CN101403073A

CN101403073A - 自生碳化物粒子强化铁素体耐热钢及其制造方法

Info

Publication number: CN101403073A
Application number: CNA2008101599946A
Authority: CN
Inventors: 于化顺; 郭洪卫; 孙武; 汪永烈; 李义林; 赵欣
Original assignee: JINAN JIGANG IRON ALLOY FACTORY
Current assignee: JINAN JIGANG IRON ALLOY FACTORY
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2028-11-14
Also published as: CN101403073B

Abstract

本发明涉及一种用于烧结机篦条的自生碳化物粒子强化铁素体耐热钢及其制造方法，所述的耐热钢，以质量百分比表示，含有0.6％～1.2％的C，1.0％～1.5％的Si，0.5％～1.0％的Mn，18％～26％的Cr，0.2％～1.0％的Mo，0.05％～0.15％的Re，0.05％～0.2％的Al，＜0.03％的S，＜0.05％的P，0.5％～3％的Ti、V和Nb中的一种以上，剩余部分为铁和不可避免的杂质。所述的制造方法为在感应电炉中熔化制造铁素体耐热钢基体合金的原料，然后将钢液升温到1520℃以上进行扒渣，脱氧，并过热到1540℃～1560℃，出钢，进行复合化处理。本发明显著改善了耐热钢的性能，延长了烧结机篦条的使用寿命，且制造方法简单，便于工业化生产，生产成本较低。

Description

自生碳化物粒子强化铁素体耐热钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于烧结机篦条的自生碳化物粒子强化铁素体耐热钢及其制造方法，属于冶金技术领域。

背景技术

烧结机是钢铁冶金的关键设备，篦条是烧结机的关键易损件。其工作温度在100～1000℃范围内周期变化；高温烧结过程中承受烧结矿料重力作用，粉气两项气流的高速冲击摩损，以及气氛中一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫和水蒸气等的氧化腐蚀；卸料过程中承受烧结矿的机械磨损；另外还有运行过程中的机械振动、清理过程的机械冲击等。高温氧化、腐蚀、磨损、冲击、热疲劳的综合作用结果使烧结机篦条发生弯曲变形、间隙增大，甚至断裂等现象，造成漏料及烧结工况改变，既恶化工作环境，又降低烧结质量，必须维修、更换。若停机维修则影响正常生产、降低设备利用率及产量，而若在线更换则工人劳动条件、安全性较差。因此，提高篦条的使用寿命一直是冶金企业需要解决的关键技术问题之一。

耐热钢是高温条件下工作零部件的主要材料之一，按耐热钢的基体组织可分为奥氏体耐热钢、铁素体耐热钢和双相耐热钢。其中铁素体耐热钢因其不含或少含价格昂贵的镍元素，成本低廉，且热膨胀系数较小、抗变形能力强而越来越受到重视。但其易形成沿晶界分布的Cr₂₃C₆型碳化物，且随着Cr和C含量的提高形成倾向增大。其不仅显著降低室温冲击韧性，而且由于Cr₂₃C₆的高温热稳定性较差，高温强度较低。

国外烧结机篦条曾主要采用高铬镍耐热钢，如Cr20Ni14、Cr25Ni20等。为了改善铁素体耐热钢的性能通常采用降低碳含量、添加W、Mo、Co、Ti、V、Nb、N、B、Zr、Ni、RE等合金元素及热处理沉淀强化等方法。如美国专利7,211,159公开了一种铁素体耐热钢：C≤0.01％，Cr 1.0～13％，Co 0.1～8.0％，N 0.01～0.20％，Ni≤3.0％，(V、Nb、Ta、Ti、Hf、Zr)0.01 to 0.50％，通过1000～1300℃固溶处理和500～850℃时效处理，获得MX型沉淀强化相。美国专利6,162,307公开了一种铁素体耐热钢：C 0.02～0.15％，Si 0～1.0％，Cr 1.0～13％，Mn 0.05～1.5％，Ni 0～1.5％，Cr 8.0～13.0％，W 1.5～4.0％，Mo 0～1.0％，Co 2.0～8.0％，V 0.10～0.50％，Ta 0.01～0.50％，Nb 0～0.15％，Nd 0.001～0.24％，Ca 0～0.010，Mg 0～0.010％，N 0.020～0.12％，B 0.～0.030％，Al0.001～0.050％。

而我国因镍资源贫乏，价格昂贵则很少采用。国内烧结机篦条所用的材料主要有如下几类：

(1)普通铸铁：成本低，综合性能差，目前已很少使用。(2)耐热铸铁：脆性较大、抗氧化性较差，使用寿命短，目前使用很少。(3)高铬铸铁：高温抗氧化性良好，硬度高、耐磨性好，热膨胀系数小、抗变型能力强，但其韧性较差。如许利军研制的含镍、铝的高铬铸铁篦条，其成分为C 2.1～3.15％、Cr 20～24％、Al 0.016～1.12％、Si 1.16～2.10％、Mn 0.14～0.16％、Ni 0.16～1.12％；符寒光等研制的铬、铝、硅、镍多元合金化并经硼、镐编制的高铬铸铁篦条，其成分为C 1.8～2.8％、Cr 22～28％、Al 3～7％、Si 1.0～2.5％、Mn 0.5～1.0％、Ni 0.3～1.2％、B 0.005～0.04％、Zr 0.04～0.10％、Y 0.08～0.25％；王立信等研制的含镍、钼、钒的高铬铸铁篦条，其成分为C 1.0～1.2％、Cr 20～25％、Al 3～7％、Si 0.6～1.0％、Mn 0.8～5.0％、Ni 0.2～0.8％、Mo 0.6～1.2％、V 0.1～0.5％、RE 0.01～0.03％等。(4)奥氏体耐热钢：高温抗氧化性及高温强度较好、塑韧性高，但膨胀系数大、抗变型能力及耐磨性较差，且成本较高。(5)铁素体耐热钢：膨胀系数小、抗变型能力及抗氧化能力较好，但其高温性能尚需提高。2002年5月15日公开的公开号为1349001的中国专利“一种制备碳化物颗粒复合强化高温耐热钢方法及设备”，是由C、Ti、Nb、Ta、W、Al中的几种组成的混和粉末包裹线与Cr 24～28％，Ni 13～18％，C 0.5～3％的母合金液连续反应生成TiC，NbC，TaC，WC化合物，并在电磁搅拌作用下使之均匀分布。

随着对烧结矿产量及质量要求的提高，烧结矿厚度增加、烧结温度及时间的延长，对篦条材料的性能尤其高温抗氧化性、高温强度、高温耐磨性及抗热疲劳性等提出了更高的要求，传统的材料已难以满足要求。因此，研制成本低廉、高温强度高、耐磨性好的新型耐热材料及其制备技术是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种自生碳化物粒子强化铁素体耐热钢，以显著改善篦条材料的高温强度、抗氧化性、耐磨性及室温冲击韧性，从而显著提高烧结机篦条的使用寿命。

本发明的另一目的是提供所述的自生碳化物粒子强化铁素体耐热钢的制造方法，以改善增强粒子与基体合金的界面结合，以及其在基体合金中的分布均匀性。

本发明的技术方案如下：

本发明的自生碳化物粒子强化铁素体耐热钢，以质量百分比表示，含有0.6％～1.2％的C，1.0％～1.5％的Si，0.5％～1.0％的Mn，18％～26％的Cr，0.2％～1.0％的Mo，0.05％～0.15％的RE，0.05％～0.2％的Al，＜0.03％的S，＜0.05％的P，0.5％～3％的Ti、V和Nb中的一种以上，剩余部分为铁和不可避免的杂质，其中Ti、V和Nb中的一种以上与铁素体耐热钢基体合金中的C反应生成的MX型碳化物TiC、VC、NbC。

本发明所述的自生碳化物粒子强化铁素体耐热钢的制造方法，包括以下步骤，在感应电炉中熔化制造铁素体耐热钢基体合金的原料，然后将钢液升温到1520℃以上进行扒渣，脱氧，并过热到1540℃～1560℃，出钢，进行复合化处理。

上述本发明的制造方法，所述的复合化处理为：当钢液量为浇包总量1/3时，加入预热200℃～300℃的钛铁、钒铁和铌铁中的一种以上的合金颗粒，再出满钢水，适当机械搅拌、扒渣后浇注，获得铸件。

上述本发明的制造方法，所述的钛铁、钒铁和铌铁的合金颗粒尺寸优选为0.5mm～1mm。

本发明的自生碳化物粒子强化铁素体耐热钢，如前所述含有特定量的特定构成元素，规定各构成元素的含量范围的理由如下：

1.铬含量的选择：固溶于基体的铬是提高钢氧化性的主要元素，随着铬含量的增加，氧化膜中的Cr₂O₃增加，氧化膜的致密性、稳定性及其与钢基体的附着性显著改善，从而有效保护钢基体，改善其抗氧化性能。材料得抗氧化性一般以平均氧化速度(单位时间单位面积的氧化增厚或减重)表示，通常认为当平均氧化速度小于0.5g/m/h时视为该材料在该温度下抗氧化，否则视为不抗氧化。根据烧结机篦条的使用温度条件和气氛条件，并综合考虑铸造性能(随着铬含量增加，铸造性能变差)和成本等因素，选择铬的成分范围为18-26％。

2.碳含量的选择：碳是影响钢性能的主要元素，随着碳量的增加，碳化物数量增加，硬度高、耐热性好、高温强度增加，并且可明显阻止晶粒的高温长大趋势、减少回火脆性；但随着碳含量增加，材料的韧性降低，且降低基体中的铬含量、降低合金的熔点，对抗氧化性不利。可见，随着含碳量增加，耐热钢的硬度增加，这与铬碳化物的增加有关，当碳含量大于1.0％时，硬度增加不明显。耐热钢的冲击韧性随含碳量的增加是先增加后减少，在0.6％时最大。在较低含碳量时随碳含量增加冲击韧性增加，主要与组织细化有关，而在含碳量较高时随着碳含量增加韧性降低，则主要与碳化物增加有关。综合考虑室温冲击韧性和硬度，并兼顾抗氧化性等性能，确定碳含量为0.6-1.2％。

3.硅含量的选择：

硅在钢中不形成化合物，几乎全部溶入铁素体。在高温氧化性气氛下，能够形成一层致密的SiO₂保护膜，有利于提高钢的抗氧化性，但随着硅含量的提高抗氧化性明显提高，脆性增加，冲击韧性和硬度均降低。当硅含量大于1.5％时，冲击韧性和硬度明显降低。综合考虑硅对耐热钢冲击韧性和硬度影响，以及对抗氧化性能的影响，确定耐热钢中硅含量为1.0-1.5％。

4.其他合金元素的选择

Mo：钼是碳化物形成元素，含量较低时主要溶入基体，是提高钢的强度，尤其是高温强度最有效的元素之一，含量较高时会形成碳化物，强化作用不明显，且钼铁价格昂贵，因此选择钼含量为0.2-1.0％。

Mn：锰对钢水有脱氧脱硫作用，有利于消除钢中的非金属夹杂物、改善夹杂物的形态分布，从而提高钢的强度和韧性，但其对高铬钢的抗氧化性有不利影响，故选择锰含量为0.5-1.0％。

RE：稀土具有较强的脱硫、脱氧能力，能够改善夹杂物的形态及分布，并具有较强的细化晶粒、净化晶界，减少晶界处低熔点物，从而改善高温强度及抑制高温晶粒长大、减少高温回火脆性倾向，但太高时反而增加夹杂物数量，对性能不利，故控制其残留量为0.05-0.15％。

Al：铝是炼钢过程中最常用的终脱氧元素，且铝能够显著提高钢的高温抗氧化性，但含量较高时易导致铸造性能差、脆性增大、夹杂物数量增加等，故选择其含量为0.05-0.2％。

S、P：硫和磷在钢中都是有害元素，尤其对于耐热钢危害更大，因为硫、磷化合物多为熔点低、脆性大，不仅降低耐热钢的室温冲击韧性，而且显著降低高温强度，因此，必须严格控制。因此确定其含量为S＜0.03％，P＜0.05％。

5.Ti、V、Nb：都是强碳化物形成元素，既可以外加，也可以反应生产。由于Ti、Nb、V等的碳化物或氮化物与钢的密度差较大，外加难度较大，难以分布均匀，而且在高温下易发生溶解或界面反应，使增强效果较低，为此选择自生反应生成。主要反应为：Ti+C＝TiC，Nb+C＝NbC，V+C＝VC。所形成的碳化物增强粒子既能有效抑制晶粒的长大，又可作为非自发结晶核心。反应生成的碳化物增强粒子含量较少时，尺寸小于5μm，且几乎全为晶内分布，而晶界铬碳化物较多，尺寸较大。随着碳化物增强粒子的增加，其尺寸也增加，但增加幅度较小，晶界铬碳化物数量则明显减少。因此，高熔点、高化学稳定性分布均匀性良好的增强粒子的存在，不仅有利于改善耐热钢的冲击韧性、提高其室温及高温强度和高温耐磨性，而且有利于提高基体中的Cr含量，这对烧结机篦条等高温、磨损条件下工作的零部件寿命的提高是非常有利的。

本发明的有益效果是：

(1)显著提高了耐热钢的强度、高温抗氧化性、室温冲击韧性、硬度和耐磨性，降低了热膨胀系数；

(2)显著降低了烧结机篦条的氧化、磨损，有利于防止变形；

(3)不仅有利于保证烧结机的运行稳定性、提高设备利用率和工作效率、节能降耗，而且有利于降低公认的劳动强度、改善工作环境，社会效益巨大；

(4)制造方法无需特殊设备，工艺简单，便于工业化生产，使产品成本较低，且综合性能优越，市场竞争力强，便于推广应用。

附图说明

图1，图2为自生碳化物粒子强化铁素体耐热钢的金相组织透射显微镜照片。

具体实施方式

选取本发明产品的3个实施例与报道的烧结机篦条材料高铬铸铁、变质耐热钢进行性能比较，见表1和表2所示。

表1

实施例1的耐热钢的制备方法为：在1吨感应电炉中，先熔化回炉料和废钢，再加入含C、Si、Mn、Cr、Mo、RE的铁合金，待其完全熔化均匀后取样分析成分并根据分析结果进行调整，使耐热钢中各元素的含量达标，将钢液升温到1520℃以上进行扒渣，脱氧，并过热到1540～1560℃，在1540℃～1580℃出钢，进行复合化处理。复合化处理工艺如下：当钢液量为浇包总量1/3时，加入预热200℃～300℃的钛铁、钒铁和铌铁的合金颗粒，合金颗粒尺寸为1mm，再出满钢水，适当机械搅拌、扒渣后，在1500℃～1520℃浇注，获得铸件。实施例2和3的制备方法同实施例1。

表2

由表2可知，与比较钢相比，本发明的耐热钢高温时的拉伸强度和屈服强度都显著改善。说明反应生成的碳化物增强粒子对高温的强化效果较好，这可能与自生碳化物增强粒子的高熔点、高温稳定性有关。晶内增强粒子能够有效阻碍高温时位错移动，晶界增强粒子有效抑制高温时晶界相对滑动，从而显著提高高温强度。

本发明的耐热钢在900℃下有很好的抗氧化性，比比较钢的平均氧化速度减少约20％。这主要是由于复合强化相形成元素Ti/V/Nb的加入及碳化物增强粒子的形成，显著减少了晶界Cr₇C₃的形成，增加了基体中固溶的Cr含量，在高温条件下形成的氧化膜中Cr₂O₃含量提高、氧化膜的致密性增加，从而有效阻碍氧原子扩散、降低氧化速度。复合强化相的形成还能够改善室温冲击韧性和硬度。这主要与反应生成碳化物增强粒子能够细化晶粒有关。另外，由于反应生成增强粒子的熔点高、高温稳定性好、高温硬度高，对提高高温硬度及高温耐磨性将是十分有利的。

Claims

1.一种自生碳化物粒子强化铁素体耐热钢，其特征在于：以质量百分比表示，含有0.6％～1.2％的C，1.0％～1.5％的Si，0.5％～1.0％的Mn，18％～26％的Cr，0.2％～1.0％的Mo，0.05％～0.15％的RE，0.05％～0.2％的Al，＜0.03％的S，＜0.05％的P，0.5％～3％的Ti、V和Nb中的一种以上，剩余部分为铁和不可避免的杂质，其中Ti、V和Nb中的一种以上与铁素体耐热钢基体合金中的C反应生成的MX型碳化物TiC、VC、NbC。

2.一种权利要求1所述的自生碳化物粒子强化铁素体耐热钢的制造方法，其特征在于：包括以下步骤，在感应电炉中熔化制造铁素体耐热钢基体合金的原料，然后将钢液升温到1520℃以上进行扒渣，脱氧，并过热到1540℃～1560℃，出钢，进行复合化处理。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：所述的复合化处理为：当钢液量为浇包总量1/3时，加入预热200℃～300℃的钛铁、钒铁和铌铁中的一种以上的合金颗粒，再出满钢水，适当机械搅拌、扒渣后浇注，获得铸件。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于：所述的钛铁、钒铁和铌铁的合金颗粒尺寸为0.5mm～1mm。