CN109182844B - 一种高温合金冶金刀片及其制造方法 - Google Patents

一种高温合金冶金刀片及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温合金冶金刀片，其化学成分的质量百分比(wt％)为：Ni：50‑55％，Cr：17‑21％，Mo：3.0‑3.5％，Co：0.3‑0.7％，W：2.0‑2.7％，Al：0.3‑0.7％，Ti：0.8‑1.2％，Nb：5.0‑5.5％，V：0.8‑1.2％，C≤0.05％，余量为Fe，且Mo+Co+W＞5.5％。本发明同时还公开了此种刀片的制造方法为：真空感应熔炼→氩气保护电渣重熔→铸锭→径锻→高温扩散退火→粗加工→固溶处理→时效处理→精加工。本发明高温合金冶金刀片的材质具有以下优点：一、在合金中增加W元素，并且Mo+Co+W＞5.5％，从而提高合金的高温强度；另外，W能提高抗蠕变性能；二、在合金中增加V元素，在提高强度的同时，还可以改善冲击韧性。因此，本发明高温合金冶金刀片可满足600～1150℃高温板坯剪切，提高刀片使用寿命和保证剪切质量。

Description

一种高温合金冶金刀片及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种连铸连轧生产线用冶金刀片及其制造方法，该刀片适用于600～1150℃高温带钢板坯剪切。
背景技术
连铸连轧生产线用冶金刀片位于生产线拉矫机和加热炉之间，是连铸连轧生产线非常重要的设备，其主要功能是将连铸机生产出来的连续铸坯切成轧机所需要的预先设定的长度。目前，国内钢厂生产线使用的刀片的材质有以下几种：一种是传统的热作模具钢(如H13、HMB)，其优点是价格便宜，但使用效果较差，易产生疲劳裂纹及断裂、钝边等情况，使用寿命短(普遍低于2个月)；另一种进口刀片的材料为镍基合金，其具体成分(wt,％)为C≤0.08％，Cr：17-21％，Ni：50-55％，Co≤1.0％，Mo：2.8-3.3％，Al：0.3-0.7％，Ti：0.75-1.15％，Nb：4.75-5.5％，余量为Fe。由于刀片在剪切时承受较大的冲击力作用，而刀片基体硬度又比较低，强度偏低，冲击韧性差，导致刃口部位坍塌、堆积，使刃口变钝而发生早期失效(塌角)，从而降低使用寿命。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供了一种高温合金冶金刀片，它能够满足600～1150℃高温带钢板坯剪切要求，提高刀片使用寿命和保证剪切质量。同时，本发明还提供了该种刀片的制造方法。
本发明一种高温合金冶金刀片，其化学成分的质量百分比(wt％)为：Ni：50-55％，Cr：17-21％，Mo：3.0-3.5％，Co：0.3-0.7％，W：2.0-2.7％，Al：0.3-0.7％，Ti：0.8-1.2％，Nb：5.0-5.5％，V：0.8-1.2％，C≤0.05％，余量为Fe，且Mo+Co+W＞5.5％。
进一步地，其化学成分的质量百分比优选为：Ni：54.5％，Cr：20.0％，Mo：3.1％，Co：0.5％，W：2.4％，Al：0.5％，Ti：0.9％，Nb：5.4％，V：0.95％，C：0.025％，余量为Fe。
进一步地，其化学成分的质量百分比优选为：Ni：52.5％，Cr：20.5％，Mo：3.25％，Co：0.55％，W：2.6％，Al：0.6％，Ti：1.1％，Nb：5.3％，V：0.98％，C：0.028％，余量为Fe。
进一步地，其化学成分的质量百分比优选为：Ni：53.1％，Cr：19.0％，Mo：3.4％，Co：0.48％，W：2.25％，Al：0.65％，Ti：1.0％，Nb：5.34％，V：0.90％，C：0.035％，余量为Fe。
本发明高温合金冶金刀片的制造方法为：真空感应熔炼→氩气保护电渣重熔→铸锭→径锻→高温扩散退火→粗加工→固溶处理→时效处理→精加工。
本发明高温合金冶金刀片的制造方法，其具体步骤为：
(1)铸造：将原材料在真空感应电炉熔炼，通过氩气保护电渣重熔得到铸锭；
(2)锻造：将铸锭在1000～1150℃进行锻打，变形量≥50％，锻后缓冷；
(3)退火：将锻坯进行1150～1190℃高温长时间扩散退火；
(4)粗加工：将锻坯按图纸进行粗加工；
(5)热处理：将粗加工的高温合金冶金刀片在1050±10℃保温90min后油冷至室温，然后进行780±10℃保温10h随炉冷，650±10℃保温10h空冷至室温。
(6)精加工：将热处理后的的高温合金冶金刀片按图纸进行精加工至成品。
进一步地，步骤(1)中：原材料的真空感应电炉熔炼工艺：熔炼温度为1500～1620℃，真空度10～50Pa；电渣重熔工艺即将真空感应熔炼的钢锭经过熔渣电阻热进行二次重熔的精炼工艺。
进一步地，经步骤(5)的固溶时效热处理后，高温合金冶金刀片硬度为440至480HV1，组织主要为γ基体+γ″+γ'+δ相。
进一步地，本发明高温合金冶金刀片制造方法得到的刀片的700℃力学性能为：冲击吸收能量(KV2)＞83/J：；抗拉强度(Rm)＞1217MPa：；规定塑性延伸强度(RP0.2)＞1018MPa：；断后伸长率(A)＞19％：；断面收缩率(Z)＞46％。
由于目前连铸连轧生产线用冶金刀片的主要失效方式为塌角和疲劳裂纹及断裂。因此，高温强度、冲击韧性及疲劳性能是影响该类冶金刀片使用寿命的主要因素。对此，本发明高温合金冶金刀片的材质通过增加元素且控制各元素的百分比含量，使其具有以下优点：一、在合金中增加0.7-2.0％W元素，并且Mo+Co+W＞5.5％，W在γ基体中溶解度较小，但能显著提高γ的原子间结合强度，降低层错能，阻碍位错的滑移，降低Cr和Ti的扩散系数，从而提高合金的高温强度；另外，W能促进γ'相沉淀析出，增大合金γ基体的晶格常数，调整γ和γ'相的错配度，形成晶界碳化物，提高抗蠕变性能；二、在合金中增加0.8-1.2％的V元素，适量的V元素能细化基体晶粒，在提高强度的同时，还可以改善冲击韧性。
因此，本发明高温合金冶金刀片解决了进口镍基高温合金刀片易产生塌角和传统热作模具钢(如H13、HMB)刀片易产生疲劳裂纹及断裂情况，可满足600～1150℃高温板坯剪切，提高刀片使用寿命和保证剪切质量。
附图说明
图1是本发明高温合金冶金刀片组织金相照片。
具体实施方式
本发明一种高温合金冶金刀片，其化学成分的质量百分比(wt％)为：Ni：50-55％，Cr：17-21％，Mo：3.0-3.5％，Co：0.3-0.7％，W：2.0-2.7％，Al：0.3-0.7％，Ti：0.8-1.2％，Nb：5.0-5.5％，V：0.8-1.2％，C≤0.05％，余量为Fe，且Mo+Co+W＞5.5％。
下面就具体几个实施例对刀片成分进行详细的说明：
实施例1
本发明高温合金冶金刀片化学成分的质量百分比优选为：Ni：54.5％，Cr：20.0％，Mo：3.1％，Co：0.5％，W：2.4％，Al：0.5％，Ti：0.9％，Nb：5.4％，V：0.95％，C：0.025％，余量为Fe。其
实施例2
本发明高温合金冶金刀片化学成分的质量百分比优选为：Ni：52.5％，Cr：20.5％，Mo：3.25％，Co：0.55％，W：2.6％，Al：0.6％，Ti：1.1％，Nb：5.3％，V：0.98％，C：0.028％，余量为Fe。
实施例3
本发明高温合金冶金刀片化学成分的质量百分比优选为：Ni：53.1％，Cr：19.0％，Mo：3.4％，Co：0.48％，W：2.25％，Al：0.65％，Ti：1.0％，Nb：5.34％，V：0.90％，C：0.035％，余量为Fe。
本发明三个实施例与背景技术中的进口材料镍基合金的化学成分质量百分比如表1所示。
表1、高温合金冶金刀片材料成分(wt,％)
Figure BDA0001868873130000031
Figure BDA0001868873130000041
从上表可以看出，本发明高温合金冶金刀片化学成分特点是含有十余种元素，其高温合金冶金刀片材质主要优点是：一、铌元素是主要沉淀强化元素，含量控制在上限；二、在合金中增加W元素，并且Mo+Co+W＞5.5％，钼、钨、钴和铬是主要的固溶强化元素，W在γ基体中溶解度较小，但能显著提高γ的原子间结合强度，降低层错能，阻碍位错的滑移，降低Cr和Ti的扩散系数，从而提高合金的高温强度；另外，W能促进γ'相沉淀析出，增大合金γ基体的晶格常数，调整γ和γ'相的错配度，形成晶界碳化物，提高抗蠕变性能；由于强化合金元素含量较高，终锻温度需控制在1000℃以上；三、通过添加适量的0.8-1.2％的V元素，来细化基体晶粒，提高强度的同时，还可以改善冲击韧性；四、合金元素C对合金的持久性能和疲劳性能有不利影响，因此合金中C的含量尽量控制在下限。
本发明高温合金冶金刀片的制造方法为：真空感应熔炼→氩气保护电渣重熔→铸锭→径锻→高温扩散退火→粗加工→固溶处理→时效处理→精加工。
具体地说，高温合金冶金刀片制造方法的具体步骤为：
(1)铸造：将原材料在真空感应电炉冶炼，冶炼温度为1500～1620℃，真空度10～50Pa，之后将真空感应冶炼的钢锭经过熔渣电阻热进行二次重熔精炼得到铸锭；
(2)锻造：将铸锭在1000～1150℃进行锻打，变形量60％，锻后缓冷；
(3)退火：将锻坯进行1150～1190℃高温长时间扩散退火72小时；
(4)粗加工：将锻坯按图纸进行粗加工；
(5)热处理：将粗加工的高温合金冶金刀片在1050±10℃保温90min后油冷至室温，然后进行780±10℃保温10h随炉冷，650±10℃保温10h空冷至室温；
(6)精加工：将热处理后的的高温合金冶金刀片按图纸进行精加工至成品。
在步骤(5)中，刀片经1050±10℃高温固溶后，析出相和δ相回溶，固溶体充分固溶，再经780±10℃保温10h随炉冷和650±10℃保温10h空冷至室温的二阶时效，充分析出γ″、γ'强化相使合金得以充分强化。因此，本发明刀经固溶时效热处理后，硬度能达到440至480HV1。
因此，按照上述步骤制作的高温合金冶金刀片主要由γ基体、γ″、γ'、δ相和少量NbC相组成。其中，γ″、γ'相以细小的圆盘状分布在基体上，析出相NbC呈颗粒状分布在晶界处，δ相以针状析出在晶界处，晶粒尺寸约30～80μm，组织细小均匀。
本发明三个实施例与背景技术中的进口材料镍基合金的标准力学性能试样检测结果如表2所示。
表2、高温合金冶金刀片力学性能(700℃)
Figure BDA0001868873130000051
本发明制造方法得到的刀片的700℃力学性能为：冲击吸收能量(KV2)＞83/J：；抗拉强度(Rm)＞1217MPa：；规定塑性延伸强度(RP0.2)＞1018MPa：；断后伸长率(A)＞19％：；断面收缩率(Z)＞46％。
从上表可以看出，本发明高温合金冶金刀片的高温力学性能明显优于背景技术中的进口材料，当然更优于国内传统的热作模具钢。因此，本发明刀片解决了进口镍基高温合金刀片易产生塌角和传统热作模具钢(如H13、HMB)刀片易产生疲劳裂纹及断裂情况。

Claims (6)

1.一种高温合金冶金刀片，其特征是：其化学成分的质量百分比(wt％)为：Ni：50-55％，Cr：17-21％，Mo：3.0-3.5％，Co：0.3-0.7％，W：2.0-2.7％，Al：0.3-0.7％，Ti：0.8-1.2％，Nb：5.3-5.5％，V：0.95-1.2％，C≤0.028％，余量为Fe，且Mo+Co+W＞5.5％；固溶时效热处理后，刀片硬度为440至480HV1，组织为γ基体+γ”+γ'+δ相；刀片的700℃力学性能为：冲击吸收能量KV2＞83J；抗拉强度Rm＞1217MPa；规定塑性延伸强度RP0.2＞1018MPa；断后伸长率A＞19％；断面收缩率Z＞46％。
2.根据权利要求1所述的高温合金冶金刀片，其特征是：其化学成分的质量百分比优选为：Ni：54.5％，Cr：20.0％，Mo：3.1％，Co：0.5％，W：2.4％，Al：0.5％，Ti：0.9％，Nb：5.4％，V：0.95％，C：0.025％，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的高温合金冶金刀片，其特征是：其化学成分的质量百分比优选为：Ni：52.5％，Cr：20.5％，Mo：3.25％，Co：0.55％，W：2.6％，Al：0.6％，Ti：1.1％，Nb：5.3％，V：0.98％，C：0.028％，余量为Fe。
4.权利要求1-3任一所述的高温合金冶金刀片的制造方法为：真空感应熔炼→氩气保护电渣重熔→铸锭→径锻→高温扩散退火→粗加工→固溶处理→时效处理→精加工。
5.根据权利要求4所述的高温合金冶金刀片的制造方法，其具体步骤为：
(1)铸造：将原材料在真空感应电炉熔炼，通过氩气保护电渣重熔得到铸锭；
(2)锻造：将铸锭在1000～1150℃进行锻打，变形量≥50％，锻后缓冷；
(3)退火：将锻坯进行1150～1190℃高温长时间扩散退火72小时；
(4)粗加工：将锻坯按图纸进行粗加工；
(5)固溶时效热处理：将粗加工的高温合金冶金刀片在1050±10℃保温90min后油冷至室温，然后进行780±10℃保温10h随炉冷，650±10℃保温10h空冷至室温；
(6)精加工：将热处理后的高温合金冶金刀片按图纸进行精加工至成品。
6.根据权利要求5所述的高温合金冶金刀片的制造方法，其特征是：步骤(1)中：原材料的真空感应电炉熔炼工艺：熔炼温度为1500～1620℃，真空度10～50Pa；电渣重熔工艺即将真空感应熔炼的钢锭经过熔渣电阻热进行二次重熔的精炼工艺。
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