CN104195474A - 一种耐高温合金材料铸件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种耐高温合金材料铸件及其制备方法，它的化学成分按照质量百分比的配比为：C0.10-0.18%；Si2.0-2.6%；Mn≤1%；P≤0.045%；S≤0.045%；Cr19-23%；Ni36-40%；Mo1.5-2.0%；B0.50-0.65%；W3.5-4.5%；Al1.0-1.4%；Ti2.0-2.6%；Co2-3%；Ce0.05-0.15%；其余为Fe。本发明的制备方法包括蜡模制造、型壳制造、熔炼、浇注工序，所述铸件的铸态硬度为HB273-285；铸态金相组织为细小树枝状的奥氏体r+沉淀强化相r′+金属间化合物+金属碳化物+金属硼化物。利用本发明得到的内芯杯铸件的高温抗蠕变能力强，耐高温性能和抗氧化性能强，高温状态下的强度大、稳定性高，铸件的使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种铸件的材料及制备方法，尤其是一种耐高温、高硬度的合金材料铸件及该铸件的制备方法，属金属材料技术领域。
背景技术
目前在新型燃烧设备中，内芯杯是其中的核心部件。内芯杯为长方锥台形薄壁结构，铸件壁厚5mm，内心杯的侧壁开设多个出气孔。内芯杯在工作时，长期处于60%气化、40%碳化、交变高温、交变热高气压、温度大于1140°C的环境中。现有内芯杯的材料多为耐热钢ZG40Cr25Ni20。这种材料在高温环境中，Ni形成主要相面心结构r′相对较少，碳化物易在晶界上析出，造成局部贫铬，易产生裂纹，一般使用寿命不到一个月就变形爆裂失效。
内芯杯工作使用的燃烧介质多为木质颗粒和煤粉等，环境粉尘多。内芯杯燃烧时气流由上至下逐渐压缩，在高温下内芯杯的底部形成巨大的涡流状热高气压，导致内芯杯底部容易发生膨胀变形，同时草木灰、煤灰在高温、热高气压下加速对内芯杯产生侵蚀氧化过程。当燃烧介质耗尽，内芯杯停止工作时，温度迅速下降，内芯杯收缩、产生巨大内应力，同时燃烧生成的粉尘由于热高气压的归零而产生负压进入内芯杯内部。当内心杯再次工作时，内芯杯底部形成的涡流状热高气压气流中夹杂着大量粉尘颗粒，燃烧环境进一步恶化。内心杯在交变高温、交变热高气压作用下内芯杯不断地高温膨胀、停机冷却，产生内应力，从而导致内芯杯发生变形、氧化破损，这样反反复复、周而复始，加速了内芯杯变形、断裂的进程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温合金材料铸件及其制备方法，所述铸件的膨胀系数小、耐高温、抗氧化能力强。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种耐高温合金材料铸件，它的化学成分按照质量百分比的配比为：C 0.10-0.18%；Si 2.0-2.6%；Mn≤1%；P ≤0.045%；S ≤0.045%；Cr 19-23%；Ni 36-40%；Mo 1.5-2.0%；B 0.50-0.65%；W 3.5-4.5%；Al 1.0-1.4%；Ti 2.0-2.6%；Co 2-3%；Ce 0.05-0.15%；其余为Fe；
所述铸件中W和M的化学成分按照质量百分比配比为：W+Mo≥5%，W和M的比值满足：W/Mo=2.0-2.5；所述铸件中Ti和Al的化学成分按照质量百分比配比为：Ti+Al=3-4%，Ti和Al的比值满足：Ti/Al=1.7-2.2。
上述耐高温合金材料铸件，所述合金材料的化学成分按照质量百分比的配比优选如下：C 0.12～0.17％；Si 2-2.50％；Mn 0.6-0.95％；P ≤0.040％；S ≤0.045％；Cr 19-21%；Ni 37-40%；Mo 1.7-2.0%；B 0.50-0.6%；W 3.8-4.3%；Al 1.0-1.2%；Ti 2.0-2.4%；Co 2.3-2.9%；Ce 0.07-0.1%；其余为Fe。
上述耐高温合金材料铸件，所述铸件中W和M的比值满足：W/Mo=2.0-2.2；所述铸件中Ti和Al的比值满足：Ti/Al=1.9-2.1。
上述耐高温合金材料铸件，所述铸件的物理性能如下：铸态硬度为：HB273-285；铸态金相组织为：细小树枝状的奥氏体r+沉淀强化相r′+金属间化合物+金属碳化物+金属硼化物。
一种耐高温合金材料铸件的制备方法，它包括蜡模制造、型壳制造、熔炼、浇注工序，所述熔炼工序中熔炼温度为1660-1680°C，熔炼时的原料加入顺序为：根据合金的熔点温度、高温烧损、脱氧工艺要求依次加入金属钨、钼铁、金属钴、电解镍、废钢、铬铁、金属锰、钛铁、铝、稀土铈、三级硅，最后加入非金属硼脱氧，取样调整成分后浇注，浇注温度为1620-1660°C，浇注工序后保温、冷却。
上述耐高温合金材料铸件的制备方法，所述保温过程中加锯末和蜡霄。
上述耐高温合金材料铸件的制备方法，铸件浇注后立即外部扣桶，所述冷却过程在还原性气氛中进行。
本发明的有益效果在于：
本发明采用殷钢的镍基、低碳、高铬，通过添加与耐高温相关元素高硼，高量的稀土铈，固溶强化难熔金属钨，钴，钼，固溶沉淀强化元素钛、铝，提高了内芯杯铸件的高温抗蠕变能力，通过殷钢的镍基提高了高温环境下钢的强度，增强了抗渗碳性，降低了铸件产生裂纹和高温变形的趋势、低碳降低了碳化物的生成倾向。通过间隙原子B大量代替原子半径较小的间隙原子C使晶格点阵发生畸变，歪斜，减慢了晶格扩散过程，降低位移错攀移速度，延缓了晶界裂纹的产生，改善了晶界能量，同时B有利于改善晶界第二相的形态，使网状沉淀相变为断续沉淀相,形成链式网状排列，使之更易于球化，提高了合金材料的高温硬度，合金穿晶转变为沿晶界断裂，同时B代替C发生作用，形成间隙化合物，减少和防止热裂纹的产生，形成奥氏体，降低蠕变速度，显著改善持久缺口的敏感性。高硼低碳使铸件起到了1+1大于2的效果。通过高量的稀土Ce继续对合金晶界强化、钨和钼对固溶强化、钛和铝对沉淀的强化和提高r′相数量、铬元素Cr对固溶的强化和抗氧化抗腐蚀稳定表面性能的提高，较大地提高了合金材料的综合性能。增强了高温状态下的强度和稳定性，提高了耐高温性能和抗氧化性能，延长了铸件的使用寿命。
铸件中Ti和Al的化学成分按照质量百分比配比为：Ti+Al=3-4%，Ti/Al=1.7-2.2。Ti、Al通过r′在基体内孤散分布，影响位错行为，从而强化合金。Ni基合金的高温性能和Ti、Al加入总量息息相关，增加Ti、Al总量可明显提高r′固溶温度和r′体积分数，当Ti+Al总量由3%继续增加时可提高r′固溶温度110°C，r′数量增加近2倍。当Ti+Al总量低于4%，防止Ti和Al过大时容易出现的粗大片状η（Ni Ti）相，防止合金脆化导致强度和韧性急剧下降，在没有真空炉的情况下，避免了铸件出现马蜂窝状，保证合金的使用性能。
当Ti/Al=1.9-2.1时，合金材料同时具有良好的高温强度和抗热腐蚀性能，随着Ti/Al的增加合金抗热腐蚀性能增加，不会出现组大片状η（Ni Ti）相，强度和塑性增强。
熔炼时原料按顺序加入感应电炉中，满足合金的熔点温度要求，防止高温烧损，提高了原料的利用率，满足脱氧工艺要求。在保温过程中添加的锯末和蜡霄充分燃烧，产生还原性气氛，保证钢液在还原性气氛冷却，防止铸件裂纹和表面氧化。
具体实施方式
本发明所述铸件的合金材料采用殷钢的镍基、低碳、高铬，并通过添加与耐高温相关元素高硼，高量的稀土铈、固溶强化难熔金属钨、钴、钼，固溶沉淀强化元素钛、铝。上述主要化学成分在钢中的作用分析如下：
1、镍Ni：镍在钢中的质量百分比为36-40%，作为基体材料化学成份，采用殷钢的镍的化学分数作为基体，膨胀系数很小。高Ni的化学成分质量百分比能形成稳定的奥氏体r固溶体和金属间化合物，提高了高温环境下钢的强度，增强了抗渗碳性，降低了铸件产生裂纹的趋势。
2、碳C：碳在钢中的质量百分比为0.12-0.18%，作为间隙原子，含量较低，降低了碳化物的生成倾向，提高了铸件的焊接工艺性能。
3、硼B：本发明中B作为晶界强化元素，其质量百分比为采取高含量0.50-0.65%。B和Fe可以生成斜方晶格的Fe3B、四方晶格的Fe2B、斜方晶格的FeB，铸件在冷却凝固时，B在奥氏体中最大溶解度仅为0.018%，耐高温性能强。在合金材料的晶界间的残留液体中富集B超过0.5%后，阻碍石墨的析出，保证凝固过程按Fe-Fe3C介稳系方式进行，在晶界处非金属间隙硼原子置换间隙非金属碳原子，形成属斜方晶格的渗碳体Fe3（CB）。在Fe3（CB）中硼置换碳原子最高达80%，使碳化物产生晶格点阵发生畸变、歪斜，同时晶界上的硼又能阻止元素的扩散和晶界迁移。随硼B的固溶量的增加，增加晶格点阵发生畸变，提高了渗碳体的硬度。0.5-65%的超高硼含量使硼大量富集在晶界上填满空位和晶格缺陷，增大了晶格点阵发生畸变、歪斜的数量，减慢了晶格扩散过程，降低位移错攀移速度，延缓了晶界裂纹的产生，改善了晶界能量。同时B有利于改善晶界第二相的形态，使网状沉淀相变为断续沉淀相,形成链式网状排列，使之更易于球化，提高了合金材料的高温硬度，提高了合金穿晶转变为沿晶界断裂。同时B代替C发生作用，形成间隙化合物，减少和防止热裂纹的产生，形成奥氏体，降低蠕变速度，显著改善持久缺口的敏感性。同时硼还改善了铸件的焊接工艺性。
4、钨W和钼Mo：本发明中W和Mo作为固溶强化元素，W和M的化学成分按照质量百分比配比为W+Mo≥5%, W和M的比值满足W/Mo=2.0-2.5，其中W的质量百分比为3.5-4.5%；Mo的质量百分比为1.5-2.0%。W和Mo主要是进入固溶体，起到固溶强化作用，显著增加了Ni合金r′相的稳定温度，提高r′相的溶解度，提高钢的再结晶温度，提高钢的抗蠕变能力，减慢Al、Ti和Cr的高温扩散速度，并增加扩散激活能，阻止r′相向η相转变过程，改变r和r′相之间晶格常数的错配度，影响r′相的形态，加强固溶体中原子间的结合力，减慢软化速度。W、Mo也可形成碳化物，提高钢的强度和硬度。
5 、铬Cr:本发明中Cr为固溶强化元素和抗氧化抗腐蚀稳定表面使用，其质量百分比为19-23%。Cr优先进入r相，起固溶强化的作用。同时它还是稳定钢表面的最重要元素，在基体的表面形成抗氧化和抗腐蚀保护层，形成富Cr2O3层，Cr有低的阳离子空位，阻止金属元素及O、N、S元素向外扩散，增强合金材料的抗氧化和抗热腐蚀性能。
6、稀土Ce：本发明中Ce作为晶界强化元素，其质量份数设计百分比为0.05-0.1%。Ce细化了初次结晶粒度，改变了硫化物、夹杂物的大小和形状，消除树枝晶，减少珠光体的数量，与铁形成固溶体。Ce显著提高了钢的抗氧化性，改善塑性，提高焊接性；同时促进碳化物形成，提高铸件硬度。
7、钛Ti和铝Al：本发明的合金材料中Ti、Al均为沉淀强化元素和r′相的主要形成元素，Ti、Al通过r′在基体内孤散分布，影响位错行为，从而强化合金。Ti的质量百分比为2.0-2.6%，Al的质量百分比为1.0-1.4%，同时Ti和Al的质量百分比还要求Ti+Al=3-4%, Ti/Al=1.7-2.2。 Ti和Al是r′相［Ni3(Al.Ti)］形成的主要元素，通过r′相的沉淀析出提高了钢的热强度，提高了铸件的耐高温性能。Ti还作为强碳化物元素，在合金材料中形成细小弥散的碳化物，提高合金材料的高温强度。
8、钴Co：Co是耐热钢的主要化学元素，本发明中Co降低基体的堆垛能，提高了合金材料的熔点，与Ni形成连续固溶体，发挥固溶强化作用，其质量百分比为2.0-3.0%。Co的加入降低了Ti和Al在Ni基体材料中的溶解度，增加了强化相的数量，提高了固溶温度。同时Co降低了碳化物在晶界上的析出，缩短了晶界贫铬区的宽度。
9、硅Si：本发明中的合金材料为高Si设置，其质量百分比为2.0-2.6%。提高了合金材料的高温抗氧化性，延长了铸件的使用寿命。
表1提供了本发明铸件的各元素的化学成分按质量百分比配比的实施例：
表1
本发明的耐高温合金材料铸件的制备方法包括蜡模制造、型壳制造、熔炼浇注、保温和冷却工序。熔炼工序时在感应电炉中按顺序依次加入金属钨、钼铁、金属钴、电解镍、废钢、铬铁、金属锰、钛铁、铝、稀土铈、三级硅等原料，熔炼温度控制在1660-1680°C，粗步熔炼完成后加入非金属硼进行脱氧、精炼。最后由感应电炉中取样，调整钢液中各元素化学成分的质量百分比，当各元素化学成分的质量百分比达到使用要求后，通过浇包将钢液注入制得的型壳中，浇注温度控制为1620-1660°C。浇注完成后加锯末和蜡霄进行保温，之后在还原性气氛中进行冷却。
由实施例1～实施例8得到的内芯杯铸件的铸态布氏硬度值和金相组织见表2。
表2
本发明同样适用于制备在交变高温、交变热高气压、温度大于1140°C的环境下使用，使用的燃烧介质为木质颗粒、石油、天然气和煤粉等领域，环境粉尘多的燃烧器、锅炉的耐高温的相关联机械零件。
Claims (7)
1.一种耐高温合金材料铸件，其特征是，它的化学成分按照质量百分比的配比为：C 0.10-0.18%；Si 2.0-2.6%；Mn≤1%；P ≤0.045%；S ≤0.045%；Cr 19-23%；Ni 36-40%；Mo 1.5-2.0%；B 0.50-0.65%；W 3.5-4.5%；Al 1.0-1.4%；Ti 2.0-2.6%；Co 2-3%；Ce 0.05-0.15%；其余为Fe；
所述铸件中W和M的化学成分按照质量百分比配比为：W+Mo≥5%，W和M的比值满足：W/Mo=2.0-2.5；所述铸件中Ti和Al的化学成分按照质量百分比配比为：Ti+Al=3-4%，Ti和Al的比值满足：Ti/Al=1.7-2.2。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温合金材料铸件，其特征是，所述合金材料的化学成分按照质量百分比的配比优选如下：C 0.12～0.17％；Si 2-2.50％；Mn 0.6-0.95％；P ≤0.040％；S ≤0.0450％；Cr 19-21%；Ni 37-40%；Mo 1.7-2.0%；B 0.50-0.6%；W 3.8-4.3%；Al 1.0-1.2%；Ti 2.0-2.4%；Co 2.3-2.9%；Ce 0.07-0.1%；其余为Fe。
3.根据权利要求2所述的一种耐高温合金材料铸件，其特征是，所述铸件中W和M的比值满足：W/Mo=2.0-2.2；所述铸件中Ti和Al的比值满足：Ti/Al=1.9-2.1。
4.根据权利要求2所述的一种耐高温合金材料铸件，其特征是，所述铸件的物理性能如下：铸态硬度为：HB273-285；铸态金相组织为：细小树枝状的奥氏体r+沉淀强化相r′+金属间化合物+金属碳化物+金属硼化物。
5.一种如权利要求1～4任一项所述的耐高温合金材料铸件的制备方法，它包括蜡模制造、型壳制造、熔炼、浇注工序，其特征是，所述熔炼工序中熔炼温度为1660-1680°C，熔炼时的原料加入顺序为：依次加入金属钨、钼铁、金属钴、电解镍、废钢、铬铁、金属锰、钛铁、铝、稀土铈、三级硅最后加入非金属硼脱氧，取样调整成分后浇注，浇注温度为1620-1660°C，浇注工序后保温、冷却。
6.根据权利要求5所述的一种耐高温合金材料铸件的制备方法，其特征是，所述保温过程中加锯末和蜡霄。
7.根据权利要求5所述的一种耐高温合金材料铸件的制备方法，其特征是，铸件浇注后立即外部扣桶，所述冷却过程在还原性气氛中进行。
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