CN113278886B - 一种含锰硫钨的铁素体耐热钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种含锰硫钨的铁素体耐热钢及其制备方法，所述耐热钢的化学组成质量百分比为：C：0.25％～0.5％，Si：0.8％～2.5％，Mn：1.0％～1.50％，P:≤0.04％，S:0.030％～0.050％，Cr:18％～21.5％，W：1.8％～2.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。其原料包括浇注系统返回料、废铸件、废钢、钨铁、低碳铬铁、硅铁、增碳剂、电解锰片、硫磺粉。本发明的铁素体耐热钢制备方法中，分两个阶段加入硫磺粉和电解锰片，可以提高球形或近球形MnS的形成效率，提高MnS的比例，同时减少固溶态锰的比例，在改善切削性能的同时避免锰导致的加工硬化。同时利用铸件在砂箱内的冷却条件实现退火，不需要采用热处理工艺就能获得具有高强度、良好的加工性能的铁素体耐热钢。

Description

一种含锰硫钨的铁素体耐热钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铁素体耐热钢技术领域，尤其涉及一种含Mn-S-W的铁素体耐热钢及其制备方法，主要应用于制造汽车发动机涡轮壳体与排气歧管等。
背景技术
涡轮增压技术(Turbo)是一种通过提高发动机的进气能力以提升燃油燃烧效率，进而提升发动机的功率减低燃料消耗的技术；经过30多年的发展，涡轮增压技术在航空、汽车等领域得到广泛应用。耐热钢广泛用于制造诸如汽车涡轮壳、排气管等零件和结构件，且用量日益增大，是汽车涡轮增压技术所需材料的典型代表，迎合了汽车行业对耐热材料耐高温、耐腐蚀要求；
高温、高压、高腐蚀的服役条件对涡轮壳体、排气歧管用钢性能提出了更高的要求。为保证其长久的安全性与有效性，涡轮壳体、排气歧管用钢必须具有良好的高温组织稳定性、抗氧化与侵蚀性、低膨胀性、良好的加工性等性能：
现涡轮增压壳体和排气歧管所用的耐热钢主要是奥氏体耐热钢、马氏体耐热钢和铁素体耐热钢等组织结构不同的耐热钢。奥氏体耐热钢一般添加贵金属镍以获得奥氏体组织，进而保证其良好的高温性能，现奥氏体耐热钢中镍元素重量添加比例一般为10-20％，部分高规格奥氏体耐热中钢镍元素添加比例甚至达到40％，高昂的的原材料成本极大地限制了奥氏体耐热钢的竞争力；部分奥氏体钢通过添加锰元素替代镍，以降低材料成本，并通过MnS固体润滑作用改善工硬化等问题，但贵金镍、铌、锰元素的添加量较大增加材料成本，硫元素的添加极大程度上增加了耐热钢的热裂倾向，同时锰的添加量大易与碳形成碳化物。
铁素铁不需要大量添加贵金属镍，在原材料成本上具有极大的优势，但是铁素体耐热钢由于基体组织较软导致其强度、硬度不足；通常采用热处理工艺或者添加Al、N、Mo、Zr等强化元素等方法提高其强度。但是Al、N、Mo、Zr等元素形成的氧化物、氮化物、碳化物等硬质点会割裂基体组织，降低材料的稳定性，同时复杂的热处理工序繁化了其生产工艺。
中国专利CN103667974A公开了一种铁素体耐热钢的制备方法，所述铁素体耐热钢的制造方法为：冶炼获得铸件，然后进行热处理，所述热处理方法为采用正火+回火的热处理方法，将铸件加热到1010～1030℃之间，保温1～2h，空冷到室温进行正火，然后加热到710～730℃之间保温3～4h进行回火。该专利采用正火+回火的热处理工艺制备铁素体耐热钢，制备工艺复杂。
中国专利CN103131953A本发明公开了一种铁素体耐热钢及其生产方法，铁素体耐热钢化学成分质量百分比为：C≤0.10％，Cr:8％～15％，W≤3.0％，Co≤3.0％，Si:O.1～0.5％，Mn:O.2～0.8％，Mo:O.3～0.6％，V:O.2～0.3％，Nb:O.05～0.10％，N≤0.05％，Ta≤0.08％，余量是Fe和不可避免的杂质。将上述成分的合金钢水浇铸成为铜板坯后，进行热轧、退火和酸洗后，进一步进行冷轧、退火和酸洗。该耐热钢含有Co、Mo、V、Nb、N等多种合金元素，合金元素形成的氧化物、氮化物、碳化物等硬质点会割裂基体组织，降低材料的稳定性。
因此，提供一种铁素体耐热钢及其制备方法，使其添加合金的种类少，不需要采用热处理工艺就能获得具有高强度和良好的加工性能的铁素体耐热钢是亟待解决的问题。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种含锰硫钨的铁素体耐热钢，具有高强度和良好的加工性能。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种含锰硫钨的铁素体耐热钢，其化学组成质量百分比为：C:0.25％～0.5％，Si：0.8％～2.5％，Mn：1.0％～1.50％，P:≤0.04％，S:0.030％～0.050％，Cr:18％～21.5％，W:1.8％～2.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述含锰硫钨的铁素体耐热钢，其化学组成质量百分比为：C：0.37％，Si：1.81％，Mn：1.47％，P:0.028％，S:0.043％，Cr:19.5％，W：1.91％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明的合金元素主要为铬元素、锰元素和钨元素，合金用量低并且所用合金元素种类少，不含有Ni、Mo、V、Nb、N等贵金属，在成本上具有明显的优势，同时降低了各合金元素之间的交互作用，提高了耐热钢的稳定性。
本发明改善加工性能的机理：在耐热钢中加入适量的锰元素和硫元素，硫元素和锰元素生成球形或近球形的MnS，球形或近球形的MnS有利于改善耐热钢的切削性能，本发明通过控制锰/硫的比例以改善硫化锰形态，获得球形的硫化锰，进而改善耐热钢的切削性能。同时，利用锰元素作为脱氧剂，锰与氧反应生成低熔点的氧化锰，便于后期去除；利用锰脱氧的方式代替铝脱氧、钙脱氧，在实现脱氧作用的同时可以避免氧化铝、氧化钙等硬质点导致机加工时出现崩刀，减少钢液中的氧化渣，改善了耐热钢的加工性能。
本发明各元素的作用：
C：碳含量的高低对钢材的强硬度和塑韧性都有很重要的影响，所以为保证耐热钢具有足够的强度、硬度,钢中必须含有相当的碳含量。一般的耐热钢中都含有较多的合金元素，其中有许多碳化物形成元素会与碳形成WC、(Fe,Cr)3C、Cr7C3等碳化物，从而具有较高的强度和良好的耐磨性能。为保证铁素体组织与良好的韧性同时保证良好的强度，含碳量控制在0.25～0.5％。
Si：硅作为弱脱氧剂可以控制耐热钢的脱氧程度，同时也是影响钢中硫化物夹杂变形和切削性能的关键元素；
Mn：锰与钢中的硫生成球形或近球形的MnS是一种重要的易切削相，可以帮助改善切削性能。锰作为脱氧剂可以替代常用的铝系、钙系脱氧剂，减少氧化铝、氧化钙等硬质夹杂，改善切削性能。锰为稳定奥氏体元素，可提高钢的强度并改善热塑性，但在铁素体耐热钢中加入过量锰含会增加奥氏体含量导致混晶，同时易导致加工硬化；减少为了保证良好的切削性能和力学性能，本发明控制锰的含量在1.0～1.5％。
P：对于结构钢磷被认为是一种有害元素，为避免磷的冷脆性，磷含量一般控制在0.04％以下。
S：在易切削钢中加入硫可显著改善其切削性能，一般低硫钢的S≤0.025％，中硫钢S:0.04～0.09％，高硫钢S:0.10～0.30％。但对耐热钢而言，S含量的添加会急剧增加热裂倾向，在耐热钢中S为严控有害元素，成分含量一般≤0.04％。钢中的锰硫比≥30时夹杂物成球状或纺锤状，比线条状更有利于切削。成分设计的原则是在保证钢的机械性能基本不变的条件下，改善其切削性能。因此本发明控制硫含量为0.030％～0.050％。
Cr:在耐热钢重点主要作用是提高钢的耐氧化与腐蚀性,提高钢的强度，但过高的铬含量易加剧钢的脆性。因此本发明控制硫含量为18％～21.5％。
W:钨为碳化物形成元素，会与碳形成WC等碳化物，从而具有较高的强度和良好的耐磨性能，但过量的钨元素添加在增加成本的同时恶化加工性能。为保证铁素体组织与良好的韧性同时保证良好的强度，含碳量控制在1.8-2.5％。
本发明的另一目的是提供一种含锰硫钨的铁素体耐热钢的制备方法，通过Mn-S-W复合改质处理制备含锰硫钨的易切削铁素体耐热钢。该制备方法中分两个阶段加入硫磺粉和电解锰片，改质耐热钢中的硫化物形态、碳化物组成，提高球形或近球形MnS的形成效率，提高MnS的比例。同时利用铸件在砂箱内的冷却条件实现退火，不需要采用热处理工艺就能制备出同时具有良好的机械性能和切削性能的铁素体耐热钢。
所述一种含锰硫钨的铁素体耐热钢的制备方法，包括以下步骤：
S1.将原料投入中频感应炉中，待原料完全溶解成钢液后进行除渣作业，以保证炉内钢液的洁净度；所述原料包括以下质量百分比的各组分：浇注系统返回料75-85％、废铸件0.1-5％、废钢5-15％、钨铁0.3-1％、低碳铬铁4-8％、硅铁0.1-1％、增碳剂0.05-0.15％、电解锰片0.2-0.5％、硫磺粉0.01-0.06％；
S2.在反应包内加入钢液重量0.01％的硫磺粉和钢液重量0.2％的电解锰片，控制钢液在1700-1730℃范围内进行出钢作业，将炉内的钢液出钢至所述反应包内；
S3.倒包处理，将反应包的钢液倒入至浇注包内；
S4.进行浇注作业，浇注温度控制在1580-1630℃，在浇注的后期，取分光试片确认成分；
S5.待铸件冷却后，开箱取铸件确认本体金相组织及机械性能。
本发明铁素体耐热钢的制备方法中，硫磺粉和电解锰分两个阶段加入，第一阶段：在S1中，在中频感应炉中投入电解锰片0.2-0.5％、硫磺粉0.01-0.06％；第二阶段：在S2出钢过程中，先在反应包内加入钢液重量0.01％的硫磺粉和钢液重量0.2％的电解锰片，然后在1700-1730℃范围内进行出钢作业，将炉内的钢液出钢至加有硫磺粉和电解锰片的反应包内。分两个阶段加入电解锰片和硫磺粉可以提高球形或近球形MnS的形成效率，提高MnS的比例，同时减少固溶态锰的比例，在改善切削性能的同时避免锰导致的加工硬化。
本发明铁素体耐热钢的制备方法中，先将钢液出钢至加有电解锰片和硫磺粉的反应包内，再进行倒包处理，将反应包的钢液倒入至浇注包内的目的是：连续浇注时，每包浇注完成后浇注包内会残余约10％的残余钢液且距离下次出钢时间较长，如果直接把硫磺粉和电解锰片加入浇注包内，会导致硫磺粉和电解锰片的烧损，不利于硫化锰的形成。通过在反应包内添加硫磺粉，并用电解锰片将其包裹住可有效避免高温钢水与硫磺粉直接接触，进而提升硫化锰形成效率。
优选地，所述S2中，用所述电解锰片包裹住所述硫磺粉后加入反应包内，因为硫磺粉易燃烧，用电解锰片将其包裹住可以避免硫磺粉与钢液直接接触，导致燃烧损耗。
优选地，所述S3中，所述浇注包单包的重量为1000±15kg。
优选地，所述S4中，所述浇注温度为1613℃。
优选地，所述S5中，所述冷却的时间为45-55min，通过控制铸件在砂箱内的冷却时间实现退火，从而实现组织均匀化。
本发明的强化机理：一是通过提高碳含量和添加钨元素形成钨的碳化物强化，二是锰元素的固溶强化。本发明通过控制C、W、Mn的添加量以控制碳化物的数量和分布进而提高强度，通过控制铸件在砂箱内的冷却时间实现退火，从而实现组织均匀化，可以省略热处理工艺也能达到良好的加工性能。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
1、本发明所用合金元素的种类少，不含有Ni、Mo、V、Nb、N等贵金属，在成本上具有明显的优势，同时降低了各合金元素之间的交互作用，提高了耐热钢的稳定性。
2、在耐热钢中加入本发明化学组成范围内的锰元素和硫元素，硫元素和锰元素生成球形或近球形的MnS，球形或近球形的MnS有利于改善耐热钢的切削性能，本发明通过控制锰/硫的比例以获得球形的硫化锰形态，进而改善耐热钢的切削性能。
3、利用锰元素作为脱氧剂，不使用铝粒和硅钙合金作为脱氧剂，可以避免氧化铝、氧化钙等硬质点对加工性能的影响。
4、本发明的铁素体耐热钢制备方法中，分两个阶段加入硫磺粉和电解锰，可以提高球形或近球形MnS的形成效率，提高MnS的比例，同时减少固溶态锰的比例，在改善切削性能的同时避免锰导致的加工硬化。同时利用铸件在砂箱内的冷却条件实现退火，不需要采用热处理工艺就能获得具有高强度、良好的加工性能的铁素体耐热钢。
附图说明
图1为本发明实施例1的铁素体耐热钢的金相组织图。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例和对比例所用的浇注系统返回料为除产品之外的浇口和流道中的成型物，具体为浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道中的成型物；废铸件为报废的铸件。
实施例1
一种含锰硫钨的铁素体耐热钢，其化学组成质量百分比为：C：0.37％，Si：1.81％，Mn：1.47％，P:0.028％，S:0.043％，Cr:19.5％，W：1.91％，余量为Fe和不可避免的杂质。
含锰硫钨的铁素体耐热钢的制备方法，包括以下步骤：
S1.将原料投入中频感应炉中，待原料完全溶解成钢液后进行除渣作业，以保证炉内钢液的洁净度；所述原料包括以下质量百分比的各组分：浇注系统返回料82％、废铸件3％、废钢8.37％、钨铁0.4％、低碳铬铁5.3％、硅铁0.4％、增碳剂0.09％、电解锰片0.4％、硫磺粉0.04％；
S2.在反应包内加入钢液重量0.01％的硫磺粉和钢液重量0.2％的电解锰片，用电解锰片包裹住硫磺粉后加入反应包内，然后控制钢液在1715±10℃条件下进行出钢作业，将炉内的钢液出钢至加有硫磺粉和电解锰片的反应包内；
S3.倒包处理，将反应包的钢液倒入至浇注包内；
S4.进行浇注作业，浇注温度为1613℃，在浇注的后期，取分光试片确认成分；
S5.待铸件冷却48min后，开箱取铸件确认本体金相组织及机械性能。
实施例2
一种含锰硫钨的铁素体耐热钢，其化学组成质量百分比为：C：0.35％，Si：1.79％，Mn：1.11％，P:0.018％，S:0.040％，Cr:19.3％，W：1.90％，余量为Fe和不可避免的杂质。
含锰硫钨的铁素体耐热钢的制备方法，包括以下步骤：
S1.将原料投入中频感应炉中，待原料完全溶解成钢液后进行除渣作业，以保证炉内钢液的洁净度；所述原料包括以下质量百分比的各组分：浇注系统返回料80％、废铸件5％、废钢8.6％、钨铁0.4％、低碳铬铁5.2％、硅铁0.38％、增碳剂0.08％、电解锰片0.30％、硫磺粉0.04％；
S2.在反应包内加入钢液重量0.01％的硫磺粉和钢液重量0.2％的电解锰片，用电解锰片包裹住硫磺粉后加入反应包内，然后控制钢液在1715±10℃条件下进行出钢作业，将炉内的钢液出钢至加有硫磺粉和电解锰片的反应包内；
S3.倒包处理，将反应包的钢液倒入至浇注包内；
S4.进行浇注作业，浇注温度为1617℃，在浇注的后期，取分光试片确认成分；
S5.待铸件冷却52min后，开箱取铸件确认本体金相组织及机械性能。
实施例3
一种含锰硫钨的铁素体耐热钢，其化学组成质量百分比为：C：0.36％，Si：1.78％，Mn：1.48％，P:0.020％，S:0.030％，Cr:19.4％，W：1.80％，余量为Fe和不可避免的杂质。
含锰硫钨的铁素体耐热钢的制备方法，包括以下步骤：
S1.将原料投入中频感应炉中，待原料完全溶解成钢液后进行除渣作业，以保证炉内钢液的洁净度；所述原料包括以下质量百分比的各组分：浇注系统返回料81％、废铸件4％、废钢8.475％、钨铁0.4％、低碳铬铁5.2％、硅铁0.39％、增碳剂0.08％、电解锰片0.43％、硫磺粉0.025％；
S2.在反应包内加入钢液重量0.01％的硫磺粉和钢液重量0.2％的电解锰片，用电解锰片包裹住硫磺粉后加入反应包内，然后控制钢液在1715±10℃条件下进行出钢作业，将炉内的钢液出钢至加有硫磺粉和电解锰片的反应包内；
S3.倒包处理，将反应包的钢液倒入至浇注包内；
S4.进行浇注作业，浇注温度为1615℃，在浇注的后期，取分光试片确认成分；
S5.待铸件冷却48min后，开箱取铸件确认本体金相组织及机械性能。
对比例1
一种含钨的铁素体耐热钢，其化学组成质量百分比为：C：0.35％，Si：1.84％，P:0.027％，S:0.007％，Cr:19.4％，W:1.94％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本对比例的铁素体耐热钢制备方法与实施例1相比，区别在于，不添加硫磺粉和电解锰片，具体步骤如下：
S1.将原料投入中频感应炉中，待原料完全溶解成钢液后进行除渣作业，以保证炉内钢液的洁净度；所述原料包括以下质量百分比的各组分：浇注系统返回料81％、废铸件4.3％、废钢8.7％、钨铁0.51％、低碳铬铁5.0％、硅铁0.4％、增碳剂0.09％；
S2.控制钢液在1715±10℃条件下进行出钢作业，将炉内的钢液出钢至浇注包内；
S3.进行浇注作业，浇注温度为1613℃，在浇注的后期，取分光试片确认成分；
S4.待铸件冷却48min后，开箱取铸件确认本体金相组织及机械性能。
对比例2
一种含锰硫钨的铁素体耐热钢，其化学组成质量百分比为：C：0.36％，Si：1.80％，Mn：1.40％，P:0.026％，S:0.041％，Cr:19.6％，W:1.92％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本对比例的铁素体耐热钢制备方法与实施例1相比，区别在于，仅在S1中添加电解锰片和硫磺锰，在出钢过程中不添加电解锰片和硫磺锰，具体步骤如下：
S1.将原料投入中频感应炉中，待原料完全溶解成钢液后进行除渣作业，以保证炉内钢液的洁净度；所述原料包括以下质量百分比的各组分：浇注系统返回料80.8％、废铸件3.5％、废钢8.8％、钨铁0.46％、低碳铬铁5.4％、硅铁0.34％、增碳剂0.09％、电解锰片0.55％、硫磺粉0.06％；
S2.控制钢液在1715±10℃条件下进行出钢作业，将炉内的钢液出钢至浇注包内；
S3.进行浇注作业，浇注温度为1613℃，在浇注的后期，取分光试片确认成分；
S4.待铸件冷却48min后，开箱取铸件确认本体金相组织及机械性能。
各实施例和对比例的铸件的金相组织和机械性能的检查结果如表1。
表1铸件的机械性能及金相组织
Figure BDA0003066138510000081
表1结果表明，比较实施例1和对比例2，可以发现分两个阶段加入电解锰片和硫磺粉可以提高MnS的形成效率，提高MnS的比例，降低固溶态锰的比例。虽然实施例1和对比例2耐热钢的锰元素和硫元素质量百分比几乎相同，但是对比例2的制备方法仅在中频感应炉中添加电解锰片和硫磺锰，在出钢过程中不添加电解锰片和硫磺锰，金相组织结果显示对比例2只生成了极少量的硫化锰，固溶态锰的比例较高。而本发明实施例1的制备方法在中频感应炉和出钢过程中都添加了电解锰片和硫磺锰，金相组织结果显示，与对比例2相比，提高了MnS的形成比例。同时，与对比例2相比，实施例1的布氏硬度值由222降低至208，延伸率由1.8％提升至3.3％，可有效改善耐热钢的加工性能。
材料的加工性能检查结果显示：与对比例1相比，对比例2的加工刀具寿命可提高5.5％，实施例1的加工刀具寿命可提高21.5％。说明本发明的铁素体耐热钢具有良好的加工性能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种含锰硫钨的铁素体耐热钢，其特征在于，其化学组成质量百分比为：C：0.25％～0.5％，Si：0.8％～2.5％，Mn：1.0％～1.50％，P:≤0.04％，S:0.030％～0.050％，Cr:18％～21.5％，W：1.8％～2.5％，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述含锰硫钨的铁素体耐热钢的制备方法，包括以下步骤：
S1.将原料投入中频感应炉中，待原料完全溶解成钢液后进行除渣作业，以保证炉内钢液的洁净度；所述原料包括以下质量百分比的各组分：浇注系统返回料75-85％、废铸件0.1-5％、废钢5-15％、钨铁0.3-1％、低碳铬铁4-8％、硅铁0.1-1％、增碳剂0.05-0.15％、电解锰片0.2-0.5％、硫磺粉0.01-0.06％；
S2.在反应包内加入钢液重量0.01％的硫磺粉和钢液重量0.2％的电解锰片，控制钢液在1700-1730℃范围内进行出钢作业，将炉内的钢液出钢至所述反应包内；
S3.倒包处理，将反应包的钢液倒入至浇注包内；
S4.将所述浇注包内的钢液进行浇注作业，浇注温度控制在1580-1630℃，在浇注的后期，取分光试片确认成分；
S5.待铸件冷却后，开箱取铸件确认本体金相组织及机械性能。
2.根据权利要求1所述的含锰硫钨的铁素体耐热钢，其特征在于，其化学组成质量百分比为：C：0.37％，Si：1.81％，Mn：1.47％，P:0.028％，S:0.043％，Cr:19.5％，W：1.91％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的含锰硫钨的铁素体耐热钢，其特征在于，所述S2中，用所述电解锰片包裹住所述硫磺粉后加入反应包内。
4.根据权利要求1所述的含锰硫钨的铁素体耐热钢，其特征在于，所述S3中，所述浇注包单包的重量为1000±15kg。
5.根据权利要求1所述的含锰硫钨的铁素体耐热钢，其特征在于，所述S4中，所述浇注温度为1613℃。
6.根据权利要求1所述的含锰硫钨的铁素体耐热钢，其特征在于，所述S5中，所述冷却的时间为45-55min。
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