CN117026015A - 一种耐高温的合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金技术领域，公开了一种耐高温的合金及其制备方法和应用。该合金，按照质量分数计，包括Al 3‑10％、W 12‑45％、Cr 24‑39％、Fe 5‑60％，且合金不包括Co。本发明的合金通过特定含量Al、W、Cr、Fe构成，使得本发明的合金且具有良好的耐高温、抗压性能，制造成本比含Co的合金低。
Description
技术领域
本发明属于合金技术领域，特别涉及一种耐高温的合金及其制备方法和应用。
背景技术
钢坯使用的加热炉内均设置有水冷梁，水冷梁上布置有耐热垫块，被加热的钢坯直接布置在耐热垫块上。耐热垫块是轧钢加热炉的关键部件，其长期处于高温、高负载以及腐蚀气氛的恶劣工况下，对耐热垫块的材质性能要求非常严格。通常加热炉内使用的垫块材料为钴基合金，中国发明专利CN201710427318.1公开了高温合金领域内的一种耐热垫块用高温合金及轧钢加热炉用耐热垫块，其合金元素包括Co、Cr、Ni等，延长了耐热垫块的使用寿命。中国发明专利CN201110141876.4公开了一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温钴基合金，其合金元素包括Co、Cr、Ni、Fe等，提高了钴基垫块的综合高温性能。中国发明专利CN202011402372.9公开了一种加热炉高温合金垫块，通过Ni、Cr、Co、Al等合金元素的组合作用，加强了合金产品的抗氧化能力。中国发明专利CN201210439963.2公开了一种步进式加热炉用SiC质垫块的制备方法，采用SiC粉、碳粉及添加剂高温烧结制成，导热系数小且抗热震性好。中国发明专利CN201210295475.9提出一种步进式加热炉用氧化锆质垫块的制备方法，采用ZrO2粉、三聚磷酸钠、阿拉伯树胶粉及添加剂高温烧结制成，用于改善被加热钢坯与垫块接触部位的“水冷瘢”问题与因垫块高温“压缩”变形而造成钢坯走偏问题。
随着国内钢铁行业的发展，连续式加热炉(特别是其中的步进式炉型)得到广泛使用，而步进式为主要炉型。因钢坯在步进式加热炉内的运动方式不同，炉内水梁垫块只承受压应力。传统的钴基耐热垫块一方面高温抗压性能不足，高温下损耗增加，降低生产效率且不利于钢坯质量；另一方面其原料成本较高，更换频率的增加又提高了生产成本。Co元素是一种战略金属元素，Co的储量及产量均不高，这也提高了垫块材料成本，也不利于大规模生产。
以上关键问题限制了钴基垫块其在步进式加热炉内的应用。且钴基垫块材料的高温抗压强度及抗氧化性也有待提高。
综上所述，传统垫块材料不能满足使用要求，因此，亟需探寻一种低成本、高抗压强度、良好热稳定性的垫块材料。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种耐高温的合金及其制备方法和应用。本发明所述合金不含Co，且具有良好的耐高温、抗压性能，制造成本比含Co的合金低。
本发明的第一方面提供一种耐高温的合金。
具体的，一种耐高温的合金，按照质量分数计，包括Al 3-10％、W 12-45％、Cr 24-39％、Fe 5-60％，且所述合金不包括Co。
本发明所述合金通过特定含量Al、W、Cr、Fe构成，使得本发明所述合金且具有良好的耐高温、抗压性能，制造成本比含Co的合金低。
优选的，所述合金，按照质量分数计，包括Al 4-8％、W 15-40％、Cr 26-37％、Fe15-55％，且所述合金不包括Co。
优选的，所述合金还含有不可避免的杂质。
优选的，所述杂质元素包括C、P、S中的至少一种。
优选的，所述杂质元素的含量，按质量分数计，C≤0.08％、P≤0.020％、S≤0.020％。
优选的，所述合金，按照质量分数计，由以下组分组成：Al 4-8％、W 15-40％、Cr26-37％、Fe 14-55％、C≤0.08％、P≤0.020％、S≤0.020％、Fe余量。
本发明的第二方面提供一种耐高温的合金的制备方法。
具体的，一种耐高温的合金的制备方法，包括以下步骤：
按比例称取Al、W、Cr、Fe，在保护气氛下进行熔炼，再浇注到锭模，冷却，制得所述合金。
优选的，所述Al、W、Cr、Fe的纯度均为99.9％(质量分数)以上。
优选的，所述保护气氛包括惰性气体，例如氩气。
优选的，所述熔炼是采用中频感应电炉进行加热。
优选的，所述锭模是采用熔模(硅溶胶)铸造工艺，依次进行注蜡、修蜡、涂挂、脱蜡和焙烧，得到锭模。
优选的，所述浇注到锭模时的成型温度为1600-1800℃。
优选的，所述熔炼的过程中，加入0.5-1％质量分数的硅-钙合金脱氧剂进行炉内脱氧。
优选的，加入硅-钙合金脱氧剂进行炉内脱氧时，采用钟罩法将硅-钙合金脱氧剂压入熔炼炉的底部，使炉内合金进行充分脱氧。
优选的，所述熔炼结束时，形成的钢水的温度为1850-1950℃，并将钢水静置，进行液面排渣，然后再进行浇注。
本发明的第三方面提供一种耐高温的合金的应用。
一种耐热垫块，包括上述耐高温的合金。
优选的，所述耐热垫块为高温加热炉耐热垫块。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明所述合金通过特定含量Al、W、Cr、Fe构成，使得本发明所述合金且具有良好的耐高温、抗压性能，制造成本比含Co的合金低。
(2)本发明通过在合金中添加W，起到了固溶强化的作用，使合金在超高温度下仍能保持高的强度水平。用其制作的高温加热炉耐热垫块的上表面损耗被抑制，延长了垫块的使用寿命，并且避免了凹坑内因堆积氧化皮而结瘤对铸坯产生影响，大大降低了钢坯出现缺陷的概率，提高了产品的质量。
(3)本发明的合金通过加入Cr、Al，能够改善氧化物的形貌、化学组成以及内氧化程度，使合金表面快速形成完整均匀、连续致密的Cr2O3和Al2O3膜，提高了氧化膜和基体的黏结力，进而提高了合金的高温抗氧化性能。
(4)本发明的合金可以避免因Co的资源限制，而导致高温加热炉耐热垫块无法正常加热工作的困局，保证了钢铁行业的正常运行和可持续发展。
(5)本发明的合金在满足了性能需求的前提下，原料成本较低，使大规模生产及垫块更换所需耗费降低。
附图说明
图1为本发明实施例1合金铸态表面形貌图；
图2为本发明实施例1合金的1200℃高温压缩真应力应变曲线。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
实施例1：合金的制备
一种耐高温的合金，按照质量分数计，由以下组分组成：Al 7％、W 26％、Cr 32％、余量Fe和不可避免的杂质，合金不包括Co。
一种耐高温的合金的制备方法，包括以下步骤：
按比例称取Al、W、Cr、Fe(Al、W、Cr、Fe的纯度均为99.9％(质量分数)以上)，在保护气氛氩气下进行熔炼，熔炼是采用中频感应电炉进行加热，再浇注到锭模，冷却，制得合金。
实施例2：合金的制备
一种耐高温的合金，按照质量分数计，由以下组分组成：Al 4％、W 28％、Cr 32％、余量Fe和不可避免的杂质，合金不包括Co。
一种耐高温的合金的制备方法，包括以下步骤：
按比例称取Al、W、Cr、Fe(Al、W、Cr、Fe的纯度均为99.9％(质量分数)以上)，在保护气氛氩气下进行熔炼，熔炼是采用中频感应电炉进行加热，再浇注到锭模，冷却，制得合金。
实施例3：合金的制备
一种耐高温的合金，按照质量分数计，由以下组分组成：Al 6％、W 30％、Cr 31％、余量Fe和不可避免的杂质，合金不包括Co。
一种耐高温的合金的制备方法，包括以下步骤：
按比例称取Al、W、Cr、Fe(Al、W、Cr、Fe的纯度均为99.9％(质量分数)以上)，在保护气氛氩气下进行熔炼，熔炼是采用中频感应电炉进行加热，再浇注到锭模，冷却，制得合金。
对比例1
一种合金，按质量分数计，其组成为C 0.2％、Mn 1.0％、Si 1.0％、P 0.010％、S0.010％、Cr 28.00％、Nb0.20％，其余为Co和不可避免的杂质(对比例1的合金中不含Al、W、Fe)。
一种合金的制备方法，包括以下步骤：
称取各组分，采用真空感应炉熔炼后浇注到锭模，冷却后得到母合金锭，然后将母合金锭放入真空感应炉进行快速重熔，浇注到型壳内，最终破真空取出试件，制得合金。
对比例2
一种耐高温的合金，按照质量分数计，由以下组分组成：C 0.30％、Si1.5％、Mn1.5％、Cr 31％、Ni 18％、W 3.5％、Mo 2％、Nb 1.5％、Ce 0.2％、Fe 10％，其余为Co和不避免的杂质(对比例2的合金中不含Al)。
一种耐高温的合金的制备方法，包括以下步骤：
将上述配比的合金材料采用真空感应炉熔炼母合金，再浇注到锭模，冷却后得到母合金锭，然后将母合金锭放入真空感应炉进行快速重熔，浇注到型壳内，制得合金。
对比例3
一种耐高温的合金，按照质量分数计，由以下组分组成：C 0.30％、Si 1.5％、Mn1.5％、Cr 31％、Ni 18％、Mo 2％、Nb1.5％、Ce 0.2％、Zr 0.1％、Fe 10％，其余为C和不可避免的杂质(对比例3的合金中不含Al、W)。
一种耐高温的合金的制备方法，包括以下步骤：
将上述配比的合金材料采用真空感应炉熔炼母合金，再浇注到锭模，冷却后得到母合金锭，然后将母合金锭放入真空感应炉进行快速重熔,浇注到型壳内，制得合金。
对比例4
与实施例1相比，对比例4的区别之处仅在于，对比例4的合金各元素的质量分数为Al7％、W 10％、Cr 40％，余量为Fe和不可避免的杂质(Cr的含量超出本发明请求保护的范围)。制备方法与实施例1相同。
对比例5
与实施例1相比，对比例5的区别之处仅在于，对比例5的合金各元素的质量分数为Al7％、Mo 10％、Cr 40％，余量为Fe和不可避免的杂质(Cr的含量超出本发明请求保护的范围)。制备方法与实施例1相同。
产品效果测试
取实施例1-3、对比例1-5的合金，在相同条件下测试其压缩强度和高温氧化增重(其中压缩强度参照GB/T 7314-2005测试，高温氧化增重参照GB/T 13303-1991测试)，结果如表1所示。
表1
依据本领域技术常识可知，合金的高温下的压缩强度越高，说明合金的高温抗压性能越好；高温下的氧化增重的数值越低，说明合金的高温抗氧化性能越好。由此可推得，在高温抗压性能和高温抗氧化性能上，本发明的合金明显优于钴基合金。
图1为本发明实施例1合金铸态表面形貌图；表明由两相组成，且相分离不明显。
图2为本发明实施例1合金的1200℃高温压缩真应力应变曲线(图2中的“TrurStress”表示真应力，“True Strain”表示真应变)，结合表1中压缩强度，本发明的合金的高温强度远超钴基合金的高温强度。
应用例
一种耐热垫块，由实施例1制备的合金构成。
Claims (10)
1.一种合金，其特征在于，按照质量分数计，包括Al 3-10％、W 12-45％、Cr 24-39％、Fe 5-60％，且所述合金不包括Co。
2.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金，按照质量分数计，包括Al 4-8％、W 15-40％、Cr 26-37％、Fe 15-55％，且所述合金不包括Co。
3.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金还含有不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金，按照质量分数计，由以下组分组成：Al 4-8％、W 15-40％、Cr 26-37％、Fe 14-55％、C≤0.08％、P≤0.020％、S≤0.020％、Fe余量。
5.权利要求1-4任一项所述的合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按比例称取Al、W、Cr、Fe，在保护气氛下进行熔炼，再浇注到锭模，冷却，制得所述合金。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述Al、W、Cr、Fe的纯度均为99.9％以上。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述保护气氛包括惰性气体，例如氩气。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼是采用中频感应电炉进行加热。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼的过程中，加入0.5-1％质量分数的硅-钙合金脱氧剂进行炉内脱氧。
10.一种耐热垫块，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的合金。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117026015B (zh) | 2024-02-13 |
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