CN103436795A - 一种抗高温磨蚀合金钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种抗高温磨蚀合金钢及其制备方法，属于合金钢技术领域。其化学质量组成是：0.35～0.50%C，4.1～4.4%B，2.4～2.8%Al，1.3～1.6%Si，5.0～5.5%Cr，2.0～2.5%Mo，1.2～1.5%W，0.05～0.12%N，0.05～0.09%Ti，0.15～0.20%Zr，Mn＜0.50%，S＜0.030%，P＜0.035%，Fe余量。利用电炉便可生产，硬度高，抗高温磨蚀性能好，生产工艺简便，贵重合金元素加入量少，制造成本低廉。

Description

一种抗高温磨蚀合金钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种合金钢及其制备方法，特别涉及一种抗高温磨蚀合金钢及其制备方法，属于合金钢技术领域。

背景技术

高温磨损和腐蚀，是一种极其复杂的磨蚀工况，对材料性能要求高，不仅要有良好的抗高温腐蚀性能，还要有良好的抗高温磨损性能，目前应用最成功的当属钴基合金。钴是一种价格昂贵的战略物质，用做抗高温磨蚀材料，价格高，推广应用困难。而且抗高温磨蚀材料大量使用钴基合金，造成了钴金属的巨大浪费，因此开发新型抗高温磨蚀材料，具有非常重要的意义。

为了提高材料的抗高温磨蚀性能，中国发明专利CN102952986A公开了一种耐腐蚀耐高温轴承材料，其包括原料组分及其重量百分比如下：碳化钛60-70%、碳化钒3-10%、碳化铬3-5%、镍10-20%及钼5-20%。该发明耐腐蚀耐高温轴承材料，采用碳化钛、碳化钒、碳化铬、镍及钼制成，具有硬度高、不易变形、耐磨蚀性强、耐高温、耐腐蚀等特点，适用于高温磨蚀环境。中国发明专利CN85100649还公开了超高温耐磨铸造镍基合金，该合金具有在高温(≥1200℃)下保持高温耐磨性和抗氧化性的特点，适用于制造轧钢厂高温加热炉部件，尤其是超高温磨损部件。优先选用的合金成分(重量)是：铬30-35%、钨10-15%、硅0.5-0.8%、锰0.4-0.8%、稀土0.1-0.2%或钙0.05-0.08%、碳0.40-0.50%、铁5%以下、镍46-52%，其它为杂质。中国发明专利CN101509133还公开了一种利用等离子弧技术制备二硼化锆涂层的方法，按照步骤先将原位反应的粉末混合均匀，然后利用等离子弧技术将混合均匀的粉末熔敷在金属表面，以形成二硼化锆的涂层，并可以通过改变工艺参数和分布熔敷的方法提高涂层的厚度(达到毫米和厘米级)，同时等离子技术为涂层和基体材料之间提供了较强的冶金结合力，克服现有技术中制备的涂层厚度过薄和结合力较弱的不足。该发明的技术方案可以用来制备抗高温磨损、高温磨蚀、抗热辐射、高温导电零件或在各种金属材料表面制备涂层，也可用该技术制备各种关键设施的屏蔽涂层。中国发明专利CN102978499A还公开了一种NiAl合金化粘结相的抗高温磨损硬质合金，硬质相为WC和/TiC，粘结相为NiAl合金化的Co和/Fe，体积百分比为10～40%；制备包括：按Ni-50at.%Al的成分比例，把0.03～21.04wt%镍粉和铝粉，与碳化物粉末混合均匀；置于石墨容器中铺平，非氧化性气氛下，升温加热至660～1300℃，保温，然后自然冷却，获得碳化物与NiAl的混合物；碾磨、破碎、过筛，获得混合粉末；400±50℃的氢气氛下脱氧预处理；将45.77-96.34wt%的混合粉末，与余量的Co和/Fe粉末湿磨；湿磨混合料喷雾干燥、压制；压坯1350～1550℃低压液相烧结获得抗高温磨损硬质合金。中国发明专利CN1928155还公开了一种合金镀液和与之配套的处理技术工艺，生产出耐高温腐蚀、耐高温磨损性能的低成本、低耗能、价值高的抽油泵，其目的是在抽油泵生产制造、修复领域把高成本、高耗能最大限度的降下来。具体实施：将氯化镍、氨基乙酸、胺基硼烷、氟化石墨、硼酸、糖精钠、铅离子等按比例称重量，放入带搅拌器的容器内进行搅拌，待全部溶解后便可使用。需镀时将镀液加温40～60℃，根据所需厚度确定施镀时间。其中的材料为，纯净水∶氯化镍∶氨基乙酸∶胺基硼烷∶氟化石墨∶硼酸∶糖精钠∶铅离子∶氨水∶氢氧化钠＝90∶3∶2.5∶0.45∶0.6∶3∶0.3∶0.003∶0.35∶0.15。中国发明专利CN1562884还公开了一种在高温条件下使用的抗冲击耐高温磨损Fe-Sialon复相材料及其制备方法，该发明利用工业级Si-Fe合金粉体、Al₂O₃微粉和混合稀土氧化物细粉为主要原料，在高温1100℃～1600℃和氮气气氛的条件下，反应生成一种Fe-Sialon复相材料，该复相材料中含不连续金属塑性相(Fe)能够促进Sialon基复相材料的烧结并对材料具有很好的增韧增塑作用，使得制备的Fe-Sialon复相材料具有很好的抗冲击耐高温磨损能力。该方法是制备高性能耐高温磨损、抗冲击新型陶瓷复相材料的理想技术。中国发明专利CN102517532A还公开了一种热喷涂用耐熔锌腐蚀的涂层材料及该涂层材料的制备方法，包括以η相碳化钨为硬质相代替高温下容易分解的WC，以Fe₃Al为粘结相代替Co，采用热喷涂的方法在热镀锌沉没辊或热镀锌沉没辊的轴套表面制备η相碳化钨-Fe₃Al涂层，制得目标产品。该发明采用硬质相η相碳化钨能有效地阻止锌原子向合金内部的扩散，起到耐熔融锌液腐蚀作用，η相碳化钨耐高温，不易分解，起到很好的高温耐磨作用；粘结相Fe₃Al可以与Zn形成耐锌液腐蚀的Fe-Al-Zn三元相，耐熔融锌腐蚀性能优于烧结WC-Co涂层。中国发明专利CN101886239A还公开了高温耐磨防腐蚀热喷涂合金丝，其特征在于：包括以下组分重量百分比为：Ni≥38％，Cr≥24％，W＞2.7％，Mo＞3.6％，不大于0.2％的稀土，余量为铜。该发明具有如下优点和效果：金相更均匀，更细化，提高了润湿性，延展率、焊接性能；该产品对线材、变压器有很好的焊接性能，更容易与基材(固材)产生良好亲和力，焊点亮，饱满。中国发明专利CN1394977还公开了一种高温耐磨耐腐蚀Cr-Ni-Si金属硅化物合金材料，该合金材料主要由Cr、Ni、Si三种金属元素组成，其Ni的重量百分比为30～53、Cr的重量百分比为42～65、Si的重量百分比为3.6～10；该合金材料的主要组织组成相是：(a)Cr13Ni5Si2金属硅化物固溶体+镍基固溶体；(b)Cr13Ni5Si2金属硅化物固溶体+Cr3Si金属硅化物固溶体；(c)Cr3Si金属硅化物固溶体+Cr13Ni5Si2金属硅化物固溶体+镍基固溶体。该合金材料可广泛应用于电力、能源、石油、化工、有色金属冶金、钢铁冶金等工业中大量存在的、在高温氧化及腐蚀等环境下承受摩擦磨损作用的机械运动副零部件。

但是，上述抗高温磨蚀材料存在高温抗磨蚀性能不足以及生产工艺复杂等问题，限制了其在高温磨蚀领域的广泛应用。

发明内容

本发明针对常用抗高温磨蚀材料存在的问题，在中碳铸造合金钢中，增加硼含量，获得耐蚀性好的Fe₂B硼化物。在此基础上，加入适量铝和硅，利用铝和硅进入基体，提高基体抗高温软化性能，还加入适量铬和钼，利用铬和钼部分进入Fe₂B硼化物，达到降低Fe₂B硼化物脆性的目的。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明抗高温磨蚀合金钢的化学组成成分及其质量分数是：0.35～0.50%C,4.1～4.4%B,2.4～2.8%Al,1.3～1.6%Si,5.0～5.5%Cr,2.0～2.5%Mo,1.2～1.5%W,0.05～0.12%N,0.05～0.09%Ti,0.15～0.20%Zr,Mn<0.50%,S<0.030%,P<0.035%,Fe余量。

本发明抗高温磨蚀合金钢用电炉熔炼，其制造工艺步骤包括如下：

①将普通废钢、碳素铬铁、低碳铬铁、钨铁和钼铁混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁；

②炉前调整成分合格后将温度升至1550～1580℃，继续加入金属铝和经400～450℃预热2～4小时的硼铁，保温6～8分钟后出炉；

③将氮化铬铁、锆铁和钛铁破碎至粒度为5～12mm的小块，经200～250℃烘干2～4小时后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④当钢水温度为1420～1450℃时浇入铸型，浇注2～6小时后开箱空冷抗高温磨蚀合金钢产品，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑤抗高温磨蚀合金钢产品经粗加工后，随炉加热至1020～1050℃，保温2～4小时后油冷，然后在500～540℃进行回火处理，回火保温时间6～10小时，然后炉冷至温度低于200℃后，出炉空气冷却至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。

合金材质的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明化学成分是这样确定的：

硼：本发明加入硼的目的，主要是为了得到硬度高，高温稳定性好，且具有良好耐蚀性的Fe₂B硼化物，硼含量加入量过少，Fe₂B硼化物数量少，材料的抗高温磨蚀性能差，加入量过多，材料的脆性太大，铸造和使用过程中易开裂，合适的硼加入量为4.1～4.4%。

钼和铬：在抗高温磨蚀合金钢中，加入铬和钼的目的有二，部分铬和钼进入Fe₂B硼化物，可降低硼化物脆性，另外，部分铬和钼进入基体，提高基体抗高温软化能力，改善材料的抗高温磨蚀能力。合适的铬加入量为5.0～5.5%，合适的钼加入量为2.0～2.5%。

铝和硅：铝和硅是非碳化物和硼化物形成元素，主要固溶于基体，提高基体抗高温软化能力，有利于改善材料抗高温磨蚀能力，加入量多，材料冶炼和铸造性能差，合适的铝加入量为2.4～2.8%，合适的硅加入量为1.3～1.6%。

钨：加入适量钨的主要目的是为了提高材料的高温抗软化能力，从而提高材料的高温抗磨蚀性能，合适的钨加入量为1.2～1.5%。

碳：加入适量碳是为了提高基体硬度，使淬火组织中获得高硬度的马氏体基体，有利于提高材料的抗磨蚀能力，加入量过多，马氏体脆性增大，合适的碳含量宜控制在0.35～0.50%。

钛、氮和锆：加入钛、氮和锆的目的，主要使利用钛、氮和锆与钢液中的硼、碳化合，得到高熔点的Ti(C,N),BN,ZrC等细小颗粒，这些细小颗粒可作为抗高温磨蚀合金钢的凝固核心，细化凝固组织，提高抗高温磨蚀合金钢的力学性能，加入量过多，凝固核心发生粗化，反而不利于凝固组织的细化，合适的氮加入量为0.05～0.12%，合适的锆加入量为0.15～0.20%，合适的钛加入量为0.05～0.09%。

抗高温磨蚀合金钢产品经粗加工后，随炉加热至1020～1050℃，保温2～4小时后油冷，主要是为了获得高硬度的马氏体基体，改善抗高温磨蚀合金钢的耐磨性。淬火处理后再在500～540℃进行回火处理，回火保温时间6～10小时，然后炉冷至温度低于200℃后，出炉空气冷却至室温，主要是为了消除热处理应力，稳定组织，确保材料的安全使用。

本发明效果：

①本发明抗高温磨蚀合金钢以廉价的硼、铝、铬等为主要合金元素，不含价格昂贵的钴、镍、钒、铌等合金元素，具有较低的生产成本。

②本发明抗高温磨蚀合金钢采用普通电炉冶炼，采用铸造方法成型，易于实现批量生产。

③本发明抗高温磨蚀合金钢由于含有大量的Fe₂B硼化物，具有硬度高和良好的抗高温磨蚀能力。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

采用500公斤中频感应电炉熔炼抗高温磨蚀合金钢，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、碳素铬铁、低碳铬铁、钨铁和钼铁混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁；

②炉前调整成分合格后将温度升至1553℃，继续加入金属铝和经450℃预热2小时的硼铁，保温8分钟后出炉；

③将氮化铬铁、锆铁和钛铁破碎至粒度为5～12mm的小块，经250℃烘干3小时后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④当钢水温度为1422℃时浇入铸型，浇注3小时后开箱空冷抗高温磨蚀合金钢产品，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑤抗高温磨蚀合金钢产品经粗加工后，随炉加热至1020℃，保温4小时后油冷，然后在540℃进行回火处理，回火保温时间6小时，然后炉冷至温度低于200℃后，出炉空气冷却至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。抗高温磨蚀合金钢的成分见表1，抗高温磨蚀合金钢的力学性能见表2。

实施例2：

采用500公斤中频感应电炉熔炼抗高温磨蚀合金钢，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、碳素铬铁、低碳铬铁、钨铁和钼铁混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁；

②炉前调整成分合格后将温度升至1578℃，继续加入金属铝和经400℃预热3小时的硼铁，保温6分钟后出炉；

③将氮化铬铁、锆铁和钛铁破碎至粒度为5～12mm的小块，经200℃烘干4小时后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④当钢水温度为1446℃时浇入铸型，浇注5小时后开箱空冷抗高温磨蚀合金钢产品，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑤抗高温磨蚀合金钢产品经粗加工后，随炉加热至1050℃，保温2小时后油冷，然后在500℃进行回火处理，回火保温时间10小时，然后炉冷至温度低于200℃后，出炉空气冷却至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。抗高温磨蚀合金钢的成分见表1，抗高温磨蚀合金钢的力学性能见表2。

实施例3：

采用500公斤中频感应电炉熔炼抗高温磨蚀合金钢，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、碳素铬铁、低碳铬铁、钨铁和钼铁混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁；

②炉前调整成分合格后将温度升至1567℃，继续加入金属铝和经430℃预热4小时的硼铁，保温7分钟后出炉；

③将氮化铬铁、锆铁和钛铁破碎至粒度为5～12mm的小块，经230℃烘干3小时后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④当钢水温度为1440℃时浇入铸型，浇注2小时后开箱空冷抗高温磨蚀合金钢产品，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑤抗高温磨蚀合金钢产品经粗加工后，随炉加热至1040℃，保温3小时后油冷，然后在530℃进行回火处理，回火保温时间8小时，然后炉冷至温度低于200℃后，出炉空气冷却至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。抗高温磨蚀合金钢的成分见表1，抗高温磨蚀合金钢的力学性能见表2。

表1抗高温磨蚀合金钢的成分（质量分数,%）

元素	C	B	Al	Si	Cr	Mo	W
								实施例1	0.41	4.30	2.79	1.58	5.35	2.03	1.46
实施例2	0.49	4.39	2.40	1.32	5.46	2.47	1.20
								实施例3	0.37	4.11	2.66	1.40	5.08	2.32	1.38
元素	N	Ti	Zr	Mn	S	P	Fe
								实施例1	0.052	0.083	0.152	0.38	0.025	0.031	余量
实施例2	0.117	0.055	0.194	0.46	0.021	0.028	余量
								实施例3	0.084	0.070	0.176	0.37	0.023	0.033	余量

表2抗高温磨蚀合金钢的力学性能

本发明抗高温磨蚀合金钢以廉价的硼、铝、铬等为主要合金元素，不含价格昂贵的钴、镍、钒、铌等合金元素，具有较低的生产成本。由于本发明抗高温磨蚀合金钢中含有大量的Fe2B硼化物，具有硬度高和良好的抗高温磨蚀能力。在锌液腐蚀磨损条件下，本发明材料的磨耗与钴基合金GH605（GB/T14992-2005，具体成分：0.05～0.15%C,14.0～16.0%W,1.0～2.0%Mn,9.0～11.0%Ni,19.0～21.0%Cr,<0.4%Si,<3.0%Fe,余量Co）相当，而材料成本只有GH605的45～50%。本发明抗高温磨蚀合金钢可广泛用于制造热镀锌沉没辊辊体和沉没辊轴套，推广应用具有良好的经济和社会效益。

Claims (2)

1.一种抗高温磨蚀合金钢，其特征在于，抗高温磨蚀合金钢的化学组成成分及其质量分数是：0.35～0.50%C,4.1～4.4%B,2.4～2.8%Al,1.3～1.6%Si,5.0～5.5%Cr,2.0～2.5%Mo,1.2～1.5%W,0.05～0.12%N,0.05～0.09%Ti,0.15～0.20%Zr,Mn<0.50%,S<0.030%,P<0.035%,Fe余量。

2.制备权利要求1所述的一种抗高温磨蚀合金钢的方法，其特征在于，包括以下步骤：

①将普通废钢、碳素铬铁、低碳铬铁、钨铁和钼铁混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁；

②炉前调整成分合格后将温度升至1550～1580℃，继续加入金属铝和经400～450℃预热2～4小时的硼铁，保温6～8分钟后出炉；

③将氮化铬铁、锆铁和钛铁破碎至粒度为5～12mm的小块，经200～250℃烘干2～4小时后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④当钢水温度为1420～1450℃时浇入铸型，浇注2～6小时后开箱空冷抗高温磨蚀合金钢产品，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑤抗高温磨蚀合金钢产品经粗加工后，随炉加热至1020～1050℃，保温2～4小时后油冷，然后在500～540℃进行回火处理，回火保温时间6～10小时，然后炉冷至温度低于200℃后，出炉空气冷却至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。