4h、空气冷却的热处理。
实施例2
按照以下化学成分为C 0.15wt％，Cr 14wt％，Nb 2.5wt％，W 6wt％，Mo 3wt％，B 0.02wt％，Al 4.5wt％，Ti 3wt％，Ce 0.07wt％，Fe 9.5wt％，Si 0.43wt％，Mn 0.1wt％，Ni余量。按实施例1工艺进行热处理。
实施例3
实施例3在操作步骤和实验参数上与实施例1相同，与实施例1不同之处在于对铸造合金进行1200℃、4h，空气冷却的热处理。
实施例4
实施例4在操作步骤和实验参数上与实施例2相同；与实施例2不同之处在于对铸造合金进行1200℃、4h，空气冷却的热处理。
实施例5
实施例5在操作步骤和实验参数上与实施例1相同，与实施例1不同之处在于对铸造合金进行1190℃、4h空气冷却的热处理，再在空气冷却条件下，进行960℃、8h的时效热处理。
实施例6
实施例6在操作步骤和实验参数上与实施例2相同，与实施例2不同之处在于对铸造合金进行1190℃、4h空气冷却的热处理，再在空气冷却条件下，进行960℃、8h的时效热处理。
Claims (4)
1.一种导辊用镍基高温合金材料，其特征在于，以K403合金为基础的导辊用镍基高温合金材料的化学组成为：C 0.1～0.2wt％，Cr 10～15wt％，Nb 1～3wt％，W 5～9wt％，Mo 2～5wt％，B 0.01～0.1wt％，Al 2～5wt％，Ti 1～4wt％，Ce 0.01～0.1wt％，Fe 9～12wt％，Si 0.1～1wt％，Mn 0.1～0.5wt％，Ni余量。
2.一种权利要求1所述导辊用镍基高温合金材料的热处理工艺，其特征在于，所述热处理工艺包括以下步骤：
1)将上述化学组成的镍基高温合金材料进行普通真空铸造，真空度0.1Pa，模具为铁模，熔炼温度为1400～1500℃，熔炼时间为1.5h，模具温度200～300℃；
2)将铸造合金在1140℃～1210℃进行固溶处理3～5h，再在空气冷却条件下，进行960℃、0～10h的时效热处理。
3.根据权利要求2所述导辊用镍基高温合金材料的热处理工艺，其特征在于，按照化学组成为：C 0.15wt％，Cr 11.7wt％，Nb 1.6wt％，W 7.9wt％，Mo 3.5wt％，B 0.02wt％，Al 3.5wt％，Ti 2wt％，Ce 0.07wt％，Fe 11.3wt％，Si 0.43wt％，Mn 0.1wt％，Ni余量的镍基高温合金材料进行普通真空铸造，真空度为0.1Pa，模具为铁模，熔炼温度为1400～1500℃，熔炼时间为1.5h，模具温度200～300℃，熔炼出镍基高温合金，然后对铸造合金进行1140℃或1190℃、4h，空气冷却的热处理；再在空气冷却条件下，进行960℃、8h的时效热处理。
4.根据权利要求2所述导辊用镍基高温合金材料的热处理工艺，其特征在于，按照化学组成为C 0.15wt％，Cr 14wt％，Nb 2.5wt％，W 6wt％，Mo 3wt％，B 0.02wt％，Al 4.5wt％，Ti 3wt％，Ce 0.07wt％，Fe 9.5wt％，Si 0.43wt％，Mn 0.1wt％，Ni余量的镍基高温合金材料进行普通真空铸造，真空度为0.1Pa，模具为铁模，熔炼温度为1400～1500℃，熔炼时间为1.5h，模具温度200～300℃，熔炼出镍基高温合金，然后对铸造合金进行1140℃或1190℃、4h固溶处理，在空气冷却条件下的热处理；再在空气冷却条件下，进行960℃、8h的时效热处理。
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