CN103436776B

CN103436776B - 一种碳化物增强耐热钢基复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN103436776B
Application number: CN201310331599.2A
Authority: CN
Inventors: 皇志富; 高义民; 邢建东; 马胜强; 李烨飞; 符寒光
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2033-08-01
Also published as: CN103436776A

Abstract

本发明公开了一种碳化物增强耐热钢基复合材料的制备方法，其将Cr₃C₂、Cr₇C₃或Cr₂₃C₆粉体进行适当球磨处理得到一定尺度的粉末后，然后在浇注耐热钢液前时，将Cr₃C₂、Cr₇C₃或Cr₂₃C₆粉体平铺于浇包底部，然后使钢液的冲入并立刻快速浇注成形，得到Cr₃C₂、Cr₇C₃或Cr₂₃C₆弥散分布于耐热钢中的复合材料。本发明的制备技术得到的碳化物增强耐热钢基复合材料可应用于高温氧化气氛下耐热部件，如核电机组中发生器的换热器U型管和超临界、超超临界发电大型装备关键部件（如高中压转子、高温段叶片、蒸汽管道、末级过热器和再热器等）、乙烯裂解炉炉管等用耐高温气氛腐蚀的产品等。

Description

一种碳化物增强耐热钢基复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于钢基复合材料技术领域，涉及一种钢基复合材料的制备方法，尤其是一种碳化物增强耐热钢基复合材料的制备方法。

背景技术

Cr₃C₂、Cr₇C₃和Cr₂₃C₆型碳化物均具有优异的高温抗氧化性能。除当前主要通过合金原材料的调控、加入并采用熔炼、凝固铸造成形的方法自然形成钢铁材料的网状或连续性较高的碳化物组相外，还有通过采用表面喷涂等方法在钢铁表面形在一层较薄的耐磨、耐蚀涂层，。虽然形成的涂层工艺较简单，但是由于涂层厚度较小，不能使涂层长时间进行服役工作，不利于工业化生产。Cr₃C₂、Cr₇C或Cr₂₃C₆型碳化物在高温氧化气氛下服役时，会形成一种致密的氧化物（Cr₂O₃），可有效抵抗氧化反应的进行。若当Cr₃C₂、Cr₇C或Cr₂₃C₆细小颗粒均匀、弥散分布于耐热钢基体中时，在高温氧化时会形成较均匀、致密的氧化膜。另外，这种弥散分布状态对材料力学性能的提高亦是具有显著的促进作用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种碳化物增强耐热钢基复合材料的制备方法，该方法通过工艺，将Cr₃C₂、Cr₇C₃或Cr₂₃C₆粉体加入钢液中，使Cr₃C₂、Cr₇C₃或Cr₂₃C₆弥散分布于耐热钢中得到复合材料，能够使该复合材料在高温氧化气氛下服役时，表现出优异的高温抗氧化性能的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种碳化物增强耐热钢基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1）将Cr₃C₂、Cr₇C₃或Cr₂₃C₆中的任何一种碳化物，在加入碳化物粉末重量的0.1%的甲醇过程控制剂后，球磨至粒度＜10um，然后放入充氩气的罐中保存；

2）确定奥氏体耐热钢化学成分，计算并称重原材料，在电炉中进行熔化至1500℃，进行扒渣、采用铝丝脱氧处理后保温3分钟；出炉烫包，然后再倒入电炉中，继续升温至1500℃后，再次进行扒渣、采用铝丝脱氧处理后保温1分钟，此时将步骤1）制备的碳化物粉末倒入并平铺于浇包底部，关闭电炉后，在保证出炉温度在1450-1500℃时，快速出炉倒入浇包中，在钢水液面顶端绿色或蓝色的火焰出现时，立刻快速浇入铸型；

3）待浇注后8-12小时开箱，将制备好的复合材料从铸型中取出进行热处理即可得到碳化物增强耐热钢基复合材料。

进一步，上述步骤2）中所述原材料为废钢、锰铁、硅铁、钼铁、纯镍。

进一步，上述步骤2）中，碳化物粉末的重量占钢液重量的5%。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过将制备好的Cr₃C₂、Cr₇C₃或Cr₂₃C₆粉体进行适当球磨处理得到一定尺度的粉末后，然后在浇注耐热钢液前时，将Cr₃C₂、Cr₇C₃或Cr₂₃C₆粉体平铺于浇包底部，由于这三种碳化物密度均小于钢液密度，随着钢液的冲入，碳化物会出现上浮、均匀化过程，待将钢水倒入浇包后在钢水液面顶端绿色或蓝色的火焰出现时，立刻快速浇注成形，便可得到Cr₃C₂、Cr₇C₃或Cr₂₃C₆弥散分布于耐热钢中的复合材料，使该复合材料在高温氧化气氛下服役时，表现出优异的高温抗氧化性能的优点。该复合材料基体部分化学成分可适用于无需加Cr的奥氏体耐热钢化学组分（只需要Ni、Si、Mn、Mo、C及杂质元素S和Ｐ）；制作成复合材料部件后只需适当的热处理即可。

本发明的这种制备方法得到的碳化物增强耐热钢基复合材料可应用于高温氧化气氛下耐热部件，如核电机组中发生器的换热器U型管和超临界、超超临界发电大型装备关键部件（如高中压转子、高温段叶片、蒸汽管道、末级过热器和再热器等）、乙烯裂解炉炉管等用耐高温气氛腐蚀的产品等。

具体实施方式

本发明的碳化物增强耐热钢基复合材料的制备方法，按照以下进行：

首先，将Cr₃C₂、Cr₇C₃或Cr₂₃C₆中的任何一种碳化物，在加入其碳化物粉末自身重量0.1%的甲醇过程控制剂（作用是使碳化物粉末不发生团聚）后，球磨至粒度＜10um，放入充入氩气的罐中保存。

然后，确定奥氏体耐热钢化学成分，计算并称重原材料（原材料为：废钢、锰铁、硅铁、钼铁、纯镍），在电炉中进行熔化至1500℃，进行扒渣、采用铝丝脱氧处理后保温2-4分钟（最佳为3分钟）。出炉烫包后然后再倒入电炉中，继续升温至1500℃后，再次进行扒渣、采用铝丝脱氧处理后保温0.5-2分钟（最佳为1分钟），此时将以上制备的碳化物粉末（约占钢液重量约5%）倒入并平铺于浇包底部，关闭电炉后，在保证出炉温度在1450-1500℃时，快速出炉倒入浇包中，在钢水液面顶端绿色或蓝色的火焰出现时，立刻快速浇入铸型。

最后，待浇注后约8-12小时开箱，将制备好的复合材料从铸型中取出进行相应的热处理即可。

下面对本发明的具体实施例进行说明：

实施例1

将商业用Cr₃C₂碳化物（粒度：75-95um），在加入粉末重量0.1%甲醇过程控制剂后，球磨50小时使其粒度为3-10um，放入充入氩气的罐中保存。确定奥氏体耐热钢化学成分（C：0.58%；Si：1.8%；Mn：1.8%；Mo：0.5%；S≤0.03%；P≤0.03%；Ni：35%；Fe：其余），计算并称重原材料（废钢、纯镍、钼铁、锰铁、硅铁），在电炉中依次进行熔化至1500℃时，进行扒渣、采用铝丝脱氧处理后保温3分钟。将钢水出炉烫包后然后再倒入电炉中，继续升温至1500℃后，再次进行扒渣、采用铝丝脱氧处理后保温1分钟时，此时将Cr₃C₂粉末（约占钢液重量约5%）倒入并平铺于浇包底部。关闭电炉后，在保证出炉温度在1450-1500℃时，快速出炉倒入浇包中，在钢水液面顶端绿色的火焰出现时，立刻快速浇入铸型。待金属液浇注后约12小时开箱，将制备好的复合材料从铸型中取出进行相应的热处理（退火温度为950℃，保温时间根据铸锭的最大壁厚确定为2.5小时）。

通过组织观察，发现Cr₃C₂的晶粒（平均晶粒尺度为3-8um）均匀分布于耐热钢中，通过X射线衍射分析表明：组织由奥氏体和Cr₃C₂组成。

实施例2

将自行制备的Cr₇C₃碳化物粉末（粒度：55-75um），在加入粉末重量0.1%甲醇过程控制剂后，球磨30小时使其粒度2-9um，放入充入氩气的罐中保存。确定奥氏体耐热钢化学成分（C：0.58%；Si：1.8%；Mn：1.8%；Mo：0.5%；S≤0.03%；P≤0.03%；Ni：35%；Fe：其余），计算并称重原材料（废钢、纯镍、钼铁、锰铁、硅铁），在电炉中依次进行熔化至1500℃时，进行扒渣、采用铝丝脱氧处理后保温3分钟。将钢水出炉烫包后然后再倒入电炉中，继续升温至1500℃后，再次进行扒渣、采用铝丝脱氧处理后保温1分钟时，此时将Cr₇C₃粉末（约占钢液重量约5%）倒入并平铺于浇包底部。关闭电炉后，在保证出炉温度在1450-1500℃时，快速出炉倒入浇包中，在钢水液面顶端蓝色的火焰出现时，立刻快速浇入铸型。待金属液浇注后约12小时开箱，将制备好的复合材料从铸型中取出进行相应的热处理（退火温度为950℃，保温时间根据铸锭的最大壁厚确定为2.5小时）。

通过组织观察，发现Cr₇C₃的晶粒（平均晶粒尺度为3-8um）均匀分布于耐热钢中；通过X射线衍射分析表明：组织由奥氏体和Cr₇C₃组成。

实施例3

将自行制备的Cr₂₃C₆碳化物粉末（粒度：40-75um），在加入粉末重量0.1%甲醇过程控制剂后，球磨20小时使其粒度3-9um，放入充入氩气的罐中保存。确定奥氏体耐热钢化学成分（C：0.58%；Si：1.8%；Mn：1.8%；Mo：0.5%；S≤0.03；P≤0.03；Ni：35%；Fe：其余），计算并称重原材料（废钢、纯镍、钼铁、锰铁、硅铁），在电炉中依次进行熔化至1500℃时，进行扒渣、采用铝丝脱氧处理后保温3分钟。将钢水出炉烫包后然后再倒入电炉中，继续升温至1500℃后，再次进行扒渣、采用铝丝脱氧处理后保温1分钟时，此时将Cr₂₃C₆粉末（约占钢液重量约5%）倒入并平铺于浇包底部。关闭电炉后，在保证出炉温度在1450-1500℃时，快速出炉倒入浇包中，在钢水液面顶端蓝色的火焰出现时，立刻快速浇入铸型。待金属液浇注后约12小时开箱，将制备好的复合材料从铸型中取出进行相应的热处理（退火温度为950℃，保温时间根据铸锭的最大壁厚确定为2.5小时）。通过组织观察，发现Cr₂₃C₆的晶粒（平均晶粒尺度为3-8um）均匀分布于耐热钢中；通过X射线衍射分析表明：组织主要为奥氏体和Cr₂₃C₆组成，还有少量Cr₇C₃化合物。

Claims

1.一种碳化物增强耐热钢基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将Cr₃C₂、Cr₇C₃或Cr₂₃C₆中的任何一种碳化物，在加入碳化物粉末重量的0.1％的甲醇过程控制剂后，球磨至粒度＜10um，然后放入充氩气的罐中保存；

2)确定奥氏体耐热钢化学成分，计算并称重原材料，在电炉中进行熔化至1500℃，进行扒渣、采用铝丝脱氧处理后保温3分钟；出炉烫包，然后再倒入电炉中，继续升温至1500℃后，再次进行扒渣、采用铝丝脱氧处理后保温1分钟，此时将步骤1)制备的碳化物粉末倒入并平铺于浇包底部，关闭电炉后，在保证出炉温度在1450-1500℃时，快速出炉倒入浇包中，在钢水液面顶端绿色或蓝色的火焰出现时，立刻快速浇入铸型；所述原材料为废钢、锰铁、硅铁、钼铁、纯镍；碳化物粉末的重量占钢液重量的5％；所述奥氏体耐热钢化学成分为：C：0.58％；Si：1.8％；Mn：1.8％；Mo：0.5％；S≤0.03％；P≤0.03％；Ni：35％；Fe：其余；

3)待浇注后8-12小时开箱，将制备好的复合材料从铸型中取出进行热处理即可得到碳化物增强耐热钢基复合材料。