CN102168211A - 一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温钴基合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温钴基合金，其化学成分（wt%）为：C0.05～0.20%、Si0.5～2.0%、Mn0.5～1.5%、Cr27～30%、Co39～41%、Ni14～18%、W2～5%、Ce0.02～0.2%，其余为Fe。与现有技术中的广泛使用的UmCo-50和KHR40CM合金相比，本发明的耐高温钴基合金的显著优点是：在1300℃的使用温度下具有较高的蠕变强度及抗氧化、抗腐蚀性能，能有效延长制成的耐热垫块的使用寿命。

Description

一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温钴基合金

技术领域

本发明涉及钴基高温合金，具体涉及一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温钴基合金。

背景技术

现在社会的国防、汽车、造船等工业正在飞速发展，国家对大型宽厚板的需求也越来越大，目前国际上宽厚板生产均采用高效节能的热连轧技术，步进式和推钢式加热炉是钢铁企业轧钢生产及产品深加工的关键设备，应用极其广泛。而耐热垫块作为轧钢加热炉的关键部件，长期处于高温、腐蚀气氛及高负载的恶劣工况，对材质要求非常严格。

1944年西屋公司（Westinghouse corporation）的Yan Keel9A发动机采用了钴基合金HS 23精密铸造叶片，自此以后钴基高温合金开始广泛用于制造航空发动机叶片制造及一些防腐蚀性能要求很高的零件。由于钴基合金具有比较平坦的应力——断裂时间（温度）曲线，也就是有较长的使用寿命，1963年德国Pose marre公司开发UmCo-50合金用于制造轧钢加热炉的耐热垫块，该合金比30Cr-25Ni-Fe系列高温合金的使用温度提高300℃，不仅具有优良的力学性能及化学性能，而且在高温下具有自润滑功能。

随着对钴合金材料研究的进一步深入，材料工作者发现UmCo-50在高温下仍有一些不足之处，在600～900℃长期使用析出有害的σ相，1000℃以上长期使用析出（Cr，Fe）₂N片状相，导致使用时垫块高度损耗较大，容易产生严重变形，影响使用寿命。1983年日本开发出了采用KHR40CM合金的耐热垫块，同UMCo-50合金耐热垫块相比，工作温度和抗氧化性能得到增强，垫块的极限高度进一步提升，减小了垫块顶部与钢坯的温差，使被加热钢坯的“黑印”情况有效降低。现在钴基高温合金已广泛应用于全世界范围内的轧钢用步进式和推钢式加热炉。

近年来，轧钢用步进式大型板坯加热炉中开始广泛采用高效节能的汽化冷却技术，但耐热垫块的使用温度也随之增加，普遍工作在1300℃～1350℃，KHR40CM合金长期工作在这样的恶劣工况条件下时，使用寿命无法得到有效保证，各加热炉公司正在积极探索适合制造耐热垫块的新型高温合金。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温钴基合金，以使其在1300℃的使用温度下具有较高的蠕变强度及抗氧化、抗腐蚀性能，有效的延长使用寿命。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温钴基合金，化学成分（wt%）为：C 0.05～0.20%、Si 0.5～2.0%、Mn 0.5～1.5%、Cr 27～30%、Co 39～41%、Ni 14～18%、W 2～5%、Ce 0.02～0.2 %，其余为Fe。

化学成分优选为：C 0.12～0.15 wt%、Si 1.5～1.7 wt%、Mn 1.2～1.4 wt%、Cr 27～29 wt%、Co 39～40 wt%、Ni 15～17 wt%、W 3～4 wt%、Ce 0.05～0.1 wt%，其余为Fe。

一种轧钢加热炉的耐热垫块，由上述的耐高温钴基合金制成。采用本合金制造的耐热垫块，主要适用于轧钢用步进式加热炉，宜采用双真空冶炼工艺精密铸造成型，较目前广泛使用的UmCo-50和KHR40CM合金制成的耐热垫块相比，具有更好的组织稳定性和抗氧化性，提高了高温蠕变强度及使用寿命。

耐热垫块是一种长期处于高温中等应力工况的静态部件，在合金加入39～41 wt%的Co来发挥钴基合金在该使用条件下的优势，保证本合金的高温抗蠕变强度。

在合金加入14～18 wt%的Ni，提高了基体面心立方γ相的稳定性，改善了合金析出各种有害相的倾向，使合金氧化膜与基体的结合强度提高，1300℃时抗氧化性能良好，适量的Ni不会明显降低合金的耐磨性。

本合金含有27～30 wt%的Cr，以提高耐腐蚀性和形成硬质碳化物从而提高耐磨性，同时也提高了合金的抗高温氧化性能。超出此上限值的Cr浓度会导致熔融合金流动缓慢，具有较差的铸造性能，且导致合金产生内部裂纹的倾向增大。

本合金含有2～5 wt%的W，起到一定的固溶强化作用，提高了合金再结晶温度，阻碍扩散型形变，同时形成了部分稳定的起时效沉淀强化作用的γ′相，从而有效提高了本合金的高温蠕变强度。

本合金加入了适量的Si，有助于增加合金的流动性并作为脱氧剂，起到了一定的固溶强化作用，其浓度应足够高，以便能在合金内实现这些有利的影响，但不应过高以致降低合金的韧性。本发明中Si含量控制在0.5～2.0 wt %。

本合金含有0.10～0.20 wt%的C，可形成骨架状的碳化物和共晶碳化物，对提高合金高温强度具有积极作用，但浓度应严控制。

稀土元素Ce的加入，提高了合金的纯净度，大幅度消除了S、P等有害杂质的危害，有益于合金的高温持久性能。

制备方法：采用本发明制备的轧钢加热炉耐热垫块，宜采用双真空冶炼工艺，精密铸造成型。第一次真空冶炼母合金，按GBn 185-82标准执行；第二次精炼垫块合金。经过双真空冶炼后的耐热垫块杂质和有害气体含量较低、垫块内部微裂纹和晶界低熔点共晶相消除，明显提高耐热垫块的强度和抗氧化性能。

有益效果：与现有技术中的广泛使用的UmCo-50和KHR40CM合金相比，本发明的耐高温钴基合金的显著优点是：在1300℃的使用温度下具有较高的蠕变强度及抗氧化、抗腐蚀性能，能有效延长制成的耐热垫块的使用寿命。

附图说明

图1是本发明耐高温钴基合金金相图；

图2是耐高温钴基合金的化学成份（wt%）表图；

图3是耐高温钴基合金垫块在汽化冷却步进粱式加热炉中对比使用结果表图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温钴基合金，化学成分（wt%）为：C 0.05～0.20%、Si 0.5～2.0%、Mn 0.5～1.5%、Cr 27～30%、Co 39～41%、Ni 14～18%、W 2～5%、Ce 0.02～0.2 %，其余为Fe。

化学成分优选为：C 0.12～0.15 wt%、Si 1.5～1.7 wt%、Mn 1.2～1.4 wt%、Cr 27～29 wt%、Co 39～40 wt%、Ni 15～17 wt%、W 3～4 wt%、Ce 0.05～0.1 wt%，其余为Fe。

该合金的金相图如图1所示。

实施例2

一种轧钢加热炉的耐热垫块，由实施例1的耐高温钴基合金制成。

制备方法为：采用双真空冶炼工艺，精密铸造成型。第一次真空冶炼母合金，按GBn185-82标准执行；第二次精炼垫块合金。经过双真空冶炼后的耐热垫块杂质和有害气体含量较低、垫块内部微裂纹和晶界低熔点共晶相消除，明显提高耐热垫块的强度和抗氧化性能。

制造出的耐热垫块，主要适用于轧钢用步进式加热炉，较目前广泛使用的UmCo-50和KHR40CM合金制成的耐热垫块相比，具有更好的组织稳定性和抗氧化性，提高了高温蠕变强度及使用寿命。

实施例3  试用对比试验

对比试验中由实施例2制造的耐热垫块，与作为对比试验的KHR40CM合金耐热垫块均采用双真空冶炼工艺精密铸造成型，各抽取其中的4炉，具体化学成分见图2。在采用汽化冷却的轧钢步进粱式加热炉中对二者进行实际试用的对比试验，

在试用中，延均热段水粱炉宽方向将采用本发明合金制造的耐热垫块和KHR40CM耐热垫块均匀交替布置，然后对被测量垫块统一编号，以便在同一温度梯度区间进行比较，具体使用结果如图3所示。

从图3的数据可以明显得出：较目前广泛使用的UmCo-50和KHR40CM合金制成的耐热垫块相比，具有更好的组织稳定性和抗氧化性，提高了高温蠕变强度及延长了使用寿命。

Claims (3)

1.一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温钴基合金，其特征在于，化学成分为：      C 0.05～0.20 wt%、Si 0.5～2.0 wt%、Mn 0.5～1.5 wt%、Cr 27～30 wt%、Co 39～41 wt%、Ni 14～18 wt%、W 2～5 wt%、Ce 0.02～0.2 wt%，其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温钴基合金，其特征在于：化学成分为：C 0.12～0.15 wt%、Si 1.5～1.7 wt%、Mn 1.2～1.4 wt%、Cr 27～29 wt%、Co 39～40 wt%、Ni 15～17 wt%、W 3～4 wt%、Ce 0.05～0.1 wt%，其余为Fe。

3.一种轧钢加热炉的耐热垫块，其特征在于，由权利要求1所述的耐高温钴基合金制成。

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