CN1170770A - 一种加热炉用高温合金 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铬钴镍铁系高温合金领域。主要适用于高温加热炉。该合金的化学成分(重量%)为:C0.05～0.5%,Si0.2～2.0%,Mn0.2～2.0%,Cr25.0～32.0%。Ni15～25%,Co15～25%,W+Mo2.0～5.0%,Nb0.01～3.0%,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高温强度和优良的塑韧性,而且还具有良好的抗冷热疲劳性能、抗氧化性能和抗热腐蚀性能,使用寿命长。

Description

一种加热炉用高温合金
本发明属于铬钴基镍铁系高温合金领域。主要适用于高温加热炉中。
目前，步进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。该类炉内固定在炉底支承梁上的垫块或滑轨在超高温和氧化—硫化气氛及重载荷的工况条件下支承和传送钢坯，是加热炉的关键部件。因此，目前国际上对于这类加热炉的炉底垫块或滑轨普遍采用高钴的高温合金制造，如日本采用KHR--20CM(《耐热金属材料委员会研究报告》昭和49年7月，VOL15，NO2，P187～192)。该合金性能尚能满足使用要求。其缺点是抗高温蠕变性能、抗氧化抗热腐蚀性能及塑韧性均较低，导致使用时垫块或滑轨磨损严重，变形较大，明显降低了使用寿命。
本发明的目的在于提供一种加热炉用高温合金。该合金不仅显微组织稳定，而且高温强度高，塑韧性良好，并有优良的抗氧化、抗硫化性能，使用寿命长。
根据上述目的，本发明所设计的加热炉用高温合金的化学成分(重量％)为C0.05～0.5％，Si 0.2～2.0％，Mn 0.2～2.0％，Cr 25.0～32.0％，Ni 15～25％，Co 15～2 5％，W+Mo 2.0～5.0％，Nb 0.01～3.0％，Y 0.05～0.2％，Zr0.02～0.10％，B 0.002～0.010％，余为Fe。
在上述化学成分中，Co是确保合金在1200℃左右仍具有足够强度的关键元素，高钴还使合金具有良好的抗热冲击和抗热腐蚀性能。对于用于加热炉来说，Co含量在15～25％为宜，从成本考虑，过高的Co则不够经济。
W，Mo，Nb和Cr是合金最重要的强化元素，由于这些元素的综合固溶强化，特别是这些元素的碳化物引起的弥散强化使合金在超高温度下仍能保持高的强度水平。但过多的W特别是Mo对合金的抗氧化性和抗热腐蚀性明显有害，过量的Nb还可能使合金在高温时发生灾难性的破坏。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。
Ni和Fe是奥氏体稳定元素，加入10％以上的Ni还由于抑制σ相的析出而对改善合金的抗氧化性起有益的作用。但在铸造合金中，这些元素加入量过高将导致持久强度下降。
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作用的加热炉用合金，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。微量的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有利。
本发明生产方法，可以在冶炼之后，浇铸成锭，经锻、轧成型材；也可冶炼之后，直接浇铸成铸件使用，对于要求较高的铸件来说，可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。
根据本发明所述的化学成分和生产方法所生产的加热炉用高温合金，显微组织稳定，在高温下长期加热不析出有害相，而且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℃温度下σh≥80MPa，δ≥30％
1000℃，1000小时持久强度≥20MPa
在1200℃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≤1.2g/m2.h
1000℃×100小时的热腐蚀失重≤14.8mg/cm2.
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明具有更高的高温强度和优良的塑韧性。如在1000℃，20MPa下，本发明的持久寿命＞1206小时，而KHR-20CM仅为800小时。本发明的抗拉强度高于KHR-20CM，塑性也明显高于后者，而且没有KHR-20CM合金所存在的中低温低塑性区。
(2)本发明的抗冷热疲劳性能、抗氧化性能和抗热腐蚀性能优良。如在1200℃温度下的抗动态循环氧化失重，本发明比KHR-20CM合金低25.8％，1000℃×100小时热腐蚀失重，本发明比KHR-20CM合金降低近24％。
实施例
根据本发明所设计的加热炉用高温合金的化学成分和生产方法冶炼了5炉合金。5炉合金采用真空感应炉冶炼母合金和真空精密铸造的双真空工艺直接浇铸成铸件。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中。
为了对比，在冶炼本发明5炉合金的同时，也采用了相同工艺冶炼了一炉对比例KHR-20CM合金，并浇铸成铸件。取样进行了相应的试验，其化学成分和各项试验性能也分别列入上述相应的表中。
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   544     7.9     263   33.8     241     39.7   160   35.4
  2   540     7.2     281   30.2     245     38.0   164   32.6
  3   538     7.5     279   31.3     246     39.7   162   33.4
  4   547     7.8     271   33.2     248     38.3   165   33.7
5 529 8.2 269 34.6 239 40.5 162 34.1
  KHR-20CM   450     4.0     250   15.1     230     24.0   158   29.3
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
    本    发    明 KHR-20CM
    1     2     3     4     5
  800     68.6     697     681     690     695     689     300
  900     40   ＞275   ＞269   ＞275     269   ＞269     140
  1000     20   ＞1235   ＞1206   ＞1280   ＞1206   ＞1206     800
表4  实施例及对比例的抗热腐蚀性能
  炉号     本  发    明 KHR-20CM0
    1     2     3     4     5
 1000℃×100hr失重mg/cm2 14.23 14.58 14.37 14.02 14.51 18.06
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的浴液中煮沸一小时，然后测量失重。
表5  实施例及对比例的抗热疲劳性能
(产生裂纹的加热——冷却循环次数N)
表6  实施例及对比例抗动态循环氧化性能(失重g/m2.h)
Figure A9710431700071
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之后，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。
表1  实施例及对比例的化学成分(重量％)
炉号     C     Si   Mn   Cr      Ni      Co   W  Mo   Nb     Y   Zr   B Fe
本发明   1   0.28   1.06   1.14  25.80     18.10     18.92  3.35   3.0   0.15  0.05  0.008 余
  2   0.36   1.20   1.09  27.51     19.03     16.01  3.33   2.02   0.09  0.09  0.007 余
  3   0.33   1.04   0.83  30.10     22.12     20.12  4.01  0.70   1.26   0.19  0.05  0.004 余
  4   0.12   0.87   1.09  27.48     16.88     22.06  4.07  0.89   0.51   0.12  0.06  0.006 余
  5   0.08   1.07   1.68  28.31     21.34     18.95  3.21  1.53   2.86   0.11  0.07  0.005 余
KHR-20CM  0.34   0.85   0.84  29.81     20.56     19.78   3.50   /   2.24    /    /   / 余

Claims (2)

1、一种加热炉用高温合金，其特征在于化学成分(重量％)为：C0.05～0.5％，Si 0.2～2.0％，Mn 0.2～2.0％，Cr 25.0～32.0％，Ni 15～25％，Co 15～25％，W+Mo 2.0～5.0％，Nb 0.01～3.0％，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所述的高温合金，其特征在于该合金用于高温加热炉中的部件。
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