CN112410619B

CN112410619B - 一种添加铌、氮改性的钴基铸造合金及应用

Info

Publication number: CN112410619B
Application number: CN202011246446.4A
Authority: CN
Inventors: 宛农; 胡须忠; 张勇
Original assignee: Wuhan Polytechnic University
Current assignee: Wuhan Polytechnic University
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2022-02-15
Anticipated expiration: 2040-11-10
Also published as: CN112410619A

Abstract

本发明提供了一种添加铌、氮改性的钴基铸造合金及应用，该钴基合金包括以下元素：Mo、Cr、Si、Nb、N等。本发明铸造合金是在Tribaloy‑T800合金基础上添加适量的Nb、N并适当降低Mo的含量而成，其中Nb和N在液态合金结晶时形成高熔点和高硬度的NbN硬质相，不仅直接增加了合金的高温耐磨性，而且在合金结晶时促使非自发形核，起到细化晶粒和改善合金塑韧性的作用。试验表明，与原Tribaloy‑T800合金相比，本申请的铌、氮改性的钴基合金铸造凝固成型后其初生的树枝状Laves强化相(主要组成为金属间化合物Co₃Mo₂Si相)得到明显细化，合金高温耐磨性能、尤其是抗磨损剥落性能得到明显提高。

Description

一种添加铌、氮改性的钴基铸造合金及应用

技术领域

本发明涉及钴基铸造合金材料技术领域，尤其涉及一种添加铌、氮改性的钴基铸造合金及应用。

背景技术

热镀锌产品及其合金化产品具有优良的耐蚀性能和相对较低成本，其表面质量几乎可以与电镀锌相媲美，因而热镀锌钢板在汽车上得到了广泛地应用。这种市场需求的不断提高大大促进了带钢连续热镀锌工艺技术的进步。

带钢连续热镀锌生产时，带钢通过浸在锌液(温度为460±5℃，含铝0.12%~0.15%)中的沉没辊而改变方向，即由进锌锅变为出锌锅而在表面形成一层凝固镀锌层。随带钢的运动而转动的沉没辊和稳定辊通过两侧的轴套支撑在固定架上，轴套起滑动轴承的作用。沉没辊、稳定辊及其轴套是带钢热镀锌生产线中的重要消耗部件，它们属于被动转向装置而浸没在锌液中，完全依靠带钢与辊面的摩擦力所驱动，极易受到高温锌液腐蚀和高温摩擦磨损作用，尤其是轴套所承受的应力和磨损最大，其高温摩擦磨损和腐蚀交互作用常常导致轴套过早失效(使用寿命不足14天)，从而影响整个镀锌板生产线的正常运行。

Tribaloy T-800钴基合金具有优良的抗高温摩擦磨损性能和良好的耐锌液腐蚀性能，是目前制作镀锌板生产线沉没辊轴套铸件和稳定辊轴套铸件的首选材料。TribaloyT-800合金的主要合金元素是钴、钼、铬和硅，其铸态显微组织是硬而脆的树枝状Laves强化相(属于过共晶合金中的先共晶相，显微硬度约为1000HV，主要组成为金属间化合物Co₃Mo₂Si相)均匀分布在Co固溶体与细小Laves相组成的共晶基体中，其中高硬度的Laves相体积比约为60%，使其具有很高的高温耐磨性和抗高温粘着磨损性能，但降低了合金的塑性和韧性。发明人发现目前的Tribaloy T-800合金轴套铸件质量对浇铸温度极度敏感，极易造成初生Laves相树枝晶生长发达。这种硬而脆且粗大的硬质相极大地伤害了Tribaloy T-800合金的塑性和韧性，轴套运行时摩擦副表面会出现硬质相脱离Co固溶体基体的“剥落”现象，剥落破碎的硬质相夹在摩擦副之间又形成了更加严重的磨粒磨损（剥落破碎的硬质相磨粒具有微切削作用），同时会引起沉没辊或稳定辊运行振动和抖动，从而影响热镀锌板产品质量的稳定和提高。

基于目前热镀锌生产线中Tribaloy T-800合金沉没辊轴套和稳定辊轴套使用过程中存在的上述问题，有必要对其材质进行改进。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种添加铌、氮改性的钴基铸造合金及应用，以解决现有技术中Tribaloy T-800合金轴套零件磨粒磨损严重的技术缺陷。

第一方面，本发明提供了一种添加铌、氮改性的钴基铸造合金，包括以下质量百分比的元素：21.0~26.0%的Mo、16.0~19.0%的Cr、2.80~4.0%的Si、2.50~5.0%的Nb、0.10~0.30%的N，0~0.08%的C、0~1.8%的Ni、0~1.5%的Fe、0~0.1%的Mn、余量的Co；其中，Ni和Fe的质量百分比之和小于或等于3%。

可选的，所述的添加铌、氮改性的钴基铸造合金，包括以下质量百分比的元素：24.0~26.0%的Mo、16.0~18.0%的Cr、3.20~3.50%的Si、2.50~3.0%的Nb、0.20~0.30%的N，0~0.08%的C、0~1.8%的Ni、0~1.5%的Fe、0~0.1%的Mn、余量的Co。

第二方面，本发明还提供了一种所述的添加铌、氮改性的钴基铸造合金在制备热镀锌生产线中沉没辊轴套和稳定辊轴套中的应用。

本发明的一种添加铌、氮改性的钴基铸造合金相对于现有Tribaloy T-800合金技术具有以下有益效果：

（1）本发明的添加铌、氮改性的钴基铸造合金，在适当调整原Tribaloy T-800合金中Mo元素的含量的基础上，加入Nb元素和N元素，结晶时形成热稳定性更高的硬质相NbN，其熔点高达2050℃，铸件凝固时是最早从液态合金中结晶出来的固体颗粒，可作为外来晶核促使先共晶Laves相形核并细化其树枝状晶体，从而改善合金的塑性和韧性并极大增加了合金摩擦磨损时的抗硬质相剥落能力；

（2）本发明的添加铌、氮改性的钴基铸造合金，加入Nb元素和N元素，结晶时形成热稳定性更高的硬质相NbN，NbN氮化物相显微硬度约为1400HV，作为硬质相可直接提升钴基铸造合金的高温耐磨性。试验表明，相比传统的Tribaloy-T800合金材质的沉没辊轴套和稳定辊轴套，本申请的铌、氮改性的钴基铸造合金轴套磨损表面均匀光滑，沉没辊或稳定辊运行平稳无任何振动或抖动现象出现，可替代Tribaloy-T800合金用于制备热镀锌生产线沉没辊轴套零件和稳定辊轴套零件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例1的钴基合金初生Laves相枝晶形貌低倍照片图；

图2为对比例1中Tribaloy-T800合金的初生Laves相枝晶形貌低倍照片图；

图3为本申请实施例1中的钴基合金以及对比例1中的Tribaloy-T800合金制备得到轴套在465℃锌液中使用14天后的表面形貌照片图；

图4为本申请实施例1中的钴基合金制备的轴套和对比例1中的Tribaloy-T800合金制备得到轴套的均匀磨蚀区的低倍形貌照片图；

图5为本申请实施例1中的钴基合金制备的轴套和对比例1中的Tribaloy-T800合金制备得到轴套的梨沟型磨蚀环区的低倍形貌照片图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明提供了一种添加铌、氮改性的钴基铸造合金，包括以下质量百分比的元素：24.0~26.0%的Mo、16.0~18.0%的Cr、3.20~3.50%的Si、2.50~3.0%的Nb、0.20~0.30%的N，0~0.08%的C、0~1.8%的Ni、0~1.5%的Fe、0~0.1%的Mn、余量的Co。

具体的，钴基铸造合金，包括以下质量百分比的元素：25.13%的Mo、17.05%的Cr、3.45%的Si、2.76%的Nb、0.26%的N、0.05%的C、0.55%的Ni、0.65%的Fe、0.06%的Mn、余量的Co。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了上述添加铌、氮改性的钴基铸造合金在制备热镀锌生产线中沉没辊轴套和稳定辊轴套中的应用。

以下进一步说明上述添加铌、氮改性的钴基铸造合金制备沉没辊轴套和稳定辊轴套的具体方法。

按此比例配置合金炉料，其中主要炉料要求：Co片纯度≥99.95%，Mo条纯度≥99.95%，Nb条纯度≥99.00%，金属Cr块纯度≥99.95%，氮化铬铁中N含量≥5.0%和结晶硅纯度≥99.90%。

采用中频感应炉常压下冶炼该合金：(1) 装炉：Co片垫底并沿坩锅内周围布置，金属Cr块和Mo条放置坩锅中上部，Nb条和剩余Mo条在溶池形成后分批放入溶池；(2) 送电熔化期：溶池形成后，送电功率大小以溶池不大翻裸露液态合金(覆盖渣微动)和熔化期最高温度控制在1650℃为限，熔池形成后即可覆盖珍珠岩防止吸气，撇渣并造新渣3-4次；(3)还原期：Co、Cr和Mo主要炉料熔化完毕后及时换新渣，控制还原期液态合金温度在1530-1560℃之间，取样分析Co、Cr、Mo、Nb、Si等含量和残余Ni、Fe、Mn、C含量，并撒硅钙粉进行扩散脱氧处理。根据取样分析结果微调Co、Cr 、Mo和Nb含量并撒新脱氧剂硅钙粉3次。硅钙粉扩散脱氧完毕，换珍珠岩覆盖保护液面。(4)出炉前15分钟按配料比例压入烤红的氮化铬铁，出炉前10分钟按配料比例压入烘烤好的结晶硅(尺寸破碎小于30mm)并提高送电功率提升液态合金温度至1656℃，出炉至烤红的钢包中镇静片刻，包中测量合金温度1523℃时开始将液态合金浇铸铸入事先烘拷好的沉没辊轴套和稳定辊轴套熔模铸型内；(5)待合金凝固完毕即可打箱取出铸件毛坯；(6)铸件毛坯经过表面清理、切割浇冒系统和数控车床加工后即可获得轴套成品。具体轴套成品化学成份为：25.13%的Mo、17.05%的Cr、3.45%的Si、2.76%的Nb、0.26%的N，0.05%的C、0.55%的Ni、0.65%的Fe、0.06%的Mn、余量的Co，测量轴套成品硬度在HRC56.2-57.8之间波动。

对比例1

本对比例1提供了常用Tribaloy-T800合金沉没辊轴套，制造工艺过程与上述制备方法相同。该合金沉没辊轴套具体质量百分比的元素为：28.25%的Mo、17.43%的Cr、3.37%的Si、0.04%的C、1.55%的Ni、0.45%的Fe、0.05%的Mn、余量的Co，测量轴套成品硬度在HRC54.7-55.9之间波动。

分别检测本申请实施例1中的钴基合金以及对比例1中Tribaloy-T800合金中的初生Laves相枝晶形貌低倍组织，其结果分别如图1~2中所示。

从图1中可知，本申请实施例1的钴基合金初生Laves相枝晶晶粒细小，分布均匀且树枝晶形貌不明显（等轴晶）；从图2中可知，对比例1中Tribaloy-T800合金初生Laves相，初生树枝状晶发达，低倍组织粗大且具有明显的方向性。本申请在适当调整原Tribaloy T-800合金中Mo元素的含量的基础上，通过加入Nb和N，结晶时形成高熔点和高硬度的硬质相NbN，作为外来晶核促使先共晶Laves相形核、细化其树枝状晶体并改变枝晶生长方向，从而改善合金的塑性和韧性并极大增加合金耐磨性能和抗硬质相剥落能力。

使用本申请实施例1中的钴基合金以及对比例1中的Tribaloy-T800合金制备得到镀锌线锌锅中沉没辊专用轴套零件，并在镀锌线生产现场465℃锌液中正常工运行14天，取出后观察轴套的表面形态，结果如图3所示。图3中（a）为对比例1中的Tribaloy-T800合金制备的轴套，图3中（b）为实施例1中的钴基合金制备的轴套。分别检测对比例1中的Tribaloy-T800合金轴套和实施例1中钴基合金轴套中的均匀磨蚀区I和梨沟型磨蚀环区II的表面磨损形貌，结果分别如图4~5所示。图4中（a）为对比例1中Tribaloy-T800合金轴套均匀磨蚀区I的表面磨损形貌，图4中（b）为实施例1中钴基合金轴套均匀磨蚀区I的表面磨损形貌。图5中（a）为对比例1中Tribaloy-T800合金轴套梨沟型磨蚀环区II的表面磨损形貌，图4中（b）为实施例1中钴基合金轴套梨沟型磨蚀环区II的表面磨损形貌。

从图3中可知，本申请实施例1中的钴基合金轴套零件现场使用后磨损表面光滑平整，均匀磨蚀区I面积比占绝对优势，见图3(b)中所示；而对比例1中Tribaloy-T800合金轴套零件现场使用后磨损表面粗糙，梨沟型磨蚀环区II面积比接近50%，见图3(b) 中所示。表明本申请实施例1中的钴基铸造合金轴套磨损属于运行平稳的摩擦磨损（磨损表面剥落的磨粒很少，即硬质相剥落很少），而对比例1中Tribaloy-T800合金轴套磨损属于运行欠稳定的磨粒磨损（磨损表面存在较多较大的磨粒，即硬质相剥落多且尺寸大）。

从图4中可知，在镀锌线生产现场465℃锌液中正常使用14天后Tribaloy-T800合金制备的轴套相比本申请的钴基铸造合金制备的轴套，在均匀磨蚀区出现了尺寸较大的磨蚀坑剥落，且该磨蚀坑剥落的面积和深度远大于本申请的钴基铸造合金制备的轴套；从图5中可知，Tribaloy-T800合金制备的轴套在梨沟型磨蚀环区出现了明显的梨沟和表面剥落，其程度远大于本申请的钴基合金制备的轴套。因而，通过图4~5可进一步说明，本申请通过在原Tribaloy-T800基础上适当调整Mo合金中并加入Nb元素和N元素实施钴基合金细晶化改性后，大幅度增加了合金摩擦磨损时的耐磨性能和抗硬质相剥落性能，本申请的钴基合金材料可应用在热镀锌生产线中并用于制备沉没辊轴套和稳定辊轴套。

以上述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种添加铌、氮改性的钴基铸造合金，其特征在于，包括以下质量百分比的元素：25.13%的Mo、17.05%的Cr、3.45%的Si、2.76%的Nb、0.26%的N、0.05%的C、0.55%的Ni、0.65%的Fe、0.06%的Mn、余量的Co。

2.一种如权利要求1所述的添加铌、氮改性的钴基铸造合金在制备热镀锌生产线中沉没辊轴套和稳定辊轴套的应用。