CN114393176A - 一种低镍的全奥氏体耐热钢及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低镍的全奥氏体耐热钢及其制备方法与应用，按质量百分比，包括以下成分：C：0.45～0.7％，Si：0.5～1.5％，Mn：1.0～2.0％，Cr：19.0～24.0％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.1～0.4％，Ti：0.1～0.4％，S≤0.035％，P≤0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。制备方法为：配料→负压感应炉冶炼→钢液过滤→绿色环保铸造→激光切割成型。本发明钢应用在冷却机的凹凸密封、预热器的C3内筒上，在750℃时的高温力学性能和ZG25Cr18Ni9Si2相当，实现降低成本；同时，本发明钢通过高速大冲击力抛丸处理或铣床机加处理后，工件表面的硬度值显著提高。
Description
技术领域
本发明属于耐热钢技术领域，特别是涉及一种低镍的全奥氏体耐热钢及其制备方法与应用。
背景技术
随着工业社会的急速发展，Cr-Ni耐热钢和不锈钢被广泛、大量的应用在涉及高温、腐蚀等工况的工程项目中，并且每年还需要更换备件，这就导致Ni这一战略资源的消耗加剧。其中，使用在工况温度高于700℃的工况，为了保证材料使用的稳定性，必然使用奥氏体耐热钢，而奥氏体耐热钢的含Ni量通常在9％以上，高的甚至在18％以上，这使得Ni元素的用量进一步增加。
以水泥熟料的烧成系统为例，冷却机、预热器、回转窑三大主机设备都要用到耐热钢材料。其中，冷却机的凹凸密封、预热器的C3内筒，二者的工况温度都在750℃左右，使用ZG25Cr18Ni9Si2奥氏体耐热钢(来自GB/T 8492-2002一般用途耐热钢和合金铸件)，使用寿命通常在2年左右，定期进行更换备件。
在水泥熟料的烧成系统领域，针对上述使用ZG25Cr18Ni9Si2奥氏体耐热钢材料零部件的用量进行统计，一年用量在6000吨左右，消耗99.99％的Ni板约600吨。因此，亟需开发一种低镍的全奥氏体耐热钢，能在750℃左右温度稳定工作，用于替换ZG25Cr18Ni9Si2，将会实现每年节约Ni板(99.99％)约300吨，为节约Ni这一战略资源做出一定的贡献。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种低镍的全奥氏体耐热钢及其制备方法与应用。本发明的全奥氏体耐热钢能够在750℃左右工况下稳定使用，用于替换ZG25Cr18Ni9Si2奥氏体耐热钢，在高温性能不变的前提下，实现节约50％Ni的目的。
本发明是这样实现的，一种低镍的全奥氏体耐热钢，按质量百分比，包括以下成分：C：0.45～0.7％，Si：0.5～1.5％，Mn：1.0～2.0％，Cr：19.0～24.0％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.1～0.4％，Ti：0.1～0.4％，S≤0.035％，P≤0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选的，按质量百分比，包括以下成分：C：0.5～0.65％，Si：0.7～1.5％，Mn：1.0～2.0％，Cr：20.0～24.0％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.1～0.3％，Ti：0.1～0.3％，S≤0.035％，P≤0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。
更优选的，按质量百分比，包括以下成分：C：0.5～0.6％，Si：0.7～1.4％，Mn：1.0～1.8％，Cr：21.0～23.0％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.1～0.2％，Ti：0.1～0.2％，S≤0.035％，P≤0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。
最优选的，按质量百分比，包括以下成分：C：0.55％，Si：1.1％，Mn：1.5％，Cr：22.0％，Ni：5.0％，Mo：0.15％，Ti：0.15％，S≤0.035％，P≤0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。
所述低镍的全奥氏体耐热钢可在730～760℃的工况温度下稳定使用。
所述低镍的全奥氏体耐热钢与对比材料ZG25Cr18Ni9Si2相比，两者在750℃的高温力学性能相当。
所述低镍的全奥氏体耐热钢通过外冲击力或外应力的表面处理后，布氏硬度由200左右提高到300左右，具有应力应变提升耐磨性效果。
上述低镍的全奥氏体耐热钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)将上述成分原料按比例进行配料；
(2)使用抽负压的感应冶炼炉对原料进行冶炼，冶炼温度为1700℃；
(3)冶炼完成后，将钢液转移到浇注用坩埚中，坩埚上方有铁铬丝滤网，对钢液进行过滤；
(4)过滤完成后开始浇注，浇注时钢液温度控制在1630～1650℃，浇注的型壳，是一种绿色环保的造型方式，采用EVA[Ethylene Vinyl Acetate Copolymer，乙烯-醋酸乙烯共聚物(乙烯-乙酸乙烯共聚物)]塑料膜和钢制沙箱形成密闭空间，通过真空泵抽负压支持，钢液浇注完成后，保压10～12min撤压；
(5)采用激光切割器将浇注的冒口以及浇道切除，完成工件制作。
优选的，所述铁铬丝滤网的孔洞大小为5～10mm。
上述低镍的全奥氏体耐热钢在冷却机的凹凸密封、预热器的C3内筒上的应用。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明的化学成分设计充分考虑在镍元素含量较低的前提下，能够实现稳定的全奥氏体耐热钢。首先，本发明钢仅通过C、Ni元素，来形成稳定的全奥氏体，其中，Ni元素含量仅在5.5％以内；其次，本发明钢没有通过添加大量的Mn元素和N元素来实现稳定的全奥氏体，Mn元素含量在2％以内，且不含N元素；再者，本发明钢依靠Ti、Mo元素提高钢的热强性能，在750℃时，仍具有优异的高温力学性能；最后，本发明钢通过添加大量的Cr元素，保证本发明钢在的高温抗氧化性能。
2、本发明实现能够在750℃左右工况下稳定使用的一种低镍的全奥氏体耐热钢，以实现节约Ni资源，达到降低成本的目的。
3、本发明钢在750℃具有优异的高温力学性能，与对比材料ZG25Cr18Ni9Si2相比，两者相当。
4、研究发现，在实际使用过程中，本发明钢还具有应力应变提升耐磨性的效果，使用本发明钢制作的工件，通过高速大冲击力抛丸处理或铣床机加处理后，工件表面的硬度值显著提高，布氏硬度由200左右提高到300左右，有效提高工件的耐磨性能。
附图说明
图1是本发明实施例1的钢的扫描电子显微镜的照片；
图2是本发明实施例2的钢的扫描电子显微镜的照片；
图3是本发明实施例3的钢的扫描电子显微镜的照片；
图4是本发明实施例4的钢的扫描电子显微镜的照片；
图5是对比材料的扫描电子显微镜的照片；
图6是本发明实施例1的钢表面未抛丸处理的EBSD检测结果；其中，(a)晶粒形貌；(b)相组成及分布；(c)晶界结构；
图7是本发明实施例1的钢表面抛丸处理后的EBSD检测结果；其中，(a)晶粒形貌；(b)相组成及分布；(c)晶界结构。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
为实现本发明提供一种低镍的全奥氏体耐热钢，其中，Ni含量在5.5％以内、Mn含量在2％以内、且不含N元素，本发明的成分控制如下：
成分设计理由或原理：
碳：本发明钢中，获得完全奥氏体组织的主要非金属元素，同时和强化元素结合保证材料的高温强度性能，故对碳含量控制在0.45～0.7％。优选地，碳含量为0.5～0.65％，更优选为0.5～0.6％。
硅：使本发明钢的抗氧化性能，一般硅含量控制在0.5～1.5％，优选地，硅含量为0.7～1.5％，更优选为0.7～1.4％。
铬：使本发明钢的抗氧化性能和高温强度性能，一般铬含量控制在19.0～24.0％，优选地，铬含量为20.0～24.0％，更优选为21.0～23.0％。
镍：本发明钢中，获得完全奥氏体组织的主要金属元素，具有稳定的组织，提高钢的高温强度性能。镍元素含量控制在4.5～5.5％。
钼：本发明钢中主要的强化元素，能够提高钢的高温强度性能。钼元素含量一般控制在0.1～0.4％，优选地为0.1～0.3％，更优选为0.1～0.2％。
钛：能够细化钢的晶粒，并且形成碳化物产生弥散强化，提高高温下的强度性能。钛元素含量0.1～0.4％，优选为0.1～0.3％，更优选为0.1～0.2％。
同时，硫、磷等杂质元素在技术条件允许情况下应尽可能降低其含量，减少晶间偏析，提高韧性。
本发明钢采用一种高效率、绿色环保的铸造方式浇注成型，制作过程为：配料→负压感应炉冶炼→钢液过滤→绿色环保铸造→激光切割成型。详细的流程为：(1)根据本发明钢的最优选成分进行配料计算；(2)使用抽负压的感应冶炼炉对原料进行冶炼，冶炼温度为1700℃；(3)冶炼完成后，将钢液转移到浇注用坩埚，坩埚上方有铁铬丝滤网(滤网孔洞大小为5～10mm)，对钢液进行过滤，完成后开始浇注，浇注时钢液温度控制在1630～1650℃；(4)浇注的型壳，是一种绿色环保的造型方式，采用EVA[Ethylene Vinyl Acetate Copolymer，乙烯-醋酸乙烯共聚物(乙烯-乙酸乙烯共聚物)]塑料膜和钢制沙箱形成密闭空间，通过真空泵抽负压支持，钢液浇注完成后，保压10～12min撤压；(5)采用激光切割器将浇注的冒口以及浇道切除，完成工件制作。
本发明钢实施的具体化学成分和对比材料(质量分数％)见下表1所示。
表1化学成分(质量分数％)
对比材料为耐热钢，牌号为ZG25Cr18Ni9Si2(GB/T 8492-2002一般用途耐热钢和合金铸件)。
为进一步说明本发明的性能，下面将本发明以实施例1、2、3和4为例与对比材料ZG25Cr18Ni9Si2做对比试验，具体说明如下：
试验例1：基体显微组织
试验方法：将本发明钢和对比材料均通过上述同一种高效率、绿色环保的铸造成型方式制作Y型大试块，冶炼温度均为1700℃，浇注温度均控制在1630～1650℃，使用线切割方式制成20mm×20mm×10mm的小试块，小试块表面分别采用200、600目的砂纸先后进行抛光处理，抛光完成后使用90％盐酸+10％硝酸进行表面腐蚀，腐蚀完成后表面处理干净并烘干，放置在SEM扫描电子显微镜中进行组织分析，分别如图1～5。
通过SEM分析可知，实施例1、2、3、4和对比材料的基体组织均为奥氏体组织，实施例1、2、3、4的C含量高于对比材料，因此晶界上的碳化物明显增多。
试验例2：硬度测试和EBSD(电子背散射衍射)检测
试验方法：本发明实施例1的钢和对比材料，一组为仅经过抛光处理的20mm×20mm×10mm的小试块；另一组为在抛丸机内表面抛丸冲击10分钟的20mm×20mm×10mm的小试块，抛丸处理后表面抛光处理。
分别在维氏硬度计上进行硬度测试，结果见下表2所示。
表2维氏硬度测试结果
由表2可知，实施例1在抛丸处理后，表面硬度发生明显变化，布氏硬度HBS由208提高到290，对比材料的表面硬度，基本没有发生变化。
对实施例1的未抛丸处理小试块和抛丸处理小试块分别进行EBSD检测，分别如图6和图7所示。检测结果显示未抛丸的实施例1的小试块基体组织为99.8％奥氏体，抛丸处理的实施例1的小试块基体组织为97.4％奥氏体+2.57％铁素体，组织区别较小；但后者显示有高比例小角度晶界(见图7b)，说明在抛丸处理后，其内部含有高密度的位错，类似变形组织，导致硬度迅速提高。
试验例3：高温力学性能
按照试验标准：GB/T 4338进行本发明钢和对比材料的高温力学性能试验。其结果见表3所示。
表3高温力学性能
| 温度(℃) | 抗拉强度(MPa) | 断后伸长率(％) | |
| 实施例1 | 750 | 261 | 17.8 |
| 实施例2 | 750 | 267 | 14.3 |
| 实施例3 | 750 | 254 | 20.2 |
| 实施例4 | 750 | 248 | 15.3 |
| 对比材料 | 750 | 252 | 16.6 |
由表3可知，本发明的低镍的全奥氏体耐热钢，在750℃时的高温力学性能和ZG25Cr18Ni9Si2相当，可用于替换后者，实现降低成本的目的。同时，在实际使用过程中，发现本发明钢还具有应力应变时耐磨性提升的效果，通过高速大冲击力抛丸处理或铣床机加处理后，工件表面的硬度值显著提高，布氏硬度由200左右提高到300左右，有效提高了工件的耐磨性能。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种低镍的全奥氏体耐热钢，其特征在于，按质量百分比，包括以下成分：C：0.45～0.7％，Si：0.5～1.5％，Mn：1.0～2.0％，Cr：19.0～24.0％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.1～0.4％，Ti：0.1～0.4％，S≤0.035％，P≤0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的低镍的全奥氏体耐热钢，其特征在于，按质量百分比，包括以下成分：C：0.5～0.65％，Si：0.7～1.5％，Mn：1.0～2.0％，Cr：20.0～24.0％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.1～0.3％，Ti：0.1～0.3％，S≤0.035％，P≤0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的低镍的全奥氏体耐热钢，其特征在于，按质量百分比，包括以下成分：C：0.5～0.6％，Si：0.7～1.4％，Mn：1.0～1.8％，Cr：21.0～23.0％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.1～0.2％，Ti：0.1～0.2％，S≤0.035％，P≤0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求3所述的低镍的全奥氏体耐热钢，其特征在于，按质量百分比，包括以下成分：C：0.55％，Si：1.1％，Mn：1.5％，Cr：22.0％，Ni：5.0％，Mo：0.15％，Ti：0.15％，S≤0.035％，P≤0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的低镍的全奥氏体耐热钢，其特征在于，所述低镍的全奥氏体耐热钢可在730～760℃的工况温度下稳定使用。
6.根据权利要求1所述的低镍的全奥氏体耐热钢，其特征在于，所述低镍的全奥氏体耐热钢与对比材料ZG25Cr18Ni9Si2相比，两者在750℃的高温力学性能相当。
7.根据权利要求1所述的低镍的全奥氏体耐热钢，其特征在于，所述低镍的全奥氏体耐热钢通过外冲击力或外应力的表面处理后，布氏硬度由200左右提高到300左右。
8.根据权利要求1-7任一项所述的低镍的全奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将上述成分原料按比例进行配料；
(2)使用抽负压的感应冶炼炉对原料进行冶炼，冶炼温度为1700℃；
(3)冶炼完成后，将钢液转移到浇注用坩埚中，坩埚上方有铁铬丝滤网，对钢液进行过滤；
(4)过滤完成后开始浇注，浇注时钢液温度控制在1630～1650℃，浇注的型壳，采用EVA塑料膜和钢制沙箱形成密闭空间，通过真空泵抽负压支持，钢液浇注完成后，保压10～12min撤压；
(5)采用激光切割器将浇注的冒口以及浇道切除，完成工件制作。
9.根据权利要求8所述的低镍的全奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于，所述铁铬丝滤网的孔洞大小为5～10mm。
10.根据权利要求1所述的低镍的全奥氏体耐热钢的应用，其特征在于，所述低镍的全奥氏体耐热钢在冷却机的凹凸密封、预热器的C3内筒上的应用。
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