CN105803339A - 一种耐热耐磨合金钢及其制备方法 - Google Patents

一种耐热耐磨合金钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种耐热耐磨合金钢，由以下成分及重量百分比组成：C：0.25~0.35%、Cr：17~19%、Mn：17~19%、Si：0.6~1.2%、Ti：0.6~1.0%、W：1.2~2.0%、P≤0.02%、S≤0.02%、Y：0.05~0.25%、Ce：0.05~0.25%和Al：0.025~0.05%，余量为Fe。耐热耐磨合金钢制备方法：将废钢、低碳铬铁、电解锰装入炉中，熔化；钢液温度大于1580℃时吹氧；钢液中插入70%铝‑20%硅‑10%钙丝/吨，液面加入1%碳‑50%硅‑49%钙复合粉，造渣，加入钛铁和钨铁，钢包底加入钇‑铈基混合稀土，出钢温度1620~1640℃；铸件浇注温度1530~1580℃；热处理温度1050~1100℃，铸件出炉后入水，水温不高于38℃。本发明通过成分优化设计，熔体净化及热处理工艺优化，获得热强性和高耐磨耐热钢。

Description

一种耐热耐磨合金钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种耐磨耐热钢及其制备方法。
背景技术
电力、冶金、水泥、建材、化工等工业装备关键部件承受高温氧化和介质冲刷磨损工况，如电力行业喷火嘴在高温工况下承受煤料冲刷，冶金行业篦条在输送炉渣过程中承受1000℃高温，同时承受炉渣的磨损，水泥行业篦板在1000℃高温工况下承受水泥的冲刷磨损，化工石油裂解管在近1000℃高温环境承受介质的冲刷等。在介质冲刷作用下，高温氧化形成的氧化膜被磨损冲刷，新的表面暴露，又形成氧化膜，新形成的氧化膜又被磨损，周而复始。在高温磨损工况下，氧化与磨损交互作用，因此就要求合金材料即抗氧化又耐磨损。在耐热材料基体中分布硬质点碳化物起抗磨损功能而凸出于基体，承担主要磨损功能，基体支撑碳化物不脱落，同时凸出基体的碳化物对基体有屏蔽作用，保护基体不被严重磨损，同时基体形成的致密氧化物与基体结合紧密，不易磨损掉。因此，均匀分布的硬质点碳化物，使其材料基体抗氧化性能高，晶粒细化可增加硬质点碳化物。
CN102230141A公开了一种链篦机篦板用耐热钢，成分与重量百分比：C：0.25~0.35%、Si：1.25~1.75%、Cr：27~29%、Ni：7~9%、Mn：0.3~0.5%、W：0.15~0.25%、Ti：0.05~0.15%,余量为Fe。耐热性和耐磨性不高。
CN102618804A、CN102888568A、CN103643171A均含较高Ni，耐热性好，但耐磨性不高。
发明内容
本发明的目的在于提出一种兼具耐热耐磨性的合金钢。
本发明另一个目的在于提出一种所述耐热耐磨合金钢的制备方法。
本发明所述耐热耐磨合金钢由以下成分及重量百分比组成：C：0.25~0.35%、Cr：17~19%、Mn：17~19%、Si：0.6~1.2%、Ti：0.6~1.0%、W：1.2~2.0%、P≤0.02%、S≤0.02%、Y：0.05~0.25%、Ce：0.05~0.25%和Al：0.025~0.05%，余量为Fe。
优选的耐热耐磨性合金钢由以下成分及重量百分比组成：C：0.28~0.32%、Cr：17.5~18.5%、Mn：17.5~18.5%、Si：0.7~1.0%、Ti：0.7~0.9%、W：1.5~1.8%、P≤0.02%、S≤0.02%、Y：0.08~0.20%、Ce：0.08~0.20%和Al：0.03~0.04%，余量为Fe。
本发明所述的耐热耐磨性合金钢的制备方法由以下步骤组成：
1.将废钢、低碳铬铁、电解锰装入炉中，熔化，充分搅拌钢液，造渣，渣量不低于炉料的3%，在1530~1550℃间扒渣，造新渣；
2.吹氧：钢液温度大于1580℃时吹氧，出液压力0.5~1.0MPa，时间5~10分钟；
3.还原：钢液中插入1~1.5Kg70%铝-20%硅-10%钙丝/吨，液面加入1%碳-50%硅-49%钙复合粉，造渣，渣量达到3.5~4%，保持20分钟后加入钛铁和钨铁；
4.出钢：将钢水倒入经烘烤的浇包中，钢包底加入0.2~0.8%的粒度3~5mm的钇-铈基混合稀土，出钢温度1620~1640℃；
5.浇注：铸件浇注温度1530~1580℃；
6.热处理：温度1050~1100℃，水韧处理，铸件出炉后入水时间不超过30秒，水温不高于38℃。
C是耐热钢不可或缺的元素，碳固溶于耐磨耐热钢中强化基体，与Cr、Ti等元素形成碳化物，提高耐磨性和热强性。但太多的C热疲劳性差，太低则耐磨性差，因此本发明C的成分范围0.25~0.35%。
Cr一部分固溶于钢中提高钢的耐热性，一部分与碳形成碳化物提高耐磨性，但太高易形成脆性相σ，材料热强性和耐磨性均降低，本发明Cr选择范围17~19%。
Mn是奥氏体化元素，是取代Ni最有效的元素之一，固溶于钢中的Mn在一定范围内通过热处理可获得奥氏体钢。Mn含量低不能完全获得奥氏体组织，耐热性差；含量高对熔体净化难度大，本发明Mn选择范围17~19%。
W固溶于基体中提高热强性。使之适用于更高的温度环境，同时W与C形成化合物以及固溶于铬的碳化物中均有利于耐磨性提高，本发明选择范围1.2~2.0%。
Ti与C形成TixCy，作为奥氏体形核和W的碳化物结晶核心，从而细化基体，同时改善W的碳化物形态，本发明选择范围0.6~1.0%。
Al-Si-Ca和C-Si-Ca是熔体净化去除氧元素。
钇和铈用于熔体净化。
本发明耐磨耐热钢采用电弧炉熔炼，熔炼初期炉料完全熔化后，采用吹氧除渣，为后期还原提高效率创造条件。在还原过程中插入铝-硅-钙丝沉淀脱氧，和1%碳-50%硅-49%钙复合粉扩散脱氧。由于Ti和W易氧化，在还原后期加入，防止Ti和W烧损。为消除二次氧化影响，在出钢后钢包中加入钇-铈基混合稀土进一步脱氧。
热处理采用1050~1100℃保温，消除晶界碳化物，水韧处理温度不大于38℃，出炉入水时间不超过30秒，防止水韧处理对晶界析出碳化物。
本发明通过成分优化设计，熔体净化及热处理工艺优化，获得热强性和高耐磨耐热钢。
本发明具有以下有益效果：
1）本发明可以获得耐高温奥氏体基体，提高耐热性；
2）本发明获得高硬度的含Ti、W的碳化物，提高高温耐磨性；
3）本发明获得细晶，提高耐热钢强韧性；
4）本发明可明显提高耐热性能，1000℃时：硬度提高15~25%，1000小时高温持久强度σ1000 1000提高15~25%，氧化增重降低10~20%，使用寿命提高25~35%。
具体实施方式
实施例1
耐热耐磨钢的成分及重量百分比为：C：0.28%、Cr：17.5%、Mn：17.5%、Si：0.8%、Ti：0.7%、W：1.4%、P≤0.02%、S≤0.02%、Y：0.15%、Ce：0.15%和Al：0.03%，余量为Fe。
将废钢、低碳铬铁、电解锰等原材料装入电弧炉中，熔化，充分搅拌钢液，造渣，渣量为炉料的3.2%，在1535℃间扒渣，造新渣；钢液温度为1585℃吹氧，出液压力0.8MPa，时间8分钟；每吨钢液中插入1.2Kg70%铝-20%硅-10%钙丝，根据成分要求补加合金材料，液面加入1%碳-50%硅-49%钙复合粉，造渣，渣量达到3.6%，保持20分钟后加入钛铁、钨铁；将钢水倒入经烘烤的浇包中，钢包底加入0.2%的钇-铈基混合稀土，粒度3~5mm，出钢温度1635℃；铸件浇注温度1570℃；热处理温度1070℃，水韧处理，铸件出炉后入水时间为28秒，水温35℃。
经测试本发明的耐磨耐热钢1000℃时硬度41HV，σ1000 1000为19MPa，氧化增重51g/cm2，比ZG40Cr25Ni20在1000℃时的硬度、σ1000 1000分别提高18%和13%，氧化增重比ZG40Cr25Ni20降低13%。用本发明的耐磨耐热钢及方法制备的火电厂喷火嘴寿命比ZG40Cr25Ni20提高28%。
实施例2
耐热耐磨钢，其成分按重量百分比为：C：0.3%、Cr：18%、Mn：18%、Si：1.0%、Ti：0.8%、W：1.6%、P≤0.02%、S≤0.02%、Y：0.2%、Ce：0.2%和Al：0.035%，余量为Fe。
将废钢、低碳铬铁、电解锰等原材料装入电弧炉中，熔化，充分搅拌钢液，造渣，渣量为炉料的3.5%，在1540℃间扒渣，造新渣；钢液温度为1590℃吹氧，出液压力0.7MPa，时间7分钟；每吨钢液中插入1.3Kg70%铝-20%硅-10%钙丝，根据成分要求补加合金材料，液面加入1%碳-50%硅-49%钙复合粉，造渣，渣量达到3.7%，保持20分钟后加入钛铁、钨铁；将钢水倒入经烘烤的浇包中，钢包底加入0.3%的钇-铈基混合稀土，粒度3~5mm，出钢温度1630℃；铸件浇注温度1550℃；热处理温度1080℃，水韧处理，铸件出炉后入水时间为25秒，水温37℃。
经测试，本发明的耐磨耐热钢1000℃时硬度43HV，σ1000 1000为21MPa，氧化增重49g/cm2，1000℃时的硬度、σ1000 1000值与ZG40Cr25Ni20相比分别提高20%和15%，氧化增重比ZG40Cr25Ni20降低15%。用本发明的耐磨耐热钢及方法制备的篦板（水泥篦冷机用）使用寿命比ZG40Cr25Ni20制作的提高32%。
实施例3
耐热耐磨钢，其成分按重量百分比为：C：0.33%、Cr：18.5%、Mn：18.5%、Si：1.1%、Ti：0.9%、W：1.8%、P≤0.02%、S≤0.02%、Y：0.25%、Ce：0.25%和Al：0.045%，余量为Fe。
将废钢、低碳铬铁、电解锰等原材料装入电弧炉中，熔化，充分搅拌钢液，造渣，渣量为炉料的3.8%，在1545℃间扒渣，造新渣；钢液温度为1600℃吹氧，出液压力0.9MPa，时间9分钟；每吨钢液中插入1.4Kg70%铝-20%硅-10%钙丝，根据成分要求补加合金材料，液面加入1%碳-50%硅-49%钙复合粉，造渣，渣量达到3.9%，保持20分钟后加入钛铁、钨铁；将钢水倒入经烘烤的浇包中，钢包底加入0.45%的钇-铈基混合稀土，粒度3~5mm，出钢温度1635℃；铸件浇注温度1540℃；热处理温度1090℃，水韧处理，铸件出炉后入水时间为22秒，水温34℃。
经测试，本发明的耐磨耐热钢1000℃时硬度45HV，σ1000 1000为23MPa，氧化增重46g/cm2，比ZG40Cr25Ni20在1000℃时的硬度、σ1000 1000值分别提高22%和21%，氧化增重比ZG40Cr25Ni20降低18%。用本发明的耐磨耐热钢及方法制备的篦条使用寿命比用ZG40Cr25Ni20制作的提高35%。

Claims (3)

1.一种耐热耐磨合金钢，其特征是由以下成分及重量百分比组成：C：0.25~0.35%、Cr：17~19%、Mn：17~19%、Si：0.6~1.2%、Ti：0.6~1.0%、W：1.2~2.0%、P≤0.02%、S≤0.02%、Y：0.05~0.25%、Ce：0.05~0.25%和Al：0.025~0.05%，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的耐热耐磨合金钢，其特征是由以下成分及重量百分比组成：C：0.28~0.32%、Cr：17.5~18.5%、Mn：17.5~18.5%、Si：0.7~1.0%、Ti：0.7~0.9%、W：1.5~1.8%、P≤0.02%、S≤0.02%、Y：0.08~0.20%、Ce：0.08~0.20%和Al：0.03~0.04%，余量为Fe。
3.如权利要求1所述的耐热耐磨合金钢的制备方法，其特征是由以下步骤组成：
1）将废钢、低碳铬铁、电解锰装入炉中，熔化，充分搅拌钢液，造渣，渣量不低于炉料的3%，在1530~1550℃间扒渣，造新渣；
2）吹氧：钢液温度大于1580℃时吹氧，出液压力0.5~1.0MPa，时间5~10分钟；
3）还原：钢液中插入1~1.5Kg70%铝-20%硅-10%钙丝/吨，液面加入1%碳-50%硅-49%钙复合粉，造渣，渣量达到3.5~4%，保持20分钟后加入钛铁和钨铁；
4）出钢：将钢水倒入经烘烤的浇包中，钢包底加入0.2~0.8%的粒度3~5mm的钇-铈基混合稀土，出钢温度1620~1640℃；
5）浇注：铸件浇注温度1530~1580℃；
6）热处理：温度1050~1100℃，水韧处理，铸件出炉后入水时间不超过30秒，水温不高于38℃。
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