CN117026084A - 一种耐热合金及其制备方法 - Google Patents

一种耐热合金及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117026084A
CN117026084A CN202311060407.9A CN202311060407A CN117026084A CN 117026084 A CN117026084 A CN 117026084A CN 202311060407 A CN202311060407 A CN 202311060407A CN 117026084 A CN117026084 A CN 117026084A
Authority
CN
China
Prior art keywords
percent
heat
resistant alloy
metal
alloy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311060407.9A
Other languages
English (en)
Inventor
王建涛
国新月
李尚平
骆合力
王兴雷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qingdao Npa Industry Co ltd
Original Assignee
Qingdao Npa Industry Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qingdao Npa Industry Co ltd filed Critical Qingdao Npa Industry Co ltd
Priority to CN202311060407.9A priority Critical patent/CN117026084A/zh
Publication of CN117026084A publication Critical patent/CN117026084A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C22C1/03—Making non-ferrous alloys by melting using master alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
    • C22C27/06—Alloys based on chromium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/04—Making ferrous alloys by melting
    • C22C33/06—Making ferrous alloys by melting using master alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/001—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing N
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/005—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing rare earths, i.e. Sc, Y, Lanthanides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/34—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with more than 1.5% by weight of silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/48—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with niobium or tantalum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/50—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with titanium or zirconium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/52—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with cobalt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/001—Austenite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/004—Dispersions; Precipitations
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

本发明涉及一种耐热合金及其制备方法，属于合金技术领域，解决现有耐热合金综合性能较差、生产成本较高的问题。一种耐热合金，化学成分按重量百分比计为：C：0.4～0.6％，Si：0.5～2％，Mn：1.0～4.0％，P：≤0.03％，S：≤0.01％，Cr：27～35％，Ni：18～30％，W：2～6％，Co：0.1～5％，Ti：0.01～0.1％，Zr：0.01～0.1％，Nb：0.1～0.5％，Al：≤0.1％，N：0.20～0.45％，La+Ce：0.02～0.15％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明的耐热合金具有良好的室温强度、塑性和高温持久性能，综合性能优异，生产成本低。

Description

一种耐热合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金技术领域，尤其涉及一种耐热合金及其制备方法。
背景技术
耐热合金是指在高温下具有高的抗氧化性、抗蠕变性与持久强度的合金，广泛应用在航空航天、石油化工、冶金、玻璃建材等行业，用于制造在高温下工作的重要零部件，市场用量巨大。为了达到一定的热强性和优异的抗氧化性能，耐热合金中普遍含有一定量Cr和相应的Ni，并且随着使用温度的升高，合金中Cr、Ni含量也相应增多。以ZG45Ni48Cr28W5Si2为例，其Cr、Ni含量已分别达到28％、48％左右，制造成本很高；以N代Ni是现有耐热合金低成本化的一个重要方向，然而，对于高Cr含量的耐热合金，N含量加入不足将会降低奥氏体的稳定性、甚至生成铁素体；N含量加入过多，则会大幅降低合金的塑性，达到3％以下，影响合金的焊接性和抗热冲击性能，现有的高Cr含量耐热合金，尚未在耐热合金低成本化和综合性能优异方面达到较好的平衡。
此外，现有的高Cr含量耐热合金，虽然能够满足高温零部件强度高、室温塑性好的要求，但是没有综合考虑高温零部件的高温持久性能，综合性能较差；针对耐热合金高温零部件的广泛需求，亟需开发一种新型耐热合金，在满足强度和室温塑性的基础上能够显著提高耐热合金的高温持久性能，同时生产成本较低；为了确保强度和室温塑性的同时显著提高耐热合金的高温持久性能，合理的成分、组织设计以及制备方法至关重要。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种耐热合金及其制备方法，用以解决现有高Cr含量耐热合金至少以下问题之一：1、现有高Cr、高N含量耐热合金无法同时具有良好的强度、室温韧性和高温持久性能，综合性能较差；2、现有高Cr、高Ni含量耐热合金生产成本高。
一方面，本发明提供了一种耐热合金，化学成分按重量百分比计为：C：0.4～0.6％，Si：0.5～2％，Mn：1.0～4.0％，P：≤0.03％，S：≤0.01％，Cr：27～35％，Ni：18～30％，W：2～6％，Co：0.1～5％，Ti：0.01～0.1％，Zr：0.01～0.1％，Nb：0.1～0.5％，Al：≤0.1％，N：0.20～0.45％，La+Ce：0.02～0.15％，余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，所述Cr和Ni的含量比值为0.9-1.95。
进一步地，化学成分按重量百分比计为：C：0.4～0.59％，Si：0.6～1.8％，Mn：1.75～3.35％，P：≤0.025％，S：≤0.0038％，Cr：27.3～34.8％，Ni：18.6～29.8％，W：2.2～4.6％，Co：0.5～4.6％，Ti：0.02～0.09％，Zr：0.03～0.08％，Nb：0.26～0.3％，Al：≤0.1％，N：0.22～0.43％，La+Ce：0.05～0.13％，余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，所述Cr和Ni的含量比值为0.93-1.55。
进一步地，所述耐热合金的微观组织包括奥氏体、碳化物和氮化物，碳化物的面积占比为0.5～10％。
另一方面，本发明还提供了一种耐热合金的制备方法，用于制备上述耐热合金，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按照耐热合金成分配比称取一定量的纯金属和/或合金；
S2：将纯金属和/或合金置于中频感应炉坩埚或中间包中，在中频感应炉中精炼，得到精炼钢水；
S3：将精炼钢水加热至1650-1730℃，精炼钢水导入钢包中，冷却至一定温度后，将精炼钢水浇入高速旋转的型筒中凝固成型，制得合金。
进一步地，步骤S1中，所述纯金属包括镍板、金属锰、金属钨、金属钴、金属铌、金属铝、金属铁和石墨；
所述合金包括碳化铬铁、氮化铬铁、硅铁、锰铁、钨铁、钛锆合金、镧铈稀土和废钢。
进一步地，步骤S2中，所述氮化铬铁分别置于中频感应炉坩埚和中间包中，其中氮化铬铁置于中间包的质量比≤30％。
进一步地，步骤S3中，所述精炼钢水的过热度为150-300℃。
进一步地，步骤S3中，所述冷却温度为1550-1650℃。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明的耐热合金，通过合理的合金成分设计，通过N、Ni元素形成稳定的奥氏体，优化Cr、Ni元素含量，调整固溶强化元素W、Co含量，添加C元素形成碳化物、添加Al、Ti、Nb、N元素形成碳化物、氮化物，进行第二相粒子强化，并添加适量的稀土元素净化晶界、提高合金的高温持久性能，较传统的ZG45Cr28Ni48W5Si2类牌号的耐热合金节约Ni元素含量35％以上，同时室温抗拉强度≥560MPa，室温屈服强度≥320MPa；高温持久寿命明显提高，在1100℃/25MPa下，持久寿命≥21h，并且具有良好的室温断后伸长率(≥7％)，综合性能优异，生产成本低。
2、本发明的耐热合金较传统的ZG45Cr28Ni48W5Si2类牌号的耐热合金节约Ni元素含量35％以上，成本降低，同时性能优于ZG45Cr28Ni48W5Si2类合金。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1a为本发明实施例1耐热合金200倍的显微组织；
图1b为本发明实施例1耐热合金500倍的显微组织；
图2a为本发明实施例2耐热合金200倍的显微组织；
图2b为本发明实施例2耐热合金500倍的显微组织；
图3a为本发明实施例3耐热合金200倍的显微组织；
图3b为本发明实施例3耐热合金500倍的显微组织；
图4a为本发明实施例4耐热合金200倍的显微组织；
图4b为本发明实施例4耐热合金500倍的显微组织；
图5a为本发明实施例5耐热合金200倍的显微组织；
图5b为本发明实施例5耐热合金500倍的显微组织；
图6a为本发明实施例6耐热合金200倍的显微组织；
图6b为本发明实施例6耐热合金500倍的显微组织；
图7为本发明对比例1耐热合金500倍的显微组织；
图8为本发明对比例2耐热合金500倍的显微组织；
图9a为本发明对比例3耐热合金200倍的显微组织；
图9b为本发明对比例3耐热合金500倍的显微组织；
图10a为本发明对比例4耐热合金200倍的显微组织；
图10b为本发明对比例4耐热合金500倍的显微组织。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供了一种耐热合金，其化学成分按重量百分比计为：C：0.4～0.6％，Si：0.5～2％，Mn：1.0～4.0％，P：≤0.03％，S：≤0.01％，Cr：27～35％，Ni：18～30％，W：2～6％，Co：0.1～5％，Ti：0.01～0.1％，Zr：0.01～0.1％，Nb：0.1～0.5％，Al：≤0.1％，N：0.20～0.45％，La+Ce：0.02～0.15％，余量为Fe及不可避免的杂质；Cr和Ni的含量比值Cr/Ni范围：0.9-1.95。
现有的高Cr含量耐热合金，虽然能够满足高温零部件强度高、室温塑性好的要求，但是没有考虑高温零部件的高温持久性能，综合性能较差，本发明的耐热合金，通过合理的合金成分设计，通过N、Ni元素形成稳定的奥氏体，优化Cr、Ni元素含量，调整固溶强化元素W、Co含量，添加C元素形成碳化物、添加Al、Ti、Nb、N元素形成碳化物、氮化物，进行第二相粒子强化，并添加适量的稀土元素净化晶界、提高合金的高温持久性能，较传统的ZG45Cr28Ni48W5Si2类牌号的耐热合金节约Ni元素含量35％以上，同时具有良好的室温强度、塑性和高温持久寿命，综合性能优异。
对本发明中耐热合金及其制备方法的合金成分限定理由进行说明，以下仅用％表示组成中的质量百分比：
C：重要的沉淀强化元素，可与Cr、Ti、Zr、Nb等元素形成碳化物，强化合金。但碳含量过高，可导致消耗固溶强化元素(如Cr、W)过多，降低晶界抗腐蚀能力，劣化焊接性能，且对持久蠕变性能产生负面影响；过低会造成强化不足，降低强度硬度，因此本发明中C的含量控制在0.4～0.6％；
Si：Si可提高耐热合金的抗氧化性能和铸造工艺性，但过多的Si会降低耐热合金的焊接性能和高温持久性能，因此本发明中Si的含量限定为0.5～2％；
Mn：奥氏体稳定元素，可提高合金的高温热强性能，但过多的Mn会降低耐热合金的焊接性能，因此本发明中Mn的含量限定为1.0～4.0％；
Cr：耐热合金中的关键元素，即可提高耐热合金的抗氧化性能，又可与碳结合形成碳化物强化合金；Cr含量低于27％，抗氧化性能会降低，超过35％，合金的塑性也会大幅降低，因此本发明中Cr的含量限定为27～35％；
Ni：奥氏体稳定元素，可显著提高耐热合金的高温热强性能，但Ni含量过高，会提高耐热合金的生产成本，因此本发明中Ni的含量限定为18～30％；
W：重要的固溶强化元素，可提高耐热合金的高温稳定性，但过高的W会明显降低合金的塑性，因此本发明中W的含量限定为2～6％；
Co：重要的强化元素，可降低合金的层错能，从而起到强化合金的作用；同时还可改善耐热合金的室温塑性，本发明中将Co的含量限定为0.1～5％；
Ti、Zr、Nb：Ti、Zr、Nb均是碳化物形成元素，少量添加可在应用过程中析出碳化物粒子，强化合金，保证合金具有优异的长期使用性能，本发明中将Ti、Zr、Nb的含量分别限定为Ti：0.01～0.1％，Zr：0.01～0.1％，Nb：0.1～0.5％；
N：奥氏体形成元素，其在钢中形成奥氏体的能力约为Ni的30倍，能够显著扩大奥氏体相区，提高合金的强度、耐腐蚀、耐磨损等性能，但过多的N会降低耐热合金的塑性，因此本发明中将N的含量限定为0.20～0.45％；
La+Ce：La和Ce可以净化钢液，改善碳化物的形貌，提高合金的高温力学性能、高温抗氧化性能，延长其使用寿命，但过多的La和Ce会降低耐热合金的和高温持久性能和熔点，因此本发明中将La+Ce的含量限定为0.02～0.15％；
Al：铝含量过多会影响奥氏体的高温稳定性，不利于合金高温持久性能，因此本发明中将Al的含量限定为≤0.1％；
P、S：磷、硫为杂质元素，降低耐热合金的韧性、高温持久强度，需要控制，因此，根据目前的冶炼工艺将P限定为≤0.03％、S限定为≤0.01％。
优选地，一种耐热合金，其化学成分按重量百分比计为：C：0.4～0.59％，Si：0.6～1.8％，Mn：1.75～3.35％，P：≤0.025％，S：≤0.0038％，Cr：27.3～34.8％，Ni：18.6～29.8％，W：2.2～4.6％，Co：0.5～4.6％，Ti：0.02～0.09％，Zr：0.03～0.08％，Nb：0.26～0.3％，Al：≤0.1％，N：0.22～0.43％，La+Ce：0.05～0.13％，余量为Fe及不可避免的杂质，Cr和Ni的含量比值Cr/Ni范围：0.93-1.55。
本发明还提供了一种耐热合金的制备方法，用于制备上述耐热合金，包括以下步骤：
S1：按照耐热合金成分配比称取一定量的纯金属和/或合金；
S2：将纯金属和/或合金置于中频感应炉坩埚或中间包中，在中频感应炉中精炼，得到精炼钢水；
S3：将精炼钢水加热至1650-1730℃，精炼钢水导入钢包中，冷却至一定温度后，将精炼钢水浇入高速旋转的型筒中凝固成型，制得合金。
其中，步骤S1中，所述纯金属包括镍板、金属锰、金属钨、金属钴、金属铌、金属铝、金属铁和石墨；所述合金包括碳化铬铁、氮化铬铁、硅铁、锰铁、钨铁、钛锆合金、镧铈稀土和废钢。
具体的，步骤S2中，将碳化铬铁、硅铁、锰铁(或金属锰)、镍板、钨铁或金属钨、金属钴、金属铌、废钢(或纯铁)、石墨等不活泼不易氧化的原料置于中频感应炉坩埚中；钛锆合金、金属铝、镧铈稀土活泼，容易氧化，置于中间包中，可以降低元素损耗，提高合金元素利用率；为了降低氮化铬铁的材料损耗，保证氮含量的稳定性，将氮化铬铁分别置于中频感应炉坩埚和中间包中，其中氮化铬铁合金锭置于中间包的质量比≤30％。
具体的，步骤S3中，将精炼钢水加热至1650-1730℃，精炼钢水导入钢包中，钢水的过热度为150-300℃；在该温度区间内，可保证后续所需的浇注温度，温度高于1730℃，影响中频感应炉炉衬的使用寿命，温度低于1650℃，则在精炼钢水转移至钢包中后，钢水的过热度不能满足要求。之后，待钢包中的钢水冷却至1550-1650℃之后，将精炼钢水浇入高速旋转的型筒中凝固成型，制得合金，温度高于1650℃，会影响型筒的使用寿命，温度低于1550℃，则不利于钢水中气体的排出，不利于获得合适的晶粒度和较好的持久性能。
需要说明的是，本发明的耐热合金的C、Si、Mn、Cr、Ni、W、Co、Nb等元素在中频感应炉坩埚中熔化，在钢包中与Al、La、Ce、Ti、Zr等元素熔合，在高速旋转的型筒中凝固，形成富含Ni、Fe、N的奥氏体；随着温度的降低，首先在奥氏体前沿析出富含Nb、Ti、Al的氮化物，最后析出富Cr的碳化物，最终形成包括奥氏体、碳化物和氮化物的微观组织。其中，碳化物的面积占比为0.5～10％；所述氮化物相为多种元素形成的复合物，所述多种元素包括N、Al、Nb、Ti等。
本发明通过合金成分设计得到一种耐热合金，通过N、Ni元素形成稳定的奥氏体，优化Cr、Ni元素含量，调整固溶强化元素W、Co含量，添加C元素形成碳化物、添加Al、Ti、Nb、N元素形成碳化物、氮化物，进行第二相粒子强化，并添加适量的稀土元素净化晶界、提高合金的高温持久性能，较传统的ZG45Cr28Ni48W5Si2类牌号的耐热合金节约Ni元素含量35％以上，同时室温抗拉强度≥560MPa，室温屈服强度≥320MPa；高温持久寿命明显提高，在1100℃/25MPa下，持久寿命≥21h，并且具有良好的室温断后伸长率(≥7％)，综合性能优异。
实施例1
本实施例的耐热合金，其化学成分按重量百分比计为：C：0.45％，Si：1.5％，Mn：1.75％，P：0.022％，S：0.0024％，Cr：27.3％，Ni：20.6％，W：4.6％，Co：0.5％，Ti：0.02％，Zr：0.03％，Nb：0.30％，Al：0.010％，N：0.22％，La：0.020％，Ce：0.11％，余量为Fe及不可避免的杂质。制备方法包括以下步骤：
S1：按照上述成分，准备好碳化铬铁、氮化铬铁、硅铁、金属锰、镍板、金属钨、金属钴、钛锆合金、金属铌、金属铝、镧铈稀土、废钢、石墨等原料。
S2：将上述碳化铬铁、硅铁、金属锰、镍板、金属钨、金属钴、金属铌、废钢、石墨置于中频感应炉坩埚中；钛锆合金、金属铝、镧铈稀土置于中间包中；将氮化铬铁分别置于中频感应感应炉坩埚和中间包中，其中氮化铬铁置于中间包的质量比为10％；在中频感应炉中精炼完成后，得到精炼钢水；
S3：将精炼钢水加热至1650℃，精炼钢水导入钢包中，冷却至1550℃时，将精炼钢水浇入高速旋转的型筒中凝固成型，制得合金。
实施例2
本实施例的耐热合金，其化学成分按重量百分比计为：C：0.40％，Si：1.0％，Mn：2.25％，P：0.021％，S：0.0022％，Cr：28.9％，Ni：18.6％，W：3.2％，Co：2.1％，Ti：0.06％，Zr：0.05％，Nb：0.18％，Al：0.015％，N：0.28％，La：0.040％，Ce：0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质。制备方法包括以下步骤：
S1：按照上述成分，准备好碳化铬铁、氮化铬铁、硅铁、锰铁、镍板、金属钨、金属钴、钛锆合金、金属铌、金属铝、镧铈稀土、废钢、石墨等原料。
S2：将上述碳化铬铁、硅铁、锰铁、镍板、金属钨、金属钴、金属铌、废钢、石墨置于中频感应炉坩埚中；钛锆合金、金属铝、镧铈稀土置于中间包中；将氮化铬铁分别置于中频感应感应炉坩埚和中间包中，其中氮化铬铁置于中间包的质量比为20％；在中频感应炉中精炼完成后，得到精炼钢水；
S3：将精炼钢水加热至1670℃，精炼钢水导入钢包中，冷却至1610℃时，将精炼钢水浇入高速旋转的型筒中凝固成型，制得合金。
实施例3
本实施例的耐热合金，其化学成分按重量百分比计为：C：0.49％，Si：0.6％，Mn：2.85％，P：0.022％，S：0.0026％，Cr：30.4％，Ni：23.5％，W：2.2％，Co：3.4％，Ti：0.09％，Zr：0.08％，Nb：0.26％，Al：0.011％，N：0.36％，La：0.07％，Ce：0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质。制备方法包括以下步骤：
S1：按照上述成分，准备好碳化铬铁、氮化铬铁、硅铁、金属锰、镍板、钨铁、金属钴、钛锆合金、金属铌、金属铝、镧铈稀土、废钢、石墨等原料。
S2：将上述碳化铬铁、硅铁、金属锰、镍板、钨铁、金属钴、金属铌、废钢、石墨置于中频感应炉坩埚中；钛锆合金、金属铝、镧铈稀土置于中间包中；将氮化铬铁分别置于中频感应感应炉坩埚和中间包中，其中氮化铬铁置于中间包的质量比为30％；在中频感应炉中精炼完成后，得到精炼钢水；
S3：将精炼钢水加热至1680℃，精炼钢水导入钢包中，冷却至1600℃时，将精炼钢水浇入高速旋转的型筒中凝固成型，制得合金。
实施例4
本实施例的耐热合金，其化学成分按重量百分比计为：C：0.56％，Si：1.8％，Mn：3.35％，P：0.021％，S：0.0023％，Cr：33.2％，Ni：26.5％，W：2.3％，Co：4.6％，Ti：0.03％，Zr：0.06％，Nb：0.27％，Al：0.008％，N：0.43％，La：0.03％，Ce：0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。制备方法包括以下步骤：
S1：按照上述成分，准备好碳化铬铁、氮化铬铁、硅铁、锰铁、镍板、钨铁、金属钴、钛锆合金、金属铌、金属铝、镧铈稀土、废钢、石墨等原料。
S2：将上述碳化铬铁、硅铁、锰铁、镍板、钨铁、金属钴、金属铌、废钢、石墨置于中频感应炉坩埚中；钛锆合金、金属铝、镧铈稀土置于中间包中；将氮化铬铁分别置于中频感应感应炉坩埚和中间包中，其中氮化铬铁置于中间包的质量比为10％；在中频感应炉中精炼完成后，得到精炼钢水；
S3：将精炼钢水加热至1690℃，精炼钢水导入钢包中，冷却至1610℃时，将精炼钢水浇入高速旋转的型筒中凝固成型，制得合金。
实施例5
本实施例的耐热合金，其化学成分按重量百分比计为：C：0.59％，Si：1.3％，Mn：3.8％，P：0.025％，S：0.0038％，Cr：34.8％，Ni：29.8％，W：3.6％，Co：4.1％，Ti：0.04％，Zr：0.05％，Nb：0.28％，Al：0.0010％，N：0.28％，La：0.02％，Ce：0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质。制备方法包括以下步骤：
S1：按照上述成分，准备好碳化铬铁、氮化铬铁、硅铁、锰铁、镍板、金属钨、金属钴、钛锆合金、金属铌、金属铝、镧铈稀土、废钢、石墨等原料。
S2：将上述碳化铬铁、硅铁、锰铁、镍板、金属钨、金属钴、金属铌、废钢、石墨置于中频感应炉坩埚中；钛锆合金、金属铝、镧铈稀土置于中间包中；将氮化铬铁分别置于中频感应感应炉坩埚和中间包中，其中氮化铬铁置于中间包的质量比为20％；在中频感应炉中精炼完成后，得到精炼钢水；
S3：将精炼钢水加热至1710℃，精炼钢水导入钢包中，冷却至1630℃时，将精炼钢水浇入高速旋转的型筒中凝固成型，制得合金。
实施例6
本实施例的耐热合金，其化学成分按重量百分比计为：C：0.50％，Si：1.5％，Mn：1.8％，P：0.023％，S：0.0018％，Cr：27.8％，Ni：29.8％，W：3.3％，Co：3.1％，Ti：0.05％，Zr：0.03％，Nb：0.29％，Al：0.0012％，N：0.29％，La：0.03％，Ce：0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。制备方法包括以下步骤：
S1：按照上述成分，准备好碳化铬铁、氮化铬铁、硅铁、锰铁、镍板、金属钨、金属钴、钛锆合金、金属铌、金属铝、镧铈稀土、废钢、石墨等原料。
S2：将上述碳化铬铁、硅铁、锰铁、镍板、金属钨、金属钴、金属铌、废钢、石墨置于中频感应炉坩埚中；钛锆合金、金属铝、镧铈稀土置于中间包中；将氮化铬铁分别置于中频感应感应炉坩埚和中间包中，其中氮化铬铁置于中间包的质量比为10％；在中频感应炉中精炼完成后，得到精炼钢水；
S3：将精炼钢水加热至1730℃，保温，精炼钢水导入钢包中，冷却至1650℃时，将精炼钢水浇入高速旋转的型筒中凝固成型，制得合金。
对比例1
本对比例的耐热合金，其化学成分按重量百分比计为：C：0.45％，Si：1.5％，Mn：1.75％，P：0.022％，S：0.0024％，Cr：27.3％，Ni：48.5％，W：4.6％，余量为Fe及不可避免的杂质。制备方法包括以下步骤：
S1：按照上述成分，准备好碳化铬铁、硅铁、金属锰、镍板、金属钨、废钢、石墨等原料。
S2：将上述碳化铬铁、硅铁、金属锰、镍板、金属钨、废钢、石墨等原料全部置于中频感应炉坩埚中；在中频感应炉中精炼完成后，得到精炼钢水；
S3：将精炼钢水加热至1650℃，精炼钢水导入钢包中，冷却至1590℃时，将精炼钢水浇入高速旋转的型筒中凝固成型，制得合金。
对比例2
本对比例的耐热合金，其化学成分按重量百分比计为：C：0.45％，Si：1.5％，Mn：1.75％，P：0.025％，S：0.0035％，Cr：27.3％，Ni：20.6％，W：4.6％，N：0.30％，La：0.01％，Ce：0.06％，余量为Fe及不可避免的杂质。制备方法包括以下步骤：
S1：按照上述成分，准备好碳化铬铁、氮化铬铁、硅铁、锰铁、镍板、金属钨、金属钴、钛锆合金、金属铌、金属铝、镧铈稀土、废钢、石墨等原料。
S2：将上述碳化铬铁、硅铁、锰铁、镍板、金属钨、金属钴、金属铌、废钢、石墨置于中频感应炉坩埚中；钛锆合金、金属铝、镧铈稀土置于中间包中；将氮化铬铁分别置于中频感应感应炉坩埚和中间包中，其中氮化铬铁置于中间包的质量比为10％；在中频感应炉中精炼完成后，得到精炼钢水；
S3：将精炼钢水加热至1690℃，精炼钢水导入钢包中，冷却至1610℃时，将精炼钢水浇入高速旋转的型筒中凝固成型，制得合金。
对比例3
本对比例的耐热合金，其化学成分按重量百分比计为：C：0.45％，Si：0.8％，Mn：1.3％，P：0.022％，S：0.0021％，Cr：35.1％，Ni：16.5％，W：3.7％，Co：2.6％，Ti：0.04％，Zr：0.03％，Nb：0.24％，Al：0.008％，N：0.27％，La：0.03％，Ce：0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质。制备方法包括以下步骤：
S1：按照上述成分，准备好碳化铬铁、氮化铬铁、硅铁、金属锰、镍板、金属钨、金属钴、钛锆合金、金属铌、金属铝、镧铈稀土、废钢、石墨等原料。
S2：将上述碳化铬铁、硅铁、金属锰、镍板、金属钨、金属钴、金属铌、废钢、石墨置于中频感应炉坩埚中；钛锆合金、金属铝、镧铈稀土置于中间包中；将氮化铬铁分别置于中频感应感应炉坩埚和中间包中，其中氮化铬铁置于中间包的质量比为10％；在中频感应炉中精炼完成后，得到精炼钢水；
S3：将精炼钢水加热至1690℃，精炼钢水导入钢包中，冷却至1610℃时，将精炼钢水浇入高速旋转的型筒中凝固成型，制得合金。
对比例4
本对比例的耐热合金，其化学成分按重量百分比计为：C：0.37％，Si：1.5％，Mn：2.35％，P：0.022％，S：0.0023％，Cr：30.2％，Ni：23.5％，W：2.8％，Co：3.6％，Ti：0.04％，Zr：0.03％，Nb：0.23％，Al：0.009％，N：0.33％，La：0.04％，Ce：0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质。制备方法包括以下步骤：
S1：按照上述成分，准备好碳化铬铁、氮化铬铁、硅铁、锰铁、镍板、金属钨、金属钴、钛锆、金属铌、金属铝、镧铈稀土、纯铁、石墨等原料。
S2：将上述碳化铬铁、硅铁、锰铁、镍板、金属钨、金属钴、金属铌、纯铁、石墨置于中频感应炉坩埚中；钛锆合金、金属铝、镧铈稀土置于中间包中；将氮化铬铁分别置于中频感应感应炉坩埚和中间包中，其中氮化铬铁置于中间包的质量比为20％；在中频感应炉中精炼完成后，得到精炼钢水；
S3：将精炼钢水加热至1690℃，精炼钢水导入钢包中，冷却至1610℃时，将精炼钢水浇入高速旋转的型筒中凝固成型，制得合金。
对比例5
本对比例的耐热合金，其化学成分按重量百分比计为：C：0.45％，Si：1.5％，Mn：1.75％，P：0.022％，S：0.0024％，Cr：27.3％，Ni：20.6％，W：4.6％，Co：0.5％，Ti：0.02％，Zr：0.03％，Nb：0.30％，Al：0.010％，N：0.22％，La：0.020％，Ce：0.11％，余量为Fe及不可避免的杂质。制备方法包括以下步骤：
S1：按照上述成分，准备好碳化铬铁、氮化铬铁、硅铁、金属锰、镍板、金属钨、金属钴、钛锆合金、金属铌、金属铝、镧铈稀土、废钢、石墨等原料。
S2：将上述碳化铬铁、硅铁、金属锰、镍板、金属钨、金属钴、金属铌、废钢、石墨置于中频感应炉坩埚中；钛锆合金、金属铝、镧铈稀土置于中间包中；将氮化铬铁分别置于中频感应感应炉坩埚和中间包中，其中氮化铬铁置于中间包的质量比为40％；在中频感应炉中精炼完成后，得到精炼钢水；
S3：将精炼钢水调整至1610℃，保温，精炼钢水导入钢包中，冷却至1510℃时，将精炼钢水浇入高速旋转的型筒中凝固成型，制得合金。
表1实施例和对比例钢化学成分(wt，％)
将实施例1-6和对比例1-5浇注成离心铸管，然后从铸管上切取管段后加工成标准试样，分别按照GB/T 228.1-2021、GB/T 2039-2012标准进行常温拉伸性能和高温持久性能测试。测试结果如表2所示。
表2实施例及对比例中材料的力学性能对比
通过与对比例1对比可以看出，对比例1的Ni含量较高，不含Ti、Zr、Nb、Al、N、La、Ce、Co元素，不符合本发明要求。本发明的耐热合金，通过降低Ni含量、增加C含量，添加适量的Co，性价比得到显著提升：从实施例1到实施例6可以看出，Ni含量较对比例1降低35％以上，但室温屈服强度提高了15％以上，断后伸长率分布在7％～18.5％之间，与对比例1相当；同时1100℃/25MPa的持久寿命均高于对比例1。
通过与对比例2对比可以看出，对比例2不含Co、Ti、Zr、Nb、Al、N元素，不符合本发明要求。本发明的耐热合金，通过添加适量的Co，大幅改善了合金的断后伸长率。与对比例2相比，实施例1添加0.5％的Co，室温断后伸长率提高到了7％；实施例2到实施例6，添加了2～5％的Co，室温断后伸长率最高达到了18.5％。
通过与对比例3对比可以看出，对比例3的Cr含量较高，不满足本发明要求。本发明的耐热合金，通过优化了Cr、Ni的含量配比，使Cr/Ni比值介于[0.9,1.95]之间，将Cr含量控制在35％以内，Ni含量控制在18％以上，大幅改善了合金的断后伸长率。从对比例3可以看出，当Cr含量达到35.1％，Ni含量达到16.5％时，Cr/Ni比值为2.12，不符合本发明要求，合金的断后伸长率只有1％。
通过与对比例4对比可以看出，本发明的耐热合金，通过优化了Cr元素含量，将合金的1100℃/25MPa持久寿命保持在20小时以上。从对比例4可以看出，当C含量为0.37％时，合金的1100℃/25MPa持久寿命只有16小时。
通过与对比例5对比可以看出，对比例5的耐热合金虽然成分符合本发明要求，但是在制备过程中，氮化铬铁合金锭置于中间包的质量比为40％，不符合本发明要求，精炼钢水的加热及导入钢包后的冷却温度也不符合本发明要求，最终得到的耐热合金的1100℃/25MPa持久寿命明显低于实施例。
从表2中可以看出，本发明的耐热合金与对比例1(现有ZG45Cr28Ni48W5Si2类牌号的耐热合金)相比，生产成本显著降低。对比例2-对比例5虽然生产成本和本发明相当，但耐热合金的综合性能较差。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐热合金，其特征在于，化学成分按重量百分比计为：C：0.4～0.6％，Si：0.5～2％，Mn：1.0～4.0％，P：≤0.03％，S：≤0.01％，Cr：27～35％，Ni：18～30％，W：2～6％，Co：0.1～5％，Ti：0.01～0.1％，Zr：0.01～0.1％，Nb：0.1～0.5％，Al：≤0.1％，N：0.20～0.45％，La+Ce：0.02～0.15％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐热合金，其特征在于，所述Cr和Ni的含量比值为0.9-1.95。
3.根据权利要求1所述的耐热合金，其特征在于，化学成分按重量百分比计为：C：0.4～0.59％，Si：0.6～1.8％，Mn：1.75～3.35％，P：≤0.025％，S：≤0.0038％，Cr：27.3～34.8％，Ni：18.6～29.8％，W：2.2～4.6％，Co：0.5～4.6％，Ti：0.02～0.09％，Zr：0.03～0.08％，Nb：0.26～0.3％，Al：≤0.1％，N：0.22～0.43％，La+Ce：0.05～0.13％，余量为Fe及不可避免的杂质。
4.根据权利要求3所述的耐热合金，其特征在于，所述Cr和Ni的含量比值为0.93-1.55。
5.根据权利要求1所述的耐热合金，其特征在于，所述耐热合金的微观组织包括奥氏体、碳化物和氮化物，碳化物的面积占比为0.5～10％。
6.一种耐热合金的制备方法，用于制备权利要求1-5任一项所述耐热合金，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按照耐热合金成分配比称取一定量的纯金属和/或合金；
S2：将纯金属和/或合金置于中频感应炉坩埚或中间包中，在中频感应炉中精炼，得到精炼钢水；
S3：将精炼钢水加热至1650-1730℃，精炼钢水导入钢包中，冷却至一定温度后，将精炼钢水浇入高速旋转的型筒中凝固成型，制得合金。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述纯金属包括镍板、金属锰、金属钨、金属钴、金属铌、金属铝、金属铁和石墨；
所述合金包括碳化铬铁、氮化铬铁、硅铁、锰铁、钨铁、钛锆合金、镧铈稀土和废钢。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述氮化铬铁分别置于中频感应炉坩埚和中间包中，其中氮化铬铁置于中间包的质量比≤30％。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述精炼钢水的过热度为150-300℃。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述冷却温度为1550-1650℃。
CN202311060407.9A 2023-08-22 2023-08-22 一种耐热合金及其制备方法 Pending CN117026084A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311060407.9A CN117026084A (zh) 2023-08-22 2023-08-22 一种耐热合金及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311060407.9A CN117026084A (zh) 2023-08-22 2023-08-22 一种耐热合金及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117026084A true CN117026084A (zh) 2023-11-10

Family

ID=88627932

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311060407.9A Pending CN117026084A (zh) 2023-08-22 2023-08-22 一种耐热合金及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117026084A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108315599B (zh) 一种高钴镍基高温合金及其制备方法
CN105695884B (zh) 一种非晶/纳米晶基体高硬度耐磨耐蚀合金及其制备方法
CN103757516B (zh) 耐磨白口铸铁及其制备方法
CN102851575B (zh) 抗氧化性合金化灰口铸铁及其制备方法
CN104060157B (zh) 一种过共晶高铬白口铸铁及其制备方法
CN114231765B (zh) 一种高温合金棒材的制备方法与应用
CN109763066B (zh) 一种超高参数汽轮机关键热端部件用耐热钢
CN112853190B (zh) 一种高熵铸铁及其制备方法
CN109385573A (zh) 高速列车制动盘用合金铸钢材料及其制备方法
CN116590576A (zh) 一种铁镍基高温合金、超薄带箔材及制备方法
CN112877603A (zh) 一种焚烧炉炉排用合金材料及其制备方法
CN101333625B (zh) 耐高温、耐磨损的马氏体不锈钢及制造方法
CN109536664B (zh) 一种蠕状石墨铸铁涡旋盘及其生产工艺
CN114032440A (zh) 一种Laves相强化奥氏体耐热钢及其制备方法
CN101403073B (zh) 自生碳化物粒子强化铁素体耐热钢的制造方法
CN113462989A (zh) 矿山格子型球磨机用铌微合金化高锰钢衬板及制备方法
CN112813331A (zh) 一种钴铬铁镍锰共晶高熵铸铁、制备方法及用途
CN112626410A (zh) 一种高强韧高耐磨含硼白口铸铁
CN104611640A (zh) 一种高硼铁基耐冲刷腐蚀合金及其制备方法
CN109594007B (zh) 一种蠕状石墨铸铁及其制备工艺和应用
CN107267778B (zh) 一种炼镁还原罐及其制作方法
CN117026084A (zh) 一种耐热合金及其制备方法
CN109136770A (zh) 一种镁冶炼用高铬合金钢坩埚及其制备方法
CN111155030A (zh) 一种船用气阀钢及其制备工艺
CN1827826A (zh) 多元合金化超高锰锤头及其制备工艺

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination