CN105483492A - 一种辐射管用耐高温合金材料及其铸造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种辐射管用耐高温合金材料，含有以下重量百分比的各组分:C0.30％～0.50％、Cr29.0％～35.0％、Ni26％～30％、Si2.6％～6.5％、W3.5％～5.5％、Mo0.5％～1.5％、Mn2％～5.9％、Al3％～6％、Ti0.5％～1.5％、B1.6％～2.5％，余量为铁和不可避免的杂质，所述杂质的含量≤3％。本发明采用新的合金设计思路，在Cr-Ni合金基础上，加入较多Al和Si，在不降低韧性的同时，以提高耐热性；以Mn代替部分Ni，在控制其他合金元素的前提下，既保证其合金组成相为奥氏体和碳化物，又可明显降低Ni含量，降低成本10％，同时结合熔炼、浇铸成型以及热处理等工艺参数的优化，获得的合金材料在强度、耐氧化性、韧性、耐热性方面性能均优于现有技术中的常用材质。

Description

一种辐射管用耐高温合金材料及其铸造工艺
技术领域
本发明涉及高温耐氧化及高温耐腐蚀领域，具体为一种辐射管用耐高温合金材料及其铸造工艺。
背景技术
工业窑炉通常应用燃气辐射管作为加热装置来降低窑炉的基础建设和运行成本，提高生产效率，延长炉窑寿命。燃气辐射管的燃烧气氛及燃烧产物不与被加热工件直接接触，大大提高产品的质量，目前在金属热处理及工业干燥领域中广泛应用。
辐射管的关键部件是管体，它将燃料燃烧释放的热量辐射给被加热物料。因为管体表面直接接触燃烧火焰和高温烟气，管体表面的金属材料会被局部灼烧和氧化失效；若沿管体方向存在较大的温差，管体则需要承受较大的热应力，这将直接影响辐射管的使用寿命；再加上燃烧时气流的冲击，也会产生一定的震动。
因此辐射管的材料需要满足下列条件：(1)耐高温(2)、表面黑度高(3)、导热系数大(4)、较高的结构强度和良好的气密性(5)、在最高温工作温度及自身负荷作用下，抗氧化性能好，并可以承受足够大的高温蠕变和破坏强度。(6)、热膨胀系数小(7)、成本低。
高温段辐射管耐高温度在1150℃—1250℃之间，常规的HK40或者Cr25Ni35这两种材质只能用于不超过980℃的温度，我们常用的材质有Cr28Ni48W5或者Cr33Ni50W13，耐高温性能不足，经过一端时间使用后会产生烧损、弯曲变形、断裂；另这两种材质的Ni含量较高，生产制作成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术中辐射管都选用Cr28Ni48W5或者Cr33Ni50W13，而这些刚的耐高温性能不足、使用寿命较低且成本较高的缺陷，提供一种辐射管用耐高温合金材料。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
一种辐射管用耐高温合金材料，含有以下重量百分比的各组分:
C0.30％～0.50％、Cr29.0％～35.0％、Ni26％～30％、Si2.6％～6.5％、W3.5％～5.5％、Mo0.5％～1.5％、Mn2％～5.9％、Al3％～6％、Ti0.5％～1.5％、B1.6％～2.5％，余量为铁和不可避免的杂质，所述杂质的含量≤3％。
进一步的，一种辐射管用耐高温合金材料，含有以下重量百分比的各组分:
C0.30％～0.50％、Cr30.0％～32.0％、Ni28％～30％、Si4％～6.0％、W4％～5％、Mo0.8％～1.2％、Mn3％～5％、Al4％～5％、Ti0.8％～1.2％、B1.8％～2.2％，余量为铁和不可避免的杂质，所述杂质的含量≤3％。
进一步的，一种辐射管用耐高温合金材料，含有以下重量百分比的各组分C0.40％、Cr32.0％、Ni28％、Si4.6％、W4.5％、Mo1％、Mn4％、Al4.5％、Ti1％、B2％，余量为铁和不可避免的杂质，所述杂质的含量≤3％。
一种辐射管用耐高温合金材料的铸造工艺，包括以下几个步骤：
1)、按照配方称取原料；
2)、将原料在熔炉内共同熔炼；熔炼的温度为1550～1650℃；
3)、浇铸成型；浇铸温度为1400～1500℃；优选的，在浇铸前将铸型预热为200～500℃，浇筑后铸锭在900～950℃下保温2～10小时。
4)、退火处理；在450～650℃的温度下预热0.5～2小时，再加热到900～950℃后退火处理，随炉冷却值300～350℃的温度出炉空冷。
本发明的辐射管用耐高温合金材料配方中C的含量为0.30％～0.50％，可以保证合金得到好的强度、硬度、韧性、耐热性的配合，尤其是保证其与Cr、W、Ti等合金元素作用形成高硬度、高稳定性的合金碳化物，使合金有足够的耐热性和强硬度。含碳量偏低，材料的韧性和耐蚀性将得以提高，但强度和耐热性会不够；含碳量过高，材料的硬度、热强性会改善，但韧性会下降。
Cr是提高辐射管用合金材料的钢强度和热强性的重要元素。本发明的辐射管用耐高温合金材料铬的含量为29.0～35.0％之间，Cr有强烈提高淬透性作用，保证铸后合金为马氏体组织，回火后获得保持有明显马氏体针遗迹的细小索氏体组织，同时Cr与C形成碳化物可强化硬化合金，提高耐磨性，且有提高回火稳定性及热疲劳抗力作用。因为偏低的含铬量对材料的耐腐蚀性不利；而偏高的铬含量对韧性不利，且会提高成本。另外含铬量的选择还要兼顾铬量与碳量的合理匹配。
Ni可保证合金基体相为奥氏体的基本元素。过低则不能保证耐热性和韧性，过高则增加成本；本发明经过优化，将Ni的添加量设定在26％～30％。
W可提高合金耐热性和强度。过低则不能保证耐热性，过高则增加成本；
Mn代替部分Ni，使基体相保持为奥氏体。过低，则不能使基体相保持为奥氏体，降低耐热性；过高，则降低合金韧性。
Si可提高合金耐热性和强度。合金中加入2.6～6.5％的Si，可提高合金耐热性和抗氧化性。过低则不能保证耐热性和抗氧化性，过高，则降低合金韧性。
Al：提高合金耐热性，合金中加入3～6％Al，可利用Al易氧化形成氧化膜的特点提高合金耐热性和抗氧化性。过低则不能保证耐热性和抗氧化性，过高，则降低合金韧性。
Mo：提高合金耐热性和强度。过低则不能保证耐热性，过高，则增加合金成本。
B:提高合金耐热性和强度。过低则不能保证耐热性，过高，则降低合金韧性。
Ti：提高合金耐热性和强度。过低则不能保证耐热性，过高，则增加合金成本。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一、本发明采用新的合金设计思路，在Cr-Ni合金基础上，采用W、Mn、Si、Al、Mo、B复合添加，尤其是加入较多Al和Si，在不降低韧性的同时，以提高耐热性；其提高耐热性的作用效果明显高于单独添加之和。即具有1+1>2的效果；以Mn代替部分Ni，在控制其他合金元素的前提下，既保证其合金组成相为奥氏体和碳化物，又可明显降低Ni含量，降低成本。
二、本发明的合金配方经过配料、共同熔炼、浇铸成型以及热处理等工艺获得的合金材料不仅成本降低了10％，而且在强度、硬度、韧性、耐热性方面性能均优于现有技术中的常用材质。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种辐射管用耐高温合金材料，含有以下重量百分比的各组分:
C0.30％、Cr29.0％、Ni26％、Si2.6％、W3.5％、Mo0.5％、Mn5.9％、Al3％、Ti0.5％、B1.6％，余量为铁和不可避免的杂质，所述杂质的含量≤3％。
该辐射管用耐高温合金材料的铸造工艺，包括以下几个步骤：
1)、按照配方称取原料；
2)、将原料在熔炉内共同熔炼；熔炼的温度为1550℃；
3)、浇铸成型；浇铸温度为1400℃；
4)、退火处理；在450℃的温度下预热2小时，再加热到900℃后退火处理，随炉冷却值300～350℃的温度出炉空冷。
实施例2
一种辐射管用耐高温合金材料，含有以下重量百分比的各组分:
C0.50％、Cr35.0％、Ni30％、Si6.5％、W5.5％、Mo1.5％、Mn2％、Al6％、Ti1.5％、B2.5％，余量为铁和不可避免的杂质，所述杂质的含量≤3％。
该辐射管用耐高温合金材料的铸造工艺，包括以下几个步骤：
1)、按照配方称取原料；
2)、将原料在熔炉内共同熔炼；熔炼的温度为1650℃；
3)、浇铸成型；浇铸温度为1500℃；
4)、退火处理；在650℃的温度下预热0.5小时，再加热到950℃后退火处理，随炉冷却值300～350℃的温度出炉空冷。
实施例3
一种辐射管用耐高温合金材料，含有以下重量百分比的各组分:
C0.30％、Cr30.0％、Ni28％、Si4％、W4％、Mo0.8％、Mn5％、Al4％、Ti0.8％、B1.8％，余量为铁和不可避免的杂质，所述杂质的含量≤3％。
该辐射管用耐高温合金材料的铸造工艺，包括以下几个步骤：
1)、按照配方称取原料；
2)、将原料在熔炉内共同熔炼；熔炼的温度为1600℃；
3)、浇铸成型；浇铸温度为1450℃；、在浇铸前将铸型预热为200℃，浇筑后铸锭在900℃下保温10小时；
4)、退火处理；在500℃的温度下预热1小时，再加热到920℃后退火处理，随炉冷却值300～350℃的温度出炉空冷。
实施例4
一种辐射管用耐高温合金材料，含有以下重量百分比的各组分:
C0.50％、Cr32.0％、Ni30％、Si6.0％、W5％、Mo1.2％、Mn5％、Al5％、Ti1.2％、B2.2％，余量为铁和不可避免的杂质，所述杂质的含量≤3％。
该辐射管用耐高温合金材料的铸造工艺同实施例3
实施例5
一种辐射管用耐高温合金材料，含有以下重量百分比的各组分C0.40％、Cr32.0％、Ni28％、Si4.6％、W4.5％、Mo1％、Mn4％、Al4.5％、Ti1％、B2％，余量为铁和不可避免的杂质，所述杂质的含量≤3％。
该辐射管用耐高温合金材料的铸造工艺同实施例3。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种辐射管用耐高温合金材料，其特征在于，含有以下重量百分比的各组分:
C0.30％～0.50％、Cr29.0％～35.0％、Ni26％～30％、Si2.6％～6.5％、W3.5％～5.5％、Mo0.5％～1.5％、Mn2％～5.9％、Al3％～6％、Ti0.5％～1.5％、B1.6％～2.5％，余量为铁和不可避免的杂质，所述杂质的含量≤3％。
2.如权利要求1所述的一种辐射管用耐高温合金材料，其特征在于，含有以下重量百分比的各组分:
C0.30％～0.50％、Cr30.0％～32.0％、Ni28％～30％、Si4％～6.0％、W4％～5％、Mo0.8％～1.2％、Mn3％～5％、Al4％～5％、Ti0.8％～1.2％、B1.8％～2.2％，余量为铁和不可避免的杂质，所述杂质的含量≤3％。
3.如权利要求1所述的一种辐射管用耐高温合金材料，其特征在于，含有以下重量百分比的各组分C0.40％、Cr32.0％、Ni28％、Si4.6％、W4.5％、Mo1％、Mn4％、Al4.5％、Ti1％、B2％，余量为铁和不可避免的杂质，所述杂质的含量≤3％。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的一种辐射管用耐高温合金材料的铸造工艺，其特征在于，包括以下几个步骤：
1)、按照配方称取原料；
2)、将原料在熔炉内共同熔炼；熔炼的温度为1550～1650℃；
3)、浇铸成型；浇铸温度为1400～1500℃；
4)、退火处理；在450～650℃的温度下预热0.5～2小时，再加热到900～950℃后退火处理，随炉冷却至300～350℃的温度出炉空冷。
5.如权利要求4所述的一种辐射管用耐高温合金材料的铸造工艺，其特征在于，浇铸前将铸型预热为200～500℃，浇铸后铸锭在900～950℃下保温2～10小时。
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