CN1151297C - 一种铬基高温合金 - Google Patents

Abstract

本发明属于铬基合金领域，主要涉及加热炉用高温部件。本发明的化学成分(重量%)为：C 0.01～0.50%、Si≤2.0%、Mn≤2.0%、W 10.1～18.0%、Fe 10.1～30.0%、Mo≤3.0%、Al≤2.0%、Ti≤1.5%，余为Cr。本发明的生产方法是经感应炉熔炼后再经特种工艺制成所需部件。本发明铬基高温合金不仅熔点高，而且显微组织稳定，具有优异的高温强度和抗氧化、抗热腐蚀性能。本发明适用于高温炉内的抗压缩、抗氧化零部件。

Description

一种铬基高温合金

技术领域

本发明属于铬基合金领域，主要涉及加热炉高温部件。

背景技术

目前，步进梁式加热炉已成为工业化国家轧钢厂钢坯轧前加热的主流加热设备，这类炉内炉底支承梁上向上突起的耐热垫块(Skid button)是加热炉的关键部件。它们在1300～1450℃的超高温和氧化——硫化气氛的恶劣工况条件下工作，起到支承和传递被加热钢坯的作用。

在现有技术中，普遍采用钴基高温合金制造耐热垫块，如PGUMCO--50(《COBALT》1973.3)和KHP-40CM(特开昭52-20319)等。众所周知，钴基高温合金存在的最大缺点是在1250℃温度以上的高温强度过低和抗氧化性能极差，故用钴基合金制作的耐热垫块，其极限高度较低，通常仅为100～120mm以下。如此低的垫块高度加剧了支承梁对钢坯的热屏蔽作用和钢坯热量通过垫块向支承梁的热传导作用，由此，导致钢坯产生严重的“黑印”，使钢坯上的温差有时高达50～150℃。模拟试验和生产实践表明，当耐热垫块的垂直高度达到150～200mm时，钢坯“黑印”温差将降至10℃以下，这对改善轧材质量、提高生产效率和降低能耗都有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直至1350℃温度仍具有较高的抗压蠕变强度和足够韧性，以及优良的抗氧化、抗硫化和抗熔渣腐蚀性能的铬基高温合金，适用于制造垂直高度达150～200mm的加热炉用耐热垫块。

针对上述目的，本发明铬基高温合金的化学成分(重量％)为：

C0.01～0.50％、Si≤2.0％、Mn≤2.0％、W10.1～18.0％、Fe10.1～30.0％、Mo≤3.0％、Al≤2.0％、Ti≤1.5％，余为Cr。

在上述化学成分中，Cr是关键元素，它能确保本发明具有高熔点(大于1500℃)和高温强度，具有优异的抗氧化和抗热腐蚀性能。根据Cr-Fe平衡状态图，Cr含量在50.0～80.0％之间较合适。

合金中至少含有10％的铁较合适，足够的铁含量可确保合金具有良好的成型性能，使合金能熔炼铸造并制成优良部件，为获得性能满意的部件，合金中，铁含量在10.0～30％之间较合适。在本发明中也可用Co和Ni两者中的一种或两种取代部分Fe含量。

W和Mo是本发明合金中最重要的固溶强化元素，足够高的W含量，对合金在1350℃仍保持具有优良的抗压蠕变性能至关重要。但W含量过高，对熔炼、铸造及其合金性能均有不良影响，故W含量控制在10～18％之间较为合适。Mo在合金中主要偏析于铸件的树枝状晶间，起强化作用，但富Mo氧化物在高温下易液化，造成坑蚀，严重损害合金的抗氧化性能，故Mo控制在3.0％以下较合适。

C是形成碳化物强化相的基本元素，但也是强烈降低合金熔点的元素，故需严格控制，不宜过高，以不大于0.50％为宜。

加入Si、Mn是为了加强合金在熔融状态下的脱氧除气作用，以及改善部件成型性能；Si还有一定的固溶强化效果和提高合金的抗渗碳性能。Si、Mn的加入量在2％以下可达到较好的效果。

加入适量的Al能减少合金内氧化和形成致密的外氧化保护膜；另外，Al也是合金中的一种固溶强化元素。合金中的Al含量以3％以下为宜。

氮在铬基合金的熔融体中有较大的溶解度，而在合金凝固状态下，溶解度极小，即凝固后，氮以气体形式存在于合金中，非常有害，若合金中加入适量的钛，使之与氮结合形成较细小的固相TiN，且分散在合金的基体中，可以在一定程度上抑制氮的有害作用。在通常情况下，除了在原材料和熔炼过程中必须控制的氮的含量外，合金中加入1.5％以下的钛可起到较好的效果。

P、S等杂质因严重偏析于合金晶界，对合金的高温性能极其有害，故应控制在尽可能低的水平，使P、S≤0.03％。

本发明铬基高温合金的生产方法可经感应炉熔炼后再经特种工艺制成所需部件，例如熔炼后制成粉末再经HIP工艺，可以获得性能更优异的部件。

根据本发明所述的化学成分和生产方法所制备铬基高温合金是一种高熔点(＞1500℃)的、显微组织稳定的合金。该合金在高温下长期时效未发现脆性有害相析出，合金中的一次和二次析出物数量也几乎没有变化，组织稳定。而且，本发明具有优异的高温强度和抗氧化、抗热腐蚀性能；

1250℃温度下，4.9MPa压力下的压缩变形速度≤0.118％/hr

1350℃温度下，4.9MPa压力下的压缩变形速度≤0.210％/hr

1250℃温度下的动态循环氧化失重≤2.6g/m²·hr

1350℃温度下的动态循环氧化失重≤6.3g/m²·hr

1000℃×100小时的热腐蚀失重≤6.2g/cm²

由以上性能数据表明，本发明特别适用于制作加热炉中的高温部件，也适用在其它需要抗高温压缩变形和抗高温氧化的工作条件下使用。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

①本发明不仅熔点高，显微组织稳定，而且具有钴基合金等无法相比的抗高温压缩强度，如在1350℃、4.9MPa压力下，本发明的压缩变形速度≤0.210％/hr，而最强的钴基合金PGUMCo-50为1.542％/hr，前者仅为后者的1/7。

②本发明抗氧比、抗热腐蚀性能优异，如在1350℃温度下动态循环氧化失重，本发明仅为钴基合金PGUMCo-50的1/10，1000℃×100小时热腐蚀失重，本发明仅为PGUMCo-50合金的1/3。

具体实施方式

根据本发明所述的化学成分和生产方法在感应炉上冶炼了5炉铬基高温合金。其具体化学成分如表1所示。冶炼后5炉合金均按特定工艺制成部件，同时取样，分别进行高温压缩试验、高温抗氧化试验和硫化试验，其结果分别列于表2和表3。

为了对比，在同样的工艺条件下冶炼了一炉钴基合金PGUMCo-50合金。也分别进行了同样的试验项目。其化学成分及其各项试验结果也分别列入相应的表1、表2和表3中。

压缩试验是在高温压缩试验机上进行。试样直径为φ30mm，高度h₁为50mm，分别置于1250℃和1350℃加热炉内的压缩平台上，并对试样施加4.9MPa的静压力，试验时间七小时(本次试验t为100小时)，试验后，测试试样的现有高度h₂，并按下式计算试样的压缩变形速度：压缩变形速度 $(\%/\mathrm{hr})=\frac{h_1-h_2}{h_1\×t}\×100,$ 试验结果于表2所示。

抗热腐蚀性能试验采用加速氧化法，将25％NaCl+75NaSO₄混合盐的水溶液以雾状喷射在热的薄片状试样上，喷射涂覆的盐份厚度约2mm，干燥后悬挂在电阻加热炉中，炉内温度1000℃，试验100小时。试验期间，定时向炉内喷射所述的雾状混合盐水溶液，以维持炉内的热腐蚀气氛，试验结束后在碱性和酸性溶液中加热1小时，剥离腐蚀层，然后测量试样的腐蚀失重。其试验结果列于表3中。

高温抗氧化性能试验是采用动态循环氧化试验，将试样放在坩埚中，并置于炉内，自室温随炉升温，直至试验温度，保温25小时，然后随炉冷至室温，连续循环四次，试验之后，将试样在碱性和酸性溶液中分别加热1小时，剥离氧化鳞皮后测量试样失重。试验温度分别为1250℃和1350℃。试验结果也列入表3中。

                                   表1  实施例及对比例的化学成分(重量％)

元素炉号		C	Si	Mn	Fe	Co	W	Mo	Al	Ti	Cr	Nb
													本发明	1	0.08	0.93	0.42	12.7	/	11.2	/	1.50	1.47	余	/
2	0.12	1.17	0.68	24.1	/	14.1	/	0.53	1	余	/
												3		0.06	1.30	0.91	12.6	/	16.2	/	/	0.26	余	/
4	0.04	1.50	0.76	14.2	/	10.9	0.5	1.20	0.48	余	/
												5		0.03	0.46	0.65	11.5	/	10.3	0.9	0.44	0.61	余	/
PGUMCo-50		0.23	1.02	0.97	16.8	余	/	/	/	/	28.8														0.8

表2  实施例及对比例的抗高温压缩变形性能

表3  实施例及比例抗氧化和抗热腐蚀性能

Claims (1)

1、一种铬基高温合金，其特征在化学成分(重量％)为：

C0.01～0.50％、Si≤2.0％、Mn≤2.0％、W10.1～18.0％、Fe10.1～30.0％、Mo≤3.0％、Al≤2.0％、Ti≤1.5％，余为Cr。