CN108796392B - 一种耐热合金钢材料及管材的制备方法 - Google Patents

一种耐热合金钢材料及管材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及冶金加工领域，公开了一种耐热合金钢材料及管材的制备方法，其中耐热合金钢的化学成分为：碳C：0.05‑0.12%；硅Si：2.0‑3.5%；锰Mn：1.0‑2.0%；磷P：0‑0.035%；硫S：0‑0.04%；铬Cr：21‑28%；钼Mo：1.5‑2.5%；镍Ni：19‑23%；铜Cu：0‑0.5%；钨W：2.5‑4.0%；氮N：0.1‑0.3%，钛Ti：0.08‑0.15%,铌：10XC‑1.1%；余量为铁，制备而成的高温合金钢，由于碳含量较低，具有较好的韧性与锻造性能，解决了与普通钢材同等的加工性能，并具备在高温环境下的抗氧化性，高温耐磨性等特性，并适合于挤压成管类等耐高温合金型材，使之耐高温材料零部件的加工方式变得简单普及。

Description

一种耐热合金钢材料及管材的制备方法
技术领域
本发明涉及冶金加工领域，特别是一种耐热合金钢材料及管材的制备方法。
背景技术
钢的成分中，除铁、碳外，加入其他的合金元素，就叫合金钢，属于在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。
一般的合金金属材料都只能在500～600摄氏度下长期工作。能在高于700摄氏度的高温下工作的金属通称耐热合金，对于耐高温的零部件用合金，需要特别注重合金在高温环境下的耐摩硬度和耐热变形性能。
通常，为了解决高温场合的环境的套类零部件，特别是应用汽车发动机或汽车涡轮增压器的应用，选择标准公开的高温合金牌号，其钢种含碳量高，以及合金元素的影响，加工困难，基本采用铸造工艺完成零部件所需的毛坯，经过制模，燃结、熔炼等，再进行精密加工，其工艺繁锁，工艺路线长，生产效率低，能耗高等不足；故开发一种应用普通机械加工耐热合金钢材料及管材的制备方法显得非常重要，并具用较为常用的市场推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐热合金钢材料及管材的制备方法，以解决上述问题。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明公开了一种耐热合金钢材料，合金钢的化学成分为：碳C：0.05-0.12%；硅Si：2.0-3.5%；锰Mn：1.0-2.0%；磷P：0-0.035%；硫S：0-0.04%；铬Cr：21-28%；钼Mo：1.5-2.5%；镍Ni：19-23%；铜Cu：0-0.5%；钨W：2.5-4.0%；氮N：0.1-0.3%，铌Nb：10XC-1.1%,钛Ti：0.08-0.15%；余量为铁与不可控杂质，各元素质量百分比之和为100%。
本发明还公开了一种耐热合金钢管材的制备方法，采用上述的耐热合金钢材料，制备方法包括以下步骤：
配料：将低碳铬铁、镍钢、硅铁、锰钢、钼钢、氮铁、生铁与一定量的铌粉与钨粉混合，根据炉前分析，调整各成分的配比；
熔炼：将步骤1所述的低碳铬铁、生铁在熔炼炉内进行真空熔炼，温度在1400摄氏度时依次将锰钢、镍钢，硅铁，氮铁以及一定量铌粉与钨粉加入熔炼炉内进行熔炼与电渣精炼，将得到的金属液体形成热扎成锻坯；
锻打：将锻坯置入遂道道炉内，温度升至到1000-1070摄氏度后取出，采用空气锤进行锻打，终锻温度950摄氏度；
制管：挤压管将锻坯粗加工形成圆柱体，然后经过锯切、预打孔、遂道炉预热、高频加热，穿孔后，进行热挤压制，最终形成高温管材的管坯；经1150摄氏度进行固溶处理后，按精制管的尺寸要求，进行精密管挤压，校直，表面清洗，外圆磨，形成最终型材。
其中，配料步骤中，低碳铬铁、镍钢、硅铁、锰钢、钼钢和氮铁占比分别为低碳铬铁与镍钢占配料总重的30-40%，硅铁占配料总重的3.5-4.5%，锰钢占配料总重的8%，钼钢占配料总重的10-12%，氮铁占配料总重的5%，根据炉前分析结果，进行调整达到配方比例值。
优选的，锻打步骤中，锻坯经过锻打后，锻坯厚度缩减至原锻坯的2/3。
本发明具有以下有益效果：
本发明耐热合金材料由于碳含量较低，具有较好的韧性与锻造性能，解决了与普通钢材同等的加工性能，并具备在高温环境下的抗氧化性，高温耐磨性等特性，适合于挤压成管类等耐高温合金型材，使之耐高温材料零部件的加工方式变得简单普及。特别是本案应用的涡轮增压器轴套，应用得成型的耐高温合金管材，可连续在CNC车床自动化加工，材料利用率高达85%。在汽车涡轮增压器吸入汽车燃烧废气转为动能的过程中，温度高达900-1100摄氏度，保持一定的抗氧化性与高温耐磨性，其在高温硬度测试中，900摄氏度时的硬度保等在HV150，是普通耐热钢310S的3倍以上。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
本发明公开了一种耐热合金钢材料，合金钢的化学成分为：碳C：0.05%；硅Si：2.0%；锰Mn：1.0%；铬Cr：21%；钼Mo：1.5%；镍Ni：19%；钨W：2.5%；氮N：0.1%；钛Ti：0.08%；铌Nb：0.5%；余量为铁以及不可控杂质，各元素质量百分比之和为100%。
本发明还公开了一种耐热合金钢管材的制备方法，采用上述的耐热合金钢材料，制备方法包括以下步骤：
配料：将低碳铬铁、镍钢、硅铁、锰钢、钼钢、氮铁、生铁与一定量的铌粉与钨粉混合，根据炉前分析，调整各成分的配比；
熔炼：将步骤1所述的低碳铬铁、生铁在熔炼炉内进行真空熔炼，温度在1400摄氏度时依次将锰钢、镍钢，硅铁，氮铁以及一定量铌粉与钨粉加入熔炼炉内进行熔炼与电渣精炼，将得到的金属液体形成热扎成锻坯；
锻打：将锻坯置入遂道道炉内，温度升至到1000-1070摄氏度后取出，采用空气锤进行锻打；终锻温度950摄氏度；
制管：挤压管将锻坯粗加工形成圆柱体，然后经过锯切、预打孔、遂道炉预热、高频加热，穿孔后，进行热挤压制，最终形成高温管材的管坯；经1150摄氏度进行固溶处理后，按精制管的尺寸要求，进行精密管挤压，校直，表面清洗，外圆磨，形成最终型材。
其中，配料步骤中，低碳铬铁、镍钢、硅铁、锰钢、钼钢和氮铁占比分别为低碳铬铁与镍钢占配料总重的30%，硅铁占配料总重的3.5%，锰钢占配料总重的8%，钼钢占配料总重的10%，氮铁占配料总重的5%，根据炉前分析结果，进行调整达到配方比例值。
实施例2
本发明公开了一种耐热合金钢材料，合金钢的化学成分为：碳C：0.085%；硅Si：2.8%；锰Mn：1.5%；磷P：0.017%；硫S：0.02%；铬Cr：24.5%；钼Mo：2.0%；镍Ni：21%；铜Cu：0.25%；钨W：3.2%；氮N：0.2%，钛Ti：0.115%；铌Nb：0.8%；余量为铁以及不可控杂质，各元素质量百分比之和为100%。
本发明还公开了一种耐热合金钢管材的制备方法，采用上述的耐热合金钢材料，制备方法包括以下步骤：
配料：将低碳铬铁、镍钢、硅铁、锰钢、钼钢、氮铁、生铁与一定量的铌粉与钨粉混合，根据炉前分析，调整各成分的配比；
熔炼：将步骤1所述的低碳铬铁、生铁在熔炼炉内进行真空熔炼，温度在1400摄氏度时依次将锰钢、镍钢，硅铁，氮铁以及一定量铌粉与钨粉加入熔炼炉内进行熔炼与电渣精炼，将得到的金属液体形成热扎成锻坯；
锻打：将锻坯置入遂道道炉内，温度升至到1000-1070摄氏度后取出，采用空气锤进行锻打，终锻温度950摄氏度；
制管：挤压管将锻坯粗加工形成圆柱体，然后经过锯切、预打孔、遂道炉预热、高频加热，穿孔后，进行热挤压制，最终形成高温管材的管坯；经1150摄氏度进行固溶处理后，按精制管的尺寸要求，进行精密管挤压，校直，表面清洗，外圆磨，形成最终型材。
其中，配料步骤中，低碳铬铁、镍钢、硅铁、锰钢、钼钢和氮铁占比分别为低碳铬铁与镍钢占配料总重的35%，硅铁占配料总重的4.0%，锰钢占配料总重的8%，钼钢占配料总重的11%，氮铁占配料总重的5%，根据炉前分析结果，进行调整达到配方比例值。
实施例3
本发明公开了一种耐热合金钢材料，合金钢的化学成分为：碳C：0.12%；硅Si：3.5%；锰Mn：2.0%；磷P：0.035%；硫S：0.04%；铬Cr：28%；钼Mo：2.5%；镍Ni：23%；铜Cu：0.5%；钨W：4.0%；氮N：0.3%，钛Ti：0.15%；铌Nb：1.1%；余量为铁以及不可控杂质，各元素质量百分比之和为100%。
本发明还公开了一种耐热合金钢管材的制备方法，采用上述的耐热合金钢材料，制备方法包括以下步骤：
配料：将低碳铬铁、镍钢、硅铁、锰钢、钼钢、氮铁、生铁与一定量的铌粉与钨粉混合，根据炉前分析，调整各成分的配比；
熔炼：将步骤1所述的低碳铬铁、生铁在熔炼炉内进行真空熔炼，温度在1400摄氏度时依次将锰钢、镍钢，硅铁，氮铁以及一定量铌粉与钨粉加入熔炼炉内进行熔炼与电渣精炼，将得到的金属液体形成热扎成锻坯；
锻打：将锻坯置入遂道道炉内，温度升至到1000-1070摄氏度后取出，采用空气锤进行锻打，终锻温度950摄氏度；
制管：挤压管将锻坯粗加工形成圆柱体，然后经过锯切、预打孔、遂道炉预热、高频加热，穿孔后，进行热挤压制，最终形成高温管材的管坯；经1150摄氏度进行固溶处理后，按精制管的尺寸要求，进行精密管挤压，校直，表面清洗，外圆磨，形成最终型材。
其中，配料步骤中，低碳铬铁、镍钢、硅铁、锰钢、钼钢和氮铁占比分别为低碳铬铁与镍钢占配料总重的40%，硅铁占配料总重的4.5%，锰钢占配料总重的8%，钼钢占配料总重的12%，氮铁占配料总重的5%根据炉前分析结果，进行调整达到配方比例值。
实施例4
本实施例以上述实施例得到的管材为研究对象，针对不同试验温度下实施例1-3所生产制备的管材的拉伸强度、屈服强度、硬度进行研究，具体检测采用标准方法参照：
《GB／T228.1-2010金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》；
《GB/T 228.2-2015 金属材料 拉伸试验 第2部分：高温试验方法》；
《GB/T 4340.1-2009 金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》；此处不再赘述。
表1 常温下管材实验结果
单位 实施例1 实施例2 实施例3
试验温度 ℃ 室温 室温 室温
屈服强度（R<sub>P0.2</sub>） MPa 420 412 428
抗拉强度 MPa 620 627 647
硬 度 HV5 252 265 260
表2 800℃下管材实验结果
单位 实施例1 实施例2 实施例3
试验温度 ℃ 800℃ 800℃ 800℃
屈服强度（R<sub>P0.2</sub>） MPa 242 241 245
抗拉强度 MPa 298 329 296
硬 度 HV5 172 172 171
表3 900℃下管材实验结果
单位 实施例1 实施例2 实施例3
试验温度 ℃ 900℃ 900℃ 900℃
屈服强度（R<sub>P0.2</sub>） MPa 155 151 155
抗拉强度 MPa 201 199 198
硬 度 HV5 157 156 157
表4 1000℃下管材实验结果
单位 实施例1 实施例2 实施例3
试验温度 ℃ 1000℃ 1000℃ 1000℃
屈服强度（R<sub>P0.2</sub>） MPa 92 88 98
抗拉强度 MPa 110 107 119
硬 度 HV5 137 135 138
本发明耐热合金材料由于碳含量较低，具有较好的韧性与锻造性能，解决了与普通钢材同等的加工性能，并具备在高温环境下的抗氧化性，高温耐磨性等特性，适合于挤压成管类等耐高温合金型材，使之耐高温材料零部件的加工方式变得简单普及。特别是本案应用的涡轮增压器轴套，应用得成型的耐高温合金管材，可连续在CNC车床自动化加工，材料利用率高达85%。在汽车涡轮增压器吸入汽车燃烧废气转为动能的过程中，温度高达900-1100度，保持一定的抗氧化性与高温耐磨性，其在高温硬度测试中，900摄氏时的硬度保等在HV150,是普通耐热钢310S的3倍以上。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种耐热合金钢材料，其特征在于，所述的合金钢的化学成分为：碳C：0.05-0.12%；硅Si：2.0-3.5%；锰Mn：1.0-2.0%；磷P：0-0.035%；硫S：0-0.04%；铬Cr：21-28%；钼Mo：1.5-2.5%；镍Ni：19-23%；铜Cu：0-0.5%；钨W：2.5-4.0%；氮N：0.1-0.3%；钛Ti：0.08-0.15%；铌Nb：0.5-1.1%；余量为铁以及不可避免杂质，各元素质量百分比之和为100%。
2.一种耐热合金钢管材的制备方法，其特征在于：采用权利要求1所述的耐热合金钢材料，制备方法包括以下步骤：
配料：将低碳铬铁、镍钢、硅铁、锰钢、钼钢、氮铁、生铁与一定量的铌粉与钨粉混合，根据炉前分析，调整各成分的配比；
熔炼：将步骤1所述的低碳铬铁、镍钢、硅铁、锰钢、钼钢、氮铁、生铁与一定量的铌粉与钨粉的混合物在熔炼炉内进行真空熔炼与电渣精炼，温度在1400摄氏度时将形成金属液体，通过搅拌使得金属液体成分均匀，进将得到的金属液体形成热扎成锻坯；
锻打：将锻坯置入遂道道炉内，温度升至到1000-1070摄氏度后取出，采用空气锤进行锻打，终锻温度950摄氏度；
制管：挤压管将锻坯粗加工形成圆柱体，然后经过锯切、预打孔、遂道炉预热、高频加热，穿孔后，进行热挤压制，最终形成高温管材的管坯；经1150摄氏度进行固溶处理后，按精制管的尺寸要求，进行精密管挤压，校直，表面清洗，外圆磨，形成最终型材。
3.如权利要求2所述的一种耐热合金钢管材的制备方法，其特征在于：所述的配料步骤中，所述的低碳铬铁、镍钢、硅铁、锰钢、钼钢和氮铁占比分别为:低碳铬铁与镍钢合计占配料总重的30-40%，硅铁占配料总重的3.5-4.5%，锰钢占配料总重的8%，钼钢占配料总重的10-12%，氮铁占配料总重的5%，生铁与铌粉和钨粉合计占配料总重的30.5-43.5%，根据炉前分析结果，进行调整达到配方比例值。
4.如权利要求3所述的一种耐热合金钢管材的制备方法，其特征在于：所述的锻打步骤中，锻坯经过锻打后，锻坯厚度缩减至原锻坯的2/3。
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