CN105648348A - 一种中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢及其制造方法，其中中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢的组分按质量百分比构成如下：C：0.40-0.50％，Cr：9.0-11.0％，Si：1-2.5％，W：0.5-1.5％，Mo：0.5-1.5％，RE：0-0.4％，Ti：0-1.5％，Al：1-3％，P：0.01-0.045％，S：0.01-0.045％，其他金属和非金属元素总量≤3％，余量为Fe。本发明在热镀锌、热镀铝锌的工作环境下具有很好的耐高温磨损性和耐高温腐蚀性，其寿命是316L沉没辊的1倍，成本低20％。

Description

一种中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢及其制造方法
一、技术领域
本发明涉及一种合金钢及其制备方法，具体地说是一种中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢及其制造方法，用于热镀锌、热镀铝锌生产线。
二、背景技术
热镀锌、热镀铝锌生产线沉没辊装置最高会在620-650℃的高温铝锌液中服役，对沉没辊装置的材质要求非常高，既要有耐高温腐蚀性能，又要兼备耐高温磨损性能。国内沉没辊材料大都选用高铬镍合金钢316L、317L，国外的材质也基本都是在316L、317L的基础上进行延伸，产品耐高温腐蚀、耐高温磨损性能一直没有较大突破，加上高铬镍合金成本高、使用周期短，频繁更换造成了生产企业的成本二次增加。受沉没辊装置材质的制约，国内生产沉没辊装置使用寿命短、出镀铝锌板效率低，导致国内高档镀铝锌板主要依靠进口，造成了严重的资源浪费。
三、发明内容
本发明是为了避免高铬镍合金钢316L、317L耐高温腐蚀、磨损性能较差、使用寿命较短的不足，提供一种中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢及其制造方法，该钢不仅具有良好的耐高温腐蚀磨损性能，而且成本较低。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
本发明中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢，其组分按质量百分比构成如下：
C：0.40-0.50％，Cr：9.0-11.0％，Si：1-2.5％，W：0.5-1.5％，Mo：0.5-1.5％，RE：0-0.4％，Ti：0-1.5％，Al：1-3％，P：0.01-0.045％，S：0.01-0.045％，其他金属和非金属元素总量≤3％，余量为Fe。
其他金属和非金属元素包括N、H、O、Al、Cu、Ni、Nb、Zr、V、W、Co、B、Ta、Mg、Ca、Zn、K、Y、Sn、Pb、Ba中的一种或几种。
本发明中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢的制造方法，包括配料、共同熔炼、浇铸成型以及热处理各单位过程：
1、共同熔炼
将配比量的各原料置于1550-1650℃下熔炼至所有原料熔化，静置15分钟，得到熔炼液；
2、浇铸成型
将步骤1得到的熔炼液静置冷却至1400-1500℃，扒渣后浇于铸模中，浇铸成型得到铸锭，随后将所得铸锭置于900-950℃下保温2-10小时进行均匀化退火；
所述铸模使用前预先于200-500℃预热0.5-2小时。
3、热处理
将退火后的铸锭依次进行淬火、回火处理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢。
所述淬火处理是在450-650℃下预热0.5-2小时，再加热到950-1050℃保温0.5-1.5小时后进行淬火冷却，淬火冷却采用油冷方式；
所述回火处理是将淬火后的铸锭于600-700℃保温1-3小时后空冷至室温。
本发明方法的设计依据是：
C:C是钢中的组元之一。本发明沉没辊材料中C量的控制是为了保证合金得到好的强度、硬度、韧性、耐蚀性的配合，尤其是保证其固溶于淬火M中或与W、Cr、Ti等合金元素作用形成高硬度、高稳定性的合金碳化物，使合金有足够的硬度和耐磨性，避免316L、317L钢由于超低的含碳量导致的合金的硬度、耐磨性明显偏低。含碳量偏低，材料的韧性和耐蚀性将得以提高，但耐磨性会不够；含碳量过高，材料的硬度、耐磨性会改善，但韧性和耐蚀性会下降。
Cr：铬是提高钢的淬透性、使钢强化的重要元素，同时也是提高钢的耐蚀性的重要元素。以往的316L、317L沉没辊材质中，含铬量多高于14％。本发明沉没辊选择铬含量为9－11％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。
Si：有固溶强化、提高淬透性作用，进入阻挡层，可增加Zn在其中的扩散系数，阻止Zn的扩散，抑制腐蚀。但Si易使合金脆化，量不宜太多，应不超过2.5％。
W：加入钨元素可提高钢的回火稳定性和高温强硬度，是合金具有较高的高温耐磨性。进入阻挡层，可明显增加Zn在其中的扩散系数，强烈阻止Zn的扩散，抑制腐蚀。。但由于W的价格昂贵，为了控制合金成本，加入量不超过1.5％。
Mo：加入少量Mo元素可提高合金淬透性。可提高钢的回火稳定性和高温强硬度，是合金具有较高的高温耐磨性。进入阻挡层，可明显增加Zn在其中的扩散系数，强烈阻止Zn的扩散，抑制腐蚀。。但由于Mo的价格昂贵，为了控制合金成本，加入量不超过1.5％。
Al：由于铝锌液中的Al先于Zn与Fe反应形成Fe5Al2层，起到抑制锌原子扩散的作用，有利于提高其耐蚀性，但过多，会引起合金强度、耐磨性下降。
RE和Ti：加入少量稀土可以净化、细化组织，提高耐蚀性。Ti元素能起到强化作用，能阻止Zn在阻挡层中的扩散，抑制腐蚀。RE、Ti的加入对阻挡层的细化、增韧作用，使阻挡层致密、完整、不碎裂。但量不能高，分别控制在0.4％和1.0％以下。
P、S及其他金属与非金属元素：P会引起热脆，S易引起冷脆。其他金属与非金属元素在本发明沉没辊中均作为杂质，其量需严格控制。
沉没辊、稳定辊工作环境为接近620-650℃的高温铝锌液，其主要失效形式为高温腐蚀和磨损，由于辊面所受载荷有限，腐蚀问题显得更为重要。其中腐蚀来源于Zn、Fe在高温下的互溶、扩散反应，而316L等奥氏体型不锈钢通过加入大量的Cr、Ni等元素形成单相奥氏体组织的抗腐蚀机理在此环境下是不适用的，而且由于超低的含碳量，合金的硬度、耐磨性明显偏低，因此该类合金设计思想是偏颇的，无法得到高耐铝锌磨蚀性能。且其中Ni含量达到14％，占合金成本的一半以上，明显提高了成本，造成了资源的浪费。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明沉没辊用钢通过合金设计，使沉没辊经熔炼、铸造和热处理后，获得保持有明显马氏体针遗迹的细小索氏体组织，硬度为58-60HRC，抗拉强度为800-850MPa，冲击韧性aK为20-50J·cm-2，620-650℃铝锌液中均匀腐蚀速率为0.2-0.6g·m-2·h-1，在沉没辊的工作环境下具有很好的耐磨、耐蚀性，其寿命是316L、317L沉没辊的2倍。
2、本发明沉没辊按照新的合金设计思路，采用无Ni的合金设计，以中碳(0.40-0.50％)、中铬(9-11％)为基础，加入适量的Si、Mo、W、Al和少量的Ti及稀土。与316L、317L沉没辊相比，由于含Ni量为0，成本明显降低。
四、具体实施方式
以下通过实施例对本发明作进一步描述。
1、配料
本发明实施例中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢按重量百分比的材料成分如下表1：
表1
组 C Cr Si W Mo RE Ti Al Fe
实施例1 0.40 9.0 1.0 0.5 0.5 0 0 1.0 余量
实施例2 0.45 10.0 1.0 1.0 1.0 0 1.0 1.0 余量
实施例3 0.45 10.0 1.5 1.0 1.0 0.1 1.0 2.0 余量
实施例4 0.45 10.0 2.0 1.5 1.0 0.1 1.0 2.5 余量
实施例5 0.45 11.0 2.0 1.5 1.0 0.2 1.5 3.0 余量
实施例6 0.50 11.0 2.5 1.5 1.5 0.4 1.5 3.0 余量
2、制备
(1)共同熔炼
将配比量的各原料置于1600℃下熔炼至所有原料熔化，静置15分钟，得到熔炼液；
(2)浇铸成型
将步骤(1)得到的熔炼液静置冷却至1400-1500℃，扒渣后浇于铸模中，浇铸成型得到铸锭，随后将所得铸锭置于930℃下保温3小时进行均匀化退火；
所述铸模使用前预先于300℃预热1小时。
(3)热处理
将退火后的铸锭依次进行淬火、回火处理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢。
所述淬火处理是在550℃下预热1小时，再加热到950-1050℃保温0.5-1.5小时后进行淬火冷却，淬火冷却采用油冷方式；
所述回火处理是将淬火后的铸锭于650℃保温2小时后空冷至室温。
实施例1，含碳量为0.40，保证了合金有较高的塑韧性，保证其固溶于淬火后的M中或与W、Cr、Ti等合金元素作用形成高硬度、高稳定性的合金碳化物，合金有较高的硬度和耐磨性，避免316L、317L钢由于超低的含碳量导致的合金的硬度、耐磨性明显偏低。；Si有固溶强化、提高淬透性和提高耐Zn腐蚀的作用；Cr、W、Mo多元合金化可强烈阻止Zn的扩散，保证合金的耐蚀性和耐热性，其中，Cr、W、Mo与C形成较稳定的化合物，具有高硬度，可提高合金的耐热磨损的能力。Al先于Zn与Fe反应形成Fe5Al2层，起到抑制锌原子扩散的作用，有利于提高其耐蚀性.
实施例2，较之实施例1，Cr量增加1.0％，W、Mo、Ti增加可提高合金的硬度、耐磨性、耐热性，提高合金性能和寿命。
实施例3，较之实施例2，Si、Al量增加，对Zn在阻挡层中扩散的阻碍作用增强；RE量增加，净化、细化组织，提高耐蚀性。
实施例4，较之实施例3，Si、Al、W量增加，对Zn在阻挡层中扩散的阻碍作用增强；W量增加，可进一步提高合金的硬度、耐磨性、耐热性。
实施例5，Al、RE增加有利于耐蚀性提高，Ti量增加对提高抗磨性有利。但合金元素增加会增加成本。
实施例6，较之实施例5，C、Mo增加对提高耐磨性有利，Si、RE量增加对提高抗Zn液腐蚀有利，但C、Si量增加会降低合金韧性，Mo、RE会增加合金成本。
本发明配料可以是生铁+废钢+合金元素，也可以是废钢+合金元素。
上述配料、熔炼、浇铸和热处理后，所得合金的室温硬度为HRC58～60，抗拉强度为800～850Mpa，冲击韧性aK为20～50J·cm-2，620～650℃铝锌液中均匀腐蚀速率为0.2～0.6g·m-2·h-1，在沉没辊的工作环境下具有很好的耐磨、耐蚀性。
实施例7：
1、配料
按重量百分比的合金成分为：0.45％C、10.0％Cr、1.0％Mo、1.0％W、0.2％RE、0.5％Ti、2.0％Si、2.0％Al、0.035％P、0.035％S，余量为Fe及杂质。
2、制备
(1)共同熔炼
将配比量的各原料置于1600℃下熔炼至所有原料熔化，静置15分钟，得到熔炼液；熔炼时加入Al作为脱模剂，脱模剂的添加量为原料总质量的0.2％。
(2)浇铸成型
将步骤(1)得到的熔炼液静置冷却至1450℃，扒渣后浇于钢模铸型中，浇铸成型得到铸锭，随后将所得铸锭置于930℃下保温3小时进行均匀化退火；
所述铸模使用前预先于300℃预热1小时。
(3)热处理
将退火后的铸锭依次进行淬火、回火处理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢。
所述淬火处理是在550℃下预热1小时，再加热到1000℃保温0.5小时后进行淬火冷却，淬火冷却采用油冷方式；
所述回火处理是将淬火后的铸锭于650℃保温2小时后空冷至室温。
实施例8：
1、配料
按重量百分比的合金成分为：0.40％C、11.0％Cr、1.0％Mo、1.0％W、0.1％RE、1.0％Ti、2.0％Si、2.5％Al、0.035％P、0.035％S，余量为Fe及杂质。
2、制备
(1)共同熔炼
将配比量的各原料置于1600℃下熔炼至所有原料熔化，静置15分钟，得到熔炼液；熔炼时加入Al作为脱模剂，脱模剂的添加量为原料总质量的0.2％。
(2)浇铸成型
将步骤(1)得到的熔炼液静置冷却至1450℃，扒渣后浇于钢模铸型中，浇铸成型得到铸锭，随后将所得铸锭置于930℃下保温3小时进行均匀化退火；
所述铸模使用前预先于300℃预热1小时。
(3)热处理
将退火后的铸锭依次进行淬火、回火处理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢。
所述淬火处理是在550℃下预热1小时，再加热到1020℃保温0.5小时后进行淬火冷却，淬火冷却采用油冷方式；
所述回火处理是将淬火后的铸锭于650℃保温2小时后空冷至室温。
实施例9：
1、配料
按重量百分比的合金成分为：0.45％C、11.0％Cr、1.0％Mo、1.5％W、0.1％RE、0.5％Ti、2.5％Si、1.5％Al、0.035％P、0.035％S，余量为Fe及杂质。
2、制备
(1)共同熔炼
将配比量的各原料置于1600℃下熔炼至所有原料熔化，静置15分钟，得到熔炼液；熔炼时加入Al作为脱模剂，脱模剂的添加量为原料总质量的0.2％。
(2)浇铸成型
将步骤(1)得到的熔炼液静置冷却至1450℃，扒渣后浇于钢模铸型中，浇铸成型得到铸锭，随后将所得铸锭置于930℃下保温3小时进行均匀化退火；
所述铸模使用前预先于300℃预热1小时。
(3)热处理
将退火后的铸锭依次进行淬火、回火处理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢。
所述淬火处理是在550℃下预热1小时，再加热到1000℃保温0.5小时后进行淬火冷却，淬火冷却采用油冷方式；
所述回火处理是将淬火后的铸锭于650℃保温2小时后空冷至室温。

Claims (6)

1.一种中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢，其特征在于其组分按质量百分比构成如下：
C：0.40-0.50％，Cr：9.0-11.0％，Si：1-2.5％，W：0.5-1.5％，Mo：0.5-1.5％，RE：0-0.4％，Ti：0-1.5％，Al：1-3％，P：0.01-0.045％，S：0.01-0.045％，其他金属和非金属元素总量≤3％，余量为Fe；
所述其他金属和非金属元素包括N、H、O、Al、Cu、Ni、Nb、Zr、V、W、Co、B、Ta、Mg、Ca、Zn、K、Y、Sn、Pb、Ba中的一种或几种。
2.一种权利要求1所述的中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)共同熔炼
将配比量的各原料置于1550-1650℃下熔炼至所有原料熔化，静置15分钟，得到熔炼液；
(2)浇铸成型
将步骤(1)得到的熔炼液静置冷却至1400-1500℃，扒渣后浇于铸模中，浇铸成型得到铸锭，随后将所得铸锭置于900-950℃下保温2-10小时进行均匀化退火；
(3)热处理
将退火后的铸锭依次进行淬火、回火处理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：
所述铸模使用前预先于200-500℃预热0.5-2小时。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：
所述淬火处理是在450-650℃下预热0.5-2小时，再加热到950-1050℃保温0.5-1.5小时后进行淬火冷却。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：
淬火冷却采用油冷方式。
6.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：
所述回火处理是将淬火后的铸锭于600-700℃保温1-3小时后空冷至室温。
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