CN102808124B

CN102808124B - 耐高温铸造钴基合金及其制备方法

Info

Publication number: CN102808124B
Application number: CN201210315337.2A
Authority: CN
Inventors: 余光明; 吴树森; 卢献忠; 毛有武; 吴建鹏; 胡诚; 刘龙飞; 杨书范; 杜雪唐; 钟毅
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology; Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wisco Zhongye Industrial Technology Service Co Ltd
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: CN102808124A

Abstract

本发明公开了一种耐高温铸造钴基合金及其制备方法，所述合金的化学成分按重量百分数比为：Co：18~40%，Cr：27~32%，Ni：10~25%，Si：0.5~2%，Nb：1.0~3.0%，Mn：0.5~1%，C：0.05~0.12%，RE：0.01~0.1%、其余为Fe。本发明通过原材料选择、熔炼工艺、熔体的变质处理工艺、浇注工艺等的合理选择，有效地提高了钴基高温合金材料的综合性能。该材料可用于制造连铸连轧输送带的钴基合金辊环等零件。本发明采取了良好的熔体处理措施，合理的熔化顺序，添加了效果显著的脱氧剂和RE稀土精炼剂，极大的降低了熔体中的氧化夹杂，大大提高了合金元素的固溶强化效果。

Description

耐高温铸造钴基合金及其制备方法

技术领域

本发明属于有色金属材料及其制备成型领域，涉及一种耐高温铸造钴基合金及其制备方法。

技术背景

连铸连轧短流程轧钢生产线是当今世界钢铁生产工艺发展中的一项重大高新技术，它集中了炉外精炼、近终形高速连铸、隧道式加热、现代热轧及在线温度、厚度、板形等自动检测与计算机过程控制等一系列高新技术，致使热带生产实现了从钢水到成品的连续、自动化生产，具有生产过程紧凑、周期短、成材率高、能耗低、投资少、成本低、经济效益明显等一系列优点。连铸连轧生产线需要有隧道型、辊底式加热炉对钢板进行加热，而钢板在加热炉内运动时是在耐热合金辊环上进行运动的。因此，在生产较薄的钢板时，耐热合金辊环要承受加热炉内1150°C~1250°C的高温，保持较高的抗氧化性及高温强度。一些进口生产线采用Co50合金（即含Co50%，其余主要为Cr及Fe元素）制造钴基合金辊环。但是，这种材料成本很高，高温性能也有待改善。因此，开发低成本的、能满足高温性能要求的低成本钴基合金具有重要的意义。

近年来，国内外在钴基合金方面的有很多发明，公开号为CN14177360A的中国发明专利公开了一种铸造耐蚀耐磨钴基合金，该钴基合金中Co：35~65%、Cr：25~35%、Ni：2~15%、Si：0.5~3.0%、C：1.0~2.5%、Mo：1~6%、W：5~20%、Cu：0.5~2.0%，主要用于低温下耐腐蚀的场合，最高含钴量超过60%。公开号为CN1241218A的中国发明专利一种钴基合金，由该合金制得的制品及其制造方法，该钴基合金中Co：42~60%，Cr：26~34%，Ni：6~12%，W：4~8%，Ta：2~4%等，主要用于玻璃制造等高温或腐蚀环境，最高含钴量也达60%，此外还含有W及Ta元素。公开号为CN102168211A的中国发明专利一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温钴基合金，该钴基合金，Co：39~41%，Cr：27~30%，Ni：14~18%，W：2~5%，C：0.05~0.2%，Si：0.5~2.0%，Mn：0.5~1.5%等，主要用于轧钢加热炉的耐热垫块的固定非运动件，Co最低含量39%，且含有W元素。公开号为CN1045631C中国发明专利一种加热炉用钴基合金，该钴基合金中Co：40~55%，Cr：25~32%，Nb：0.2~2%，Y：0.05~0.2%，Zr：0.02~0.1%，B：0.02~0.1%等，Co最高含量55%，且含有Y、B等元素，不含Ni。公开号为CN102080172 A的中国发明专利一种抗疲劳耐高温钴基合金主要特征是W：15.5~18.8%，Cr：31~35%，Cu：5.0~7.2%等，余量为Co。公开号为CN102418026 A的中国发明专利，该钴基合金中Co：25~35%，Cr：25~35%，Mo：0.5~3%，Ni：3~8%等，主要特征是含Mo及含较少量Ni，用于抗腐蚀性氧化的场合。

公开号为WO98/35067的PCT专利Nickel-free Austenitic Cobalt-based alloy发明了一种无镍奥氏体钴基合金，其主要成分为Cr：10~18%，Ti：4~6%，Mn：0~3%，Al：0~3%，Fe：5~20%，其目的是具有好的抗腐蚀性及塑性加工性。公开号为WO97/05297的PCT专利Cobalt alloy发明一种钴基合金，其主要成分为Cr：22~25%，C：0.35~0.55%，Ni：9~11%，Ti：0.15~0.5%，Al：0.1~0.25%，W：6.5~7.5%，以及Co等，主要特征是含W及含Al，发明的目的是用于反复高温及低温循环的场合，如燃气轮机叶片等。

钢铁企业轧钢生产线使用大量高温合金，主要用作加热炉内垫块和钢坯的运送辊上。国内用到的这类高温合金大部分采用Co50或更高钴含量的合金制造，成本高昂。而且许多研制的材料只能满足小于1150°C较低的生产温度需要。急需研制一种新材料，以降低成本并改善高温性能，用于使用温度达到1250℃左右的生产线用的钴基合金部件的制造。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐高温铸造钴基合金及其制备方法，该铸造钴基耐热合金能够在1150°C~1250°C温度下工作，该材料能够应用于轧钢线的均热炉、高温炉内等场合下，且生产成本比传统的钴基合金低，具有高的高温强度及耐磨性能。

为实现上述目的，本发明所设计的一种耐高温铸造钴基合金：其特征在于：所述合金的化学成分按重量百分比为：Co：18~40%，Cr：27~32%，Ni：10~25%，Si：0.5~2%，Nb：1.0~3.0%，Mn：0.5~1%，C：0.05~0.12%，RE：0.01~0.1%，其余为Fe；其中，RE为混合稀土，RE中的Ce与La之和大于50%。

进一步地，所述合金的化学成分按重量百分比为：Co：18~25%，Cr：27~32%，Ni：15~25%，Si：0.5~2%，Nb：1.0~3.0%，Mn：0.5~1%，C：0.05~0.12%，RE：0.01~0.1%，其余为Fe；其中，RE为混合稀土，RE中的Ce与La之和大于50%。

本发明还提供了一种所述的耐高温铸造钴基合金的制备方法，包括以下步骤：

1）按所述合金化学成分的重量百分比准备好对应含量的Co、Cr、Ni、Si、Nb、Mn、C、RE和Fe原料；

2）将Co、Cr、Ni、Nb和Fe原料投入到感应电炉中，混合熔化为钴基合金熔体；

3）将钴基合金熔体过热到1600~1650℃，然后加入Mn、Si原料，进行预脱氧处理，除去表面熔渣，再将预脱氧钴基合金熔体的温度调到1550~1600℃；

4）向预脱氧处理后的钴基合金熔体中加入RE原料，进行熔体的精炼和变质处理；

5）除去精炼和变质处理后的钴基合金熔体表面熔渣，在1450~1500℃的温度条件下进行浇注，即可得到耐高温铸造钴基合金的铸件。

作为优选方案，所述Co、Ni、Fe原料采用与其对应的纯金属，所述C、Cr原料采用微碳铬铁，所述Nb、Si、Mn原料采用铌铁、硅铁和锰铁，所述RE原料中的Ce与La之和为52~55%。

本发明优点如下：

1）本发明将成分设计和传统铸造方法相结合，通过原材料选择、熔炼工艺、熔体的变质处理工艺、浇注工艺等的合理选择，有效地提高了钴基高温合金材料的综合性能。该材料可用于制造连铸连轧输送带的钴基合金辊环等零件。

2）本发明的铸造钴基合金，钴含量在18%~25%，同时在合金成分中添加Ni取代部分Co，即保证了合金良好的热强度和耐氧化性，又比同类高Co含量的钴基合金的成本降低。

3）采取了良好的熔体处理措施，合理的熔化顺序，添加了效果显著的脱氧剂和RE稀土精炼剂，极大的降低了熔体中的氧化夹杂，大大提高了合金元素的固溶强化效果。

4）本发明的钴基高温合金严格控制了碳元素的含量，选用的原料均是含碳量非常少的材料，碳化物没有富集分布，而是极细小的均匀分布在基体中，晶粒圆整而细小，如图1所示，有利于提高铸件整体的力学性能和抗氧化能力。

5）本发明的耐热钴基合金的制备方法包括熔炼和变质处理二个过程。Co、Ni、Fe元素的材料采用纯金属原料加入，Cr元素的材料通常采用微碳铬铁的形式加入，Nb元素的材料采用铌铁的形式加入。在开始制备前，先将原料按上述质量百分比配好备用。脱氧剂Si通常采用硅铁中间合金，Mn采用锰铁中间合金。精炼及变质剂RE是以混合稀土的材料加入。在制备过程中，Si、Mn作为脱氧剂加入，RE作为精炼及变质剂加入，起到终脱氧及晶粒细化的作用。严格控制各个阶段的操作温度，以及浇注温度。采用感应电炉或真空感应电炉进行快速熔炼的方法熔炼及浇注。

附图说明

图1为本发明的钴基合金的铸态金相组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明一种耐高温铸造钴基合金及其制备方法作进一步的详细说明。

实施例1

耐高温铸造钴基合金，所述合金的化学成分按重量百分数比为：Co：40%，Cr：27，Ni：25%，Si：0.5%，Nb：1.0%，Mn：1%，C：0.05%，RE：0.01，其余为Fe，其中，RE中的Ce与La含量为52%。

3）将钴基合金熔体过热到1600℃，再加入锰铁和硅铁，进行预脱氧处理，除去表面熔渣，再将预脱氧钴基合金熔体的温度调到1550℃；

5）除去精炼和变质处理后的钴基合金熔体表面熔渣，在1450℃的温度条件下进行浇注，即可得到耐高温铸造钴基合金的铸件。

该材料的力学性能可达到室温强度480MPa，1000℃高温强度115MPa。

本实施例和以下实施例中制备耐高温铸造钴基合金所需的原料为99.98%纯Co，99.98%的纯Ni、含0.06%C和600%Cr的微碳铬铁，含75%Nb的铌铁、99.9%的纯Fe、锰铁和硅铁；RE为市场上可以买到的FeSiRe23。

实施例2

耐高温铸造钴基合金：所述合金的化学成分按重量百分数比为：Co：18%，Cr：32%，Ni：10%，Si：2.0%，Nb：3.0%，Mn：0.5%，C：0.12%，RE：0.1%，其余为Fe，其中，RE中的Ce与La含量为52%。

3）将钴基合金熔体过热到1650℃，再加入锰铁和硅铁，进行预脱氧处理，除去表面熔渣，再将预脱氧的钴基合金熔体的温度调到1600℃；

5）除去精炼和变质处理后的钴基合金熔体表面熔渣，在1500℃的温度条件下进行浇注，即可得到耐高温铸造钴基合金的铸件。

该材料的力学性能可达到室温强度486MPa，1000℃高温强度120MPa。

实施例3

耐高温铸造钴基合金：所述合金的化学成分按重量百分数比为：Co：25%，Cr：30%，Ni：15%，Si：1.0%，Nb：2.0%，Mn：0.7%，C：0.12%，RE：0.07%，其余为Fe，其中，RE中的Ce与La含量为52%。

3）将钴基合金熔体过热到1620℃，再加入锰铁和硅铁，进行预脱氧处理，除去表面熔渣；再将预脱氧的钴基合金熔体的温度调到1580℃；

5）除去精炼和变质处理后的钴基合金熔体表面熔渣，在1460℃的温度条件下进行浇注，即可得到耐高温铸造钴基合金的铸件。

该材料的力学性能可达到室温强度485MPa，1000℃高温强度125MPa。

实施例4

耐高温铸造钴基合金：所述合金的化学成分按重量百分数比为：Co：20%，Cr：31%，Ni：19%，Si：1.1%，Nb：2.0%，Mn：0.6%，C：0.06%，RE：0.07%，其余为Fe，其中，RE中的Ce与La含量为52%。

3）将步骤1）中钴基合金熔体过热到1630℃，再加入锰铁和硅铁，进行预脱氧处理，除去表面熔渣；再将预脱氧的钴基合金熔体的温度调到1560℃；

该材料的力学性能可达到室温强度488MPa，1000℃高温强度124MPa。

Claims

1.一种耐高温铸造钴基合金：其特征在于：所述合金的化学成分按重量百分比为：Co：18～25%，Cr：27～32%，Ni：15～25%，Si：0.5～2%，Nb：1.0～3.0%，Mn：0.5～1%，C：0.05～0.12%，RE：0.01～0.1%，其余为Fe；其中，RE为混合稀土，RE中的Ce与La之和大于50%。

2.一种权利要求1所述的耐高温铸造钴基合金的制备方法，包括以下步骤：

1）按所述合金化学成分的重量百分比准备好对应含量的Co、Cr、Ni、Si、Nb、Mn、C、RE和Fe原料；其中，所述Co、Ni、Fe原料采用与其对应的纯金属，所述C、Cr原料采用微碳铬铁，所述Nb、Si、Mn原料采用铌铁、硅铁和锰铁，所述RE原料中的Ce与La之和为52～55%；

3）将钴基合金熔体过热到1600～1650℃，然后加入Mn、Si原料，进行预脱氧处理，除去表面熔渣，再将预脱氧钴基合金熔体的温度调到1550～1600℃；

5）除去精炼和变质处理后的钴基合金熔体表面熔渣，在1450～1500℃的温度条件下进行浇注，即可得到耐高温铸造钴基合金的铸件。