CN1170768A - 一种加热炉用钴基合金 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钴基合金。主要适用于高温加热炉中的部件。其化学成分(重量%)为C≤0.25%≤,Si≤2.0%,Mn≤2.0%,Cr25.0～32.0%。Co40.0～55.0%,Nb0.2～2.0%,Y0.05～0.2%,Zr0.02～0.10%,B0.002～0.010%,余为Fe。本发明不仅具有较高的室温和高温强度,较高的持久寿命,而且还有优良的塑韧性、较高的抗氧化及抗热腐蚀性能,高温下使用寿命长。

Description

一种加热炉用钴基合金
本发明属于钴基合金领域。主要适用于高温加热炉中。
目前，工业发达国家的大、中型轧钢厂的钢坯加热炉均采用步进梁式加热炉，这种加热炉已成为大中型轧钢厂的主流加热设备。该炉炉内的工作温度一般高达1300～1450℃，固定在炉底支承梁上的耐热垫块或滑轨在超高温和氧化——硫化气氛及重载荷的恶劣工况条件下支承和传递钢坯，是加热炉的关键部件。
在现有技术中，有的采用Ni--Cr-Fe系耐热钢制作加热炉的耐热垫块或滑轨。但由于该系钢种高温强度较低，其耐热垫块或滑轨的极限高度仅为60～80mm，被加热钢坯往往产生较严重的“滑道黑印”，而黑印对于其后轧件的质量、生产效率及单位能耗均有极坯的影响。另外，使用寿命也较低。因此，目前国际上先进的这类加热炉的炉底垫块或滑轨均采用钴基合金或高钴合金制造。如国外的PGUMC0-50合金(《COBALT》1973.3，P60-66)，该合金Co含量达45.0-52.0％，性能尚能满足使用要求。其缺点是塑韧性、抗高温蠕变性能、抗高温氧化、抗热腐蚀性能等均较低，导致使用时垫块或滑轨高度损耗较大，有时甚至产生严重变形和开裂，大大降低了使用寿命。
本发明的目的在于提供一种钢坯加热炉用钴基合金，该合金不仅具有更高的高温强度和良好的塑韧性，而且还具有优良抗氧化、抗硫化和抗熔渣腐蚀性能，使用寿命长。
针对上述目的，本发明所设计的加热炉用钴基合金的化学成分(重量％)为：C≤0.25％，Si≤2.0％，Mn≤2.0％，Cr 25.0～32.0％，Co 40.0～55.0％，Nb 0.2～2.0％，Y 0.05～0.2％，Zr 0.02～0.10％，B 0.002～0.010％，余为Fe。
在上述化学成分中，Co是确保该合金在1000～1300℃温度范围内仍具有足够强度的关键元素。以Co为基使合金在高温区有相对平坦的持久强度与时间——温度参数曲线，这一特性对用于高温下低应力长寿命和静止部件有特殊价值。高Co还使合金具有极好的抗热腐蚀和抗热冲击性能。Co含量在40～55％之间较合适。
抗高温氧化性能差是钴合金的最大缺点，为获得较好的抗氧化性能，合金中需要加入25％-32％的Cr，超出此限值将损害合金的韧性和铸造性能。
C是形成碳化物强化相的基本元素，对于要求具有高蠕变强度的铸造合金，碳含量的控制至关重要。但是作为在超高温下使用的加热炉用合金，单从熔点方面考虑，过高的碳也是不适当的。
加入Si和Mn是为了增加合金的流动性，提高铸造性能，同时加强熔体的脱氧作用，Mn还是奥氏体稳定元素并有固S和促进形成尖晶石MnCr2O4氧化保护膜的作用。Si，Mn的添加量2％以下即可达到充分的效果。
添加少量Nb和微量Y，B，Zr能明显提高合金的耐热性能。微量B、Zr通过净化和强化晶界，提高合金的持久强度和持久塑性。适量的Y有助于稳定Cr2O3氧化物，改善氧化膜与基体的粘着性，减少CoCr2O4尖晶石和CoO氧化物的形成，降低合金的氧化速率，对提高合金的抗高温氧化，特别是抗高温动态氧化性能和抗热腐蚀性能有利。加入＜2％的Nb，能明显提高合金的强度而不致对熔点和抗氧化性产生有害影响，这种有益作用与微量Nb局部偏聚于合金的树枝晶间和晶界有关。
本发明生产方法，对于铸件来说，采用真空冶炼母合金和真空精密铸造铸件的双真空工艺生产铸件，较为合适。也可以冶炼后，浇注成铸坯，通过锻、轧生产成各种型材。
根据本发明所述的化学成分和生产方法所生产加热炉用钴基合金具有更高的高温强度和塑性；良好的高温抗氧化性能和抗热腐蚀性能：
1100℃σb≥75.0MPa，δ≥30％
1000℃，1000小时持久强度≥33.0MPa
在1250℃温度下抗动态循环氧化的失重≤4.0g/m2.h
在1100℃温度下抗动态循环氧化的失重≤0.95g/m2.h
在1000℃×100小时的热腐蚀失重≤4.5mg/cm2
1050℃温度下的加热—冷却循环不产生可见裂纹的次数N＞125次。
本发明加热炉用钴基合金适用于高温加热炉中的部件。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明不仅具有更高的强度，而且还有优良的塑韧性。如1000℃、20MPa下本发明的持久寿命为6980小时，而PGUMCo-50合金仅为1950小时，前者比后者寿命长三倍多。本发明室温和高温抗拉强度不仅略高于PGUMCo-50合金，而且塑性也高得多，并消除了马鞍形的低中温低塑性区。
(2)本合金抗冷热疲劳性能、抗氧化及抗热腐蚀性能优良。如在850℃、950℃、1050℃产生裂纹的加热—冷却循环次数N，本发明比PGUMCo-50合金分别高出1.5～3倍，1200℃温度下的抗动态循环氧化失重，本发明比后者降低22％，1000℃×100小时热腐蚀失重，本发明比后者降低41.8％。
实施例
根据本发明所设计的加热炉用钴基合金的化学成分和生产方法冶炼了5炉合金。首先采用真空应炉冶炼母合金，然后进行真空精密铸造，浇铸成铸件；5炉合金的具体化学成分如表1所示。对5炉合金制品进行取样，分别进行室温及高温拉伸试验、持久性能试验、抗热腐蚀试验、抗热疲劳性能试验和抗动态循环氧化性能试验。其试验结果分别列入表2、表3、表4、表5和表6。
为了对比，在冶炼本发明5炉合金的同时，采用相同工艺冶炼了一炉对比例PGUMCo-50合金，也浇铸成铸件。并取样进行了相应的试验，其化学成分及各项试验性能也分别列入上述相应的表中。
表1  实施例及对比例的化学成分(重量％)
炉号     C     Si     Mn   Cr     Nb     Co     Y     Zr     B   Fe
本发明   1   0.15     0.75     0.93   28.98     0.70     49.8   0.14   0.05   0.008   余
  2   0.18     0.80     0.91   28.03     0.50     48.1   0.15   0.07   0.007   余
  3   0.10     0.87     0.80   27.40     1.19     50.1   0.08   0.06   0.009   余
  4   0.21     0.64     0.59   31.05     0.92     43.9   0.12   0.08   0.006   余
  5   0.23     1.21     1.02   27.28     0.39     47.9   0.16   0.04   0.008   余
 PGUMCo-50   0.20     0.90     0.87   27.93     0.56     余   21.03
表2  实施例及对比例拉伸性能测试结果
试验温度 室    温     800℃     900℃     1000℃
       性能炉号   σbMPa     δ％     σbMPa   δ％   σbMPa     δ％   σbMPa   δ％
本发明   1   660     10.6     304   41.0     250     46.3   149   43.5
  2   692     11.0     310   42.0     252     47.4   150   41.7
  3   688     12.0     309   43.00     254     48.5   152   43.6
  4   693     13.0     307   46.25     255     49.2   154   44.3
  5   701     12.8     308   44.58     254     48.4   150   46.4
  PGUMCo-50   580     9.8     300   22.0     248     22.6   146   22.1
表3  实施例及对比例持久性能试验结果
试验温度℃ 试验应力MPa 持  久  寿  命(小时)
    本  发    明 PGUMCo-50
    1     2  3   4   5
 1000     50     200     209  217   223   205     60
 1000     40     410     481  432   502   450     140
 1000     30     1070     1531  1298   1702   1105     502
 1000     20     6980     8209  7176   8016   7410     1950
表4  实施例及对比例抗热腐蚀性能
  炉号     本  发    明 PGUMCo-50
    1     2     3     4     5
 1000℃×100hr失重mg/cm2 4.32 4.72 4.80 4.07 4.62 6.13
注：所述热腐蚀试验是采用加速氧化法，即将含有25％NaCl+75％Na2SO4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℃，试验时间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，以维持热腐蚀气氛。合金热腐蚀层的剥离是在2％KMnO4+30％NaOH+68％H2O的溶液中煮沸一小时，然后测量失重。
表5实施例及对比例抗热疲劳性能
(产生裂纹的加热—冷却循环次数N)
Figure A9710431800071
表6  实施例及对比例抗动态循环氧化性能(失重g/m2.h)
Figure A9710431800072
注：动态循环氧化试验是将试样放在坩埚中，试样随坩埚放进电阻炉内，自室温升温到试验温度，保温25小时，随炉冷至室温，连续循环四次，清除氧化物后测量试样失重。

Claims (2)

1、一种加热炉用钴基合金，其特征在于化学成分(重量％)为：C≤0.25％，Si≤2.0％，Mn≤2.0％，Cr 25.0～32.0％，Co 40.0～55.0％，Nb 0.2～2.0％，Y 0.05～0.2％，Zr 0.02～0.10％，B 0.002～0.010％，余为Fe。
2、一种权利要求1所述的钴基合金，其特征在于该合金用于高温加热炉中的部件。
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