CN105586525A - 一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂 - Google Patents

Abstract

一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂，属于耐热钢技术领域，其特征为，复合稀土变质剂成分为，Ce10～15wt％、La10～15wt％、Yb7～9wt％、Dy6～8wt％、Nd4～6wt％、Ho3～5wt％、Y+Tb+Gd+Er+Tm+Lu+Sc+Pr为8～16wt%、Ti2～4wt%，V2～4wt%，W1～3wt%、Ba1～3wt%、余为铁。所述复合变质剂为块状合金，熔点范围1100～1300℃，复合变质剂加入量范围为0.3～0.8wt%。

Description

一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂

技术领域

本发明属于耐热钢技术领域，特指一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂。

背景技术

很多耐热合金钢在服役过程中，其工作温度在20～900℃范围内急剧变化，引起热应力和热应变的产生和变化，每循环工作一个周期，工件各处都因热应力的作用经受一次压缩和拉伸塑性变形。在这种激冷激热环境中，零部件内部存在的细小裂纹、夹杂、偏析等缺陷,在循环应力作用下，很容易发展为裂纹，因而对各部件热疲劳性能要求苛刻。热作模具、热交换管子和锅炉管子、燃汽发动机的轮盘和叶片、高速列车的刹车盘和汽车的刹车毂都是热疲劳破坏的典型例子。为了满足工业部门的需要，热疲劳研究蓬勃发展。耐热钢用途日益广泛,主要用于制作钢铁冶炼设备、热加工及热处理设备等。但普通金属材料及普通耐热钢材在冷热交变环境中极易产生裂纹，导致零件失效。提高材料的耐热疲劳性能对于延长零部件使用寿命和提高设备整机运行稳定性有重要意义，本发明开发出一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂。

发明内容

一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂，其特征为，复合稀土变质剂成分为，Ce10～15wt％、La10～15wt％、Yb7～9wt％、Dy6～8wt％、Nd4～6wt％、Ho3～5wt％、Y+Tb+Gd+Er+Tm+Lu+Sc+Pr为8～16wt%、Ti2～4wt%，V2～4wt%，W1～3wt%、Ba1～3wt%、余为铁。所述复合变质剂为块状合金，熔点范围1100～1300℃，复合变质剂加入量范围为0.3～0.8wt%。

上述成分可优选为：Ce12～13wt％、La12～13wt％、Yb7.5～8.5wt％、Dy6.5～7.5wt％、Nd4.5～5.5wt％、Ho3.5～4.5wt％、Y+Tb+Gd+Er+Tm+Lu+Sc+Pr为11～13wt%、Ti2.5～3.5wt%，V2.5～3.5wt%，W2～2.5wt%、Ba2～2.5wt%、余为铁。复合变质剂加入量范围可优选为0.6%。

附图说明

图1　热疲劳试样尺寸图

图2　普通钢耐热钢经过35000次冷热循环热疲劳实验后裂纹萌生、扩展图

图3　本发明2号钢经过35000次冷热循环热疲劳实验后裂纹萌生、扩展图

具体实施方式。

实施例1

在中频感应电炉中冶炼本发明耐热疲劳合金钢（记为1号钢），C为0.2～0.45wt%，Cr为16～18wt%，Ni为18～20wt%，Mn为2～4wt%，W为2～4wt%，Mo为2～4wt%，Si为1.5～2.5wt%，N为0.1～0.4wt%，复合稀土变质剂0.3wt%，余量为铁。其冶炼工艺与普通耐热钢相同，冶炼后浇注成铸态试样，固溶处理温度为1080－1120℃，保温2小时后进行空冷，时效温度为750－770℃，保温2.5小时，再降至650－670℃，保温1小时，空冷。固溶处理所用设备为箱式电组炉，时效加热采用的是井式电组炉。热处理后取样进行20℃～800℃冷热循环热疲劳实验，热疲劳性能见表1。

采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。热疲劳试样（如图1所示）装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致。通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度。试样在室温25℃至800℃之间进行加热与冷却的热循环。采用计数器进行自动计数。调整并保持炉温800℃，水温20℃（流动自来水）。快速加热试样。加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为5s，直至预定循环次数。对于研究热疲劳裂纹萌生的试样，每循环400次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，以0.1mm作为裂纹萌生长度，记下试样裂纹萌生循环次数。观察并对裂纹的萌生位置照相。对于研究热疲劳裂纹扩展的试样，每循环200次，取下试样，抛光并观察。确定裂纹已经萌生后，每循环200次观察裂纹并对能反映裂纹扩展路径特征的位置照相。

每个试样经过8000次至35000次冷热循环后在裂纹最密集处沿横截面剖开，测量裂纹深度。从表1中数据可以看出，在进行到18000次的时候，普通耐热钢热疲劳裂纹在长度、宽度及深度等方面开始发展，但本发明2号钢尚未萌生裂纹；进行到25000次时，普通耐热钢裂纹变得更长；到35000次时，普通耐热钢裂纹已达到9.97mm，但本发明1号钢裂纹仅为1.46mm。

实施例2

在中频感应电炉中冶炼本发明耐热疲劳合金钢（记为2号钢），C为0.2～0.45wt%，Cr为16～18wt%，Ni为18～20wt%，Mn为2～4wt%，W为2～4wt%，Mo为2～4wt%，Si为1.5～2.5wt%，N为0.1～0.4wt%，复合稀土变质剂0.6wt%，余量为铁。其冶炼工艺与普通耐热钢相同，冶炼后浇注成铸态试样，固溶处理温度为1080－1120℃，保温2小时后进行空冷，时效温度为750－770℃，保温2.5小时，再降至650－670℃，保温1小时，空冷。固溶处理所用设备为箱式电组炉，时效加热采用的是井式电组炉。热处理后取样进行20℃～800℃冷热循环热疲劳实验，热疲劳性能见表1。

采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。热疲劳试样（如图1所示）装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致。通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度。试样在室温25℃至800℃之间进行加热与冷却的热循环。采用计数器进行自动计数。调整并保持炉温800℃，水温20℃（流动自来水）。快速加热试样。加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为5s，直至预定循环次数。对于研究热疲劳裂纹萌生的试样，每循环400次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，以0.1mm作为裂纹萌生长度，记下试样裂纹萌生循环次数。观察并对裂纹的萌生位置照相。对于研究热疲劳裂纹扩展的试样，每循环200次，取下试样，抛光并观察。确定裂纹已经萌生后，每循环200次观察裂纹并对能反映裂纹扩展路径特征的位置照相。

每个试样经过8000次至35000次冷热循环后在裂纹最密集处沿横截面剖开，测量裂纹深度。图2、图3分别是普通耐热钢和本发明2号钢的裂纹表面形貌及截面形貌。从表面形貌比较可知，普通钢耐热钢的裂纹明显较本发明耐热疲劳合金钢粗大，并且形成数条贯穿表面的主裂纹。可见本发明耐热疲劳合金钢热疲劳性能较普通钢耐热钢优越。

从表1中数据和图2、图3中可以看出，在进行到18000次的时候，普通耐热钢热疲劳裂纹在长度、宽度及深度等方面开始发展，但本发明2号钢尚未萌生裂纹；进行到25000次时，普通耐热钢裂纹变得更加粗大，裂纹尖端的分枝继续择优扩展，且普通耐热钢裂纹的缝隙内出现明显的氧化迹象；到35000次时，各个试样均出现裂纹并扩展，普通耐热钢裂纹已达到9.97mm，但本发明3号钢裂纹仅为0.91mm。而且本发明2号钢裂纹扩展较为均衡，主裂纹相对其他组织扩展较慢。两种材料的裂纹萌生、扩展如图2、3所示。

实施例3

在中频感应电炉中冶炼本发明耐热疲劳合金钢（记为3号钢），C为0.2～0.45wt%，Cr为16～18wt%，Ni为18～20wt%，Mn为2～4wt%，W为2～4wt%，Mo为2～4wt%，Si为1.5～2.5wt%，N为0.1～0.4wt%，复合稀土变质剂0.8wt%，余量为铁。其冶炼工艺与普通耐热钢相同，冶炼后浇注成铸态试样，固溶处理温度为1080－1120℃，保温2小时后进行空冷，时效温度为750－770℃，保温2.5小时，再降至650－670℃，保温1小时，空冷。固溶处理所用设备为箱式电组炉，时效加热采用的是井式电组炉。热处理后取样进行20℃～800℃冷热循环热疲劳实验，热疲劳性能见表1。

采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。热疲劳试样（如图1所示）装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致。通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度。试样在室温25℃至800℃之间进行加热与冷却的热循环。采用计数器进行自动计数。调整并保持炉温800℃，水温20℃（流动自来水）。快速加热试样。加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为5s，直至预定循环次数。对于研究热疲劳裂纹萌生的试样，每循环400次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，以0.1mm作为裂纹萌生长度，记下试样裂纹萌生循环次数。观察并对裂纹的萌生位置照相。对于研究热疲劳裂纹扩展的试样，每循环200次，取下试样，抛光并观察。确定裂纹已经萌生后，每循环200次观察裂纹并对能反映裂纹扩展路径特征的位置照相。

每个试样经过8000次至35000次冷热循环后在裂纹最密集处沿横截面剖开，测量裂纹深度。从表1中数据可以看出，在进行到18000次的时候，普通耐热钢热疲劳裂纹在长度、宽度及深度等方面开始发展，但本发明2号钢尚未萌生裂纹；进行到25000次时，普通耐热钢裂纹变得更长；到35000次时，普通耐热钢裂纹已达到9.97mm，但本发明3号钢裂纹仅为1.12mm。

表1热疲劳实验数据

Claims (10)

1.一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂，其特征为，复合稀土变质剂成分为，Ce10～15wt％、La10～15wt％、Yb7～9wt％、Dy6～8wt％、Nd4～6wt％、Ho3～5wt％、Y+Tb+Gd+Er+Tm+Lu+Sc+Pr为8～16wt%、Ti2～4wt%，V2～4wt%，W1～3wt%、Ba1～3wt%、余为铁；所述复合变质剂为块状合金，熔点范围1100～1300℃，复合变质剂加入量范围为0.3～0.8wt%。

2.根据权利要求1所述一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂，Ce成分可优选为：12～13wt％。

3.根据权利要求1所述一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂，La成分可优选为：12～13wt％。

4.根据权利要求1所述一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂，Yb成分可优选为：7.5～8.5wt％。

5.根据权利要求1所述一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂，Dy成分可优选为：6.5～7.5wt％。

6.根据权利要求1所述一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂，Nd成分可优选为：4.5～5.5wt％。

7.根据权利要求1所述一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂，Ho成分可优选为：3.5～4.5wt％。

8.根据权利要求1所述一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂，Y+Tb+Gd+Er+Tm+Lu+Sc+Pr成分可优选为：11～13wt％。

9.根据权利要求1所述一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂，Ti成分可优选为：2.5～3.5wt％；V成分可优选为：2.5～3.5wt％；W成分可优选为：2～2.5wt％；Ba成分可优选为：2～2.5wt％。

10.根据权利要求1所述一种提高耐热合金钢热疲劳性能的复合稀土变质剂，复合变质剂加入量范围优选为：0.6wt%。