CN117286422A - 一种不锈钢合金及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及合金技术领域，尤其涉及一种不锈钢合金及其制备方法与应用。所述不锈钢合金的化学成分包括：C、Cr、W、Mo、V、Mn、Si、Al、Ni以及Fe；其中，以质量分数计，C的含量为≤0.10％，W的含量为0.5‑1.0％，Mo的含量为0.5‑1.0％，V的含量为0.5‑0.7％，Al的含量为0.8‑1.0％，Cr的含量为16.0‑18.0％，Mn的含量为≤1.00％，Si的含量为≤0.75％，Ni的含量为≤0.20％。本申请内容通过合理设计化学成分，延长了不锈钢合金在高温环境、腐蚀介质下的使用寿命。

Description

一种不锈钢合金及其制备方法与应用
技术领域
本申请涉及合金技术领域，尤其涉及一种不锈钢合金及其制备方法与应用。
背景技术
高炉是钢铁生产中重要的工序，是获得炼钢生铁的重要流程。而炼铁原料是通过高炉炉顶装料系统进入炉内，目前炉顶装料系统主要是采用无料钟炉顶的形式。而作为无料钟炉顶的重要部件，高炉布料溜槽在炉顶齿轮箱的驱动下，可以实现精确的倾动和旋转运行，以满足炼铁工艺对于螺旋、多环、单环、扇形和定点布料的需求，确保高炉布料按既定的布料制度执行。
然而，目前大部分钢厂高炉炉顶布料溜槽动臂支撑轴用合金需要具有较高的抗拉强度、良好的塑性和韧性以及优良的工艺性能，工业上常用来制造受载荷极大的齿轮、后轴、连杆等零件。然而，布料溜槽需承受炉料的冲刷和磨损以及炉内高温煤气流的冲刷和腐蚀，所以布料溜槽最终会因烧损变形折断而失效。现有合金材料不能够满足其长期使用的需求，有必要开发一种低膨胀系数、抗高温腐蚀，抗热疲劳的新型不锈钢合金。
发明内容
本申请提供了一种不锈钢合金及其制备方法与应用，以解决现有高炉炉顶布料溜槽动臂用合金的使用寿命较低的技术问题。
第一方面，本申请提供了一种不锈钢合金，所述不锈钢合金的化学成分包括：C、Cr、W、Mo、V、Mn、Si、Al、Ni以及Fe；其中，以质量分数计，
C的含量为≤0.10％，W的含量为0.5-1.0％，Mo的含量为0.5-1.0％，V的含量为0.5-0.7％，Al的含量为0.8-1.0％。
可选的，所述不锈钢合金的化学成分中，以质量分数计，所述C的含量为0.09-0.10％，所述W的含量为0.5-0.63％，所述Mo的含量为0.55-0.6％，所述V的含量为0.5-0.6％，所述Al的含量为0.8-0.9％。
可选的，所述不锈钢合金的化学成分中，以质量分数计，所述Cr的含量为16.0-18.0％，所述Mn的含量为≤1.00％，所述Si的含量为≤0.75％，所述Ni的含量为≤0.20％。
第二方面，本申请提供了第一方面任一项实施例所述的不锈钢合金在制备高炉炉顶布料槽动臂中的应用。
第三方面，本申请提供了一种不锈钢合金的制备方法，用于制备第一方面任一项实施例所述的不锈钢合金，所述方法包括：
对原材料进行冶炼，并控制炉渣的化学成分，后进行浇注，得到合金棒；
对所述合金棒进行提纯，并控制精炼渣的化学成分，得到合金锭；
对所述合金锭进行加热，后进行轧制和轧后热处理，得到不锈钢合金。
可选的，所述炉渣的化学成分包括：
CaF2、Al2O3以及CaO；所述CaF2、所述Al2O3以及所述CaO的配比为20-30:20-30:45-65。
可选的，所述精炼渣的化学成分包括：
Al2O3和CaF2；所述Al2O3和所述CaF2的配比为20-30：70-80。
可选的，所述加热的工艺参数包括：加热温度和加热时间；其中，所述加热温度为1100-1200℃，所述加热时间为90-400min。
可选的，所述轧制的开轧温度为1150-1190℃。
可选的，所述热处理的工艺参数包括：热处理温度和热处理时间；其中，所述热处理温度为950-1050℃，所述热处理时间为2-4h。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本申请实施例提供的该不锈钢合金，合理设计化学成分，C使得碳化物不偏聚，保持弥散状态，有利于抑制合金元素向碳化物扩散；W显著提高低合金耐热钢的持久强度和蠕变极限的合金元素；Mo是难熔合金元素，能抑制铁的自扩散和其他元素的扩散速度，Mo对α固溶体热强性能产生有益的影响；在钢中能够形成细小均匀，高度分散的碳化物和氮化物微粒，可以阻碍碳化物的聚集长大以及减小Cr、Mo等元素在固溶体里贫化的趋势，从而使钢的组织稳定性和抗蠕变能力提高；钢中加入Al能显著提高钢的抗氧化性能，Al使钢的晶粒细化，但是它促使碳化物球化和石墨化，再结合Cr、Mn、Si以及Ni化学成分，延长了不锈钢合金在高温环境、腐蚀介质下的使用寿命。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种不锈钢合金的制备方法的流程示意图；
图2为本申请提供的一种不锈钢合金35CrMo不锈钢合金的高温腐蚀效果图；
图3为本申请实施例1提供的一种不锈钢合金的高温腐蚀效果图；
图4为本申请实施例1提供的一种35CrMo合金与实施例1合金的热膨胀系数对比图；
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的各种实施例可以以一个范围的形式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本申请范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所述范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。
在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”具体为附图中的图面方向。另外，在本申请说明书的描述中，术语“包括”“包含”等是指“包括但不限于”。在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。在本文中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。在本文中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一种”、“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。
除非另有特别说明，本申请中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
第一方面，本申请提供了一种不锈钢合金，所述不锈钢合金的化学成分包括：C、Cr、W、Mo、V、Mn、Si、Al、Ni以及Fe；其中，以质量分数计，
C的含量为≤0.10％，W的含量为0.5-1.0％，Mo的含量为0.5-1.0％，V的含量为0.5-0.7％，Al的含量为0.8-1.0％。
在一些实施方式中，所述不锈钢合金的化学成分中，以质量分数计，所述C的含量为0.09-0.10％，所述W的含量为0.5-0.63％，所述Mo的含量为0.55-0.6％，所述V的含量为0.5-0.6％，所述Al的含量为0.8-0.9％。
在本申请实施例中，控制C的含量为≤0.10％的积极效果：碳化物不偏聚，保持弥散状态，有利于抑制合金元素向碳化物扩散。含碳高的钢，在高温长期应力作用下出现碳化物相显著积聚现象，而含碳低的钢在同样条件下碳化物相仍保持细的弥散状态。为降低固溶体中合金元素向碳化物扩散，需适量降低耐热钢中C含量。具体地，该C的含量可以为0.10％、0.09％、0.08％等。
控制W的含量为0.5-1.0％的积极效果：W能够显著提高低合金耐热钢的持久强度和蠕变极限的合金元素。W提高耐热钢热强性的主要原因是能显著强化α固溶体，能抑制珠光体转变，易形成贝低体组织，有益于热强性提高。若该W的含量过高，在一定程度上加速热处理时高温析出相的粗化.；若该W的含量过低，在一定程度上不利于耐热钢持久强度和蠕变性能。具体地，该W的含量可以为0.5％、0.7％、1.0％等。
控制Mo的含量为0.5-1.0％的积极效果：钼不是强碳化物形成元素，在钢中提高热强性的主要原因是强化α固溶体。钼是难熔合金元素，能抑制铁的自扩散和其他元素的扩散速度，Mo对α固溶体热强性能产生有益的影响。若该Mo的含量过高，在一定程度上会促进钢中金属间相，比如σ相，κ相，和Laves相等的沉淀，对钢的耐蚀性和力学性能都会产生不利影响，特别是导致塑性，韧性下降.；若该Mo的含量过低，在一定程度上不利于耐热钢热强性提升。具体地，该Mo的含量可以为0.5％、0.7％、0.9％、1.0％等。
控制V的含量为0.5-0.7％的积极效果：在钢中能够形成细小均匀，高度分散的碳化物和氮化物微粒，可以阻碍碳化物的聚集长大以及减小铬、钼等元素在固溶体里贫化的趋势，从而使钢的组织稳定性和抗蠕变能力提高。若该V的含量过高，在一定程度上不利于细化钢中组织和晶粒，降低钢的硬度、强度、延展性和耐磨性；若该V的含量过低，在一定程度上会造成钢的硬度低、强度差、延展性和耐磨性能不佳。具体地，该V的含量可以为0.5％、0.6％、0.7％等。
控制Al的含量为0.8-1.0％的积极效果：钢中加入Al能显著提高钢的抗氧化性能，Al使钢的晶粒细化，但是它促使碳化物球化和石墨化。Al对热强性的影响还取决于Al在钢中含量和钢的化学成分。加入一定量的Al来提升材料的抗氧化性。若该Al的含量过高，在一定程度上会促使碳化物球化和石墨化，降低钢的抗氧化性；若该Al的含量过低，在一定程度上会不利于钢的晶粒细化。具体地，该Al的含量可以为0.8％、0.9％、1.0％等。
优选地，上述C的含量为0.09-0.10％，上述W的含量为0.5-0.63％，上述Mo的含量为0.55-0.6％，上述V的含量为0.5-0.6％，上述Al的含量为0.8-0.9％。
在一些实施方式中，所述不锈钢合金的化学成分中，以质量分数计，所述Cr的含量为16.0-18.0％，所述Mn的含量为≤1.00％，所述Si的含量为≤0.75％，所述Ni的含量为≤0.20％。
在一些实施方式中，所述不锈钢合金的化学成分中，以质量分数计，所述Cr的含量为16.0-18.0％，所述Mn的含量为≤0.50％，所述Si的含量为≤0.5％，所述Ni的含量为≤0.10％。
控制Cr的含量为10.0-20.0％的积极效果：在耐热钢中加入Cr主要是用来提高钢的的抗氧化性能和耐腐蚀性能，另外Cr在一定含量范围内还能提高钢的持久强度和蠕变极限。Cr对低合金耐热钢热强性的良好影响，在于它能强化α固溶体，改变碳化物析出形状和类型。当钢中加入5％Cr时使钢的抗氧化温度提高到600℃，加入13％-15％Cr时提高到900℃，加入Cr>20％时可提高到1000-1100℃。具体地，该Cr的含量可以为16％、17％、18％等。
控制Mn的含量为≤1.00％的积极效果：提高钢的强度和硬度，改善钢的热加工性能。具体地，该Mn的含量可以为0.80％、0.90％、0.95％等。
控制Si的含量为≤0.75％的积极效果：提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度。具体地，该Si的含量可以为0.75％、0.7％、0.65％等。
控制Ni的含量为≤0.20％的积极效果：提高钢对酸碱的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热的能力。具体地，该Ni的含量可以为0.20％、0.15％、0.10％等。
第二方面，本申请提供了第一方面任一项实施例所述的不锈钢合金在制备高炉炉顶布料槽动臂中的应用。
高炉炉顶布料槽动臂材料应能够满足以下服役条件：
温度动态变化，温度波动使服役环境复杂。安全服役温度区间600℃以下，仍然是最主要的，时长占比46.88％；次安全服役温度区间600-800℃，占比35.68％；其中600-700℃占比21.02％；危险服役温度区间800℃以上，占比17.44％。因此，动臂材料的高温力学性能必须达到设计标准。利用本申请的不锈钢合金在制备高炉炉顶布料槽动臂，延长了其在高温下的使用寿命。
第三方面，本申请提供了一种不锈钢合金的制备方法，请参见图1，用于制备第一方面任一项实施例所述的不锈钢合金，在上述化学成分的基础上，结合制备工艺参数的改进，提升不锈钢耐高温腐蚀性能，所述方法包括：
S1、对原材料进行冶炼，并控制炉渣的化学成分，后进行浇注，得到合金棒；
在一些实施方式中，所述炉渣的化学成分包括：
CaF2、Al2O3以及CaO；所述CaF2、所述Al2O3以及所述CaO的配比为20-30:20-30:45-65。
在本申请实施例中，在炉渣中，CaF2的作用：能提高钢液的流动性，除去有害杂质硫和磷；Al2O3的作用：改善钢渣稳定性，稳定钢渣碱度；CaO的作用：有利于脱磷反应的进行。脱磷反应是渣一钢界面上进行的,加入石灰提高了碱度,即提高了渣中氧化钙的含量，有利于脱磷反应的进行。控制CaF2、Al2O3以及CaO的配比为20-30:20-30:45-65的积极效果：钢渣处于最佳融化配比，碱度范围适宜，钢渣流动性好。若该炉渣的配比不满足上述数值范围内，其不利影响：钢渣粘度大，流动性差。具体地，该CaF2、Al2O3以及CaO的配比可以为20：20：45、30：30：65、25：25：55等。
S2、对所述合金棒进行提纯，并控制精炼渣的化学成分，得到合金锭；
在一些实施方式中，所述精炼渣的化学成分包括：
Al2O3和CaF2；所述Al2O3和所述CaF2的配比为20-30：70-80。
在本申请实施例中，精炼渣中，CaF2的作用：能提高钢液的流动性，除去有害杂质硫和磷.；Al2O3的作用：改善钢渣稳定性，稳定钢渣碱度。控制Al2O3和CaF2的配比为20-30：70-80的积极效果：钢渣处于最佳融化配比，碱度范围适宜，钢渣流动性好.。若该精炼渣的配比不满足上述数值范围内，其不利影响：钢渣粘度大，流动性差。具体地，该Al2O3和CaF2的配比可以为20：70、25：75、30：80等。
S3、对所述合金锭进行加热，后进行轧制和轧后热处理，得到不锈钢合金。
在一些实施方式中，所述加热的工艺参数包括：加热温度和加热时间；其中，所述加热温度为1100-1200℃，所述加热时间为90-400min。
控制加热温度为1100-1200℃的积极效果：把钢坯加热到均匀的、适合轧制的温度，提高钢的塑性，降低变形抗力，使钢容易变形。若该温度过高，在一定程度上会造成炉膛温度过高，炉内金属过热过烧；若该温度过低，在一定程度上会不利于提高钢的塑性，无法降低变形抗力，使钢不易变形。具体地，该加热温度可以为1100℃、1150℃、1200℃等。
控制加热时间为90-400min的积极效果：促进断面温差逐步缩小，钢坯表面得到的热量以热传导的方式向内部扩散，钢坯充分加热，提高钢的塑性。具体地，该加热时间可以为90min、150min、200min、250min、300min、350min、400min等。
在一些实施方式中，所述轧制的开轧温度为1150-1190℃。
控制轧制的开轧温度为1150-1190℃的积极效果：能够降低烧损，防止钢坯过烧过热，钢锭组织均匀，利于轧制进行。若该温度过高，在一定程度上会使钢的晶粒过分长大，晶粒间的联系削弱，钢变脆；若该温度过低，在一定程度上会又使轧机负载增大，致使电力消耗变大，并切对轧辊、导卫等都带来不利。具体地，该轧制的开轧温度可以为1150℃、1170℃、1190℃等。轧后，制得直径为30mm圆棒合金。
在一些实施方式中，所述热处理的工艺参数包括：热处理温度和热处理时间；其中，所述热处理温度为950-1050℃，所述热处理时间为2-4h。
控制热处理温度为950-1050℃的积极效果：促进不锈钢组织再结晶，消除热轧过程中的残余应力，提高塑性，促进晶粒均匀一致。若该温度过高，在一定程度上会造成不锈钢过热过烧；若该温度过低，在一定程度上会不利于不锈钢组织再结晶，无法形成均匀组织。具体地，该热处理温度可以为950℃、970℃、990℃、1010℃、1030℃、1050℃等。
控制热处理时间为2-4h的积极效果：促进不锈钢组织再结晶，消除热轧过程中的残余应力，提高塑性，促进晶粒均匀一致。具体地，该热处理时间可以为2h、3h、4h等。
上述不锈钢合金的制备方法针对现有技术的优势：提升不锈钢耐高温耐腐蚀性能。
该不锈钢合金的制备方法是基于上述不锈钢合金的化学成分来实现，该不锈钢合金的化学成分可参照上述实施例，由于该不锈钢合金的制备方法采用了上述实施例的部分或全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
下面结合具体的实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。
本申请实施例提供了一种不锈钢合金，具体地，该不锈钢合金的化学成分请参见表1。
表1不锈钢合金的化学成分(wt％)，其余为Fe以及不可避免的杂质
在上述化学成分的基础上，结合制备工艺参数的改进，本申请实施例提供了一种不锈钢合金的制备方法所述方法包括：
S11、对原材料进行冶炼，并控制炉渣的化学成分，后进行浇注，得到合金棒；
S21、对所述合金棒进行提纯，并控制精炼渣的化学成分，得到合金锭；
S31、对所述合金锭进行加热，后进行轧制和轧后热处理，得到不锈钢合金。具体的工艺参数请参见表2。
表2不锈钢合金的制备工艺参数
本申请实施例中不锈钢合金与与对比例制备得到的不锈钢合金的高温热疲劳性能测试结果请参见表3。高温热疲劳测试是检验材料持久性能的指标之一。利用燃气热冲击自动化考核平台对样品进行考核，加热过程采用氧丙烷高温燃气对样品表面进行加热，冷却过程采用压缩空气对样品表面进行冷却。加热最高温度1000℃，冷却最低温度400℃。共计100次热冲击循环，热循环由400℃1min升温至1000℃，随后冷却至400℃，无保温时间单次循环时间约2min，过程中对样品表面进行了拍照记录。具体地，请参见实施例1(图3)和35CrMo不锈钢合金(图2)，实施例1的高温耐蚀性更优异，使用寿命更久。
表3不锈钢合金的高温热疲劳性能测试结果
通过本申请实施例的设计的不锈钢合金，提高了不锈钢合金的高温热疲劳性能，从而提高了高炉炉顶布料槽动臂材料的使用寿命，而对比例1-2的实施方案显然不在本申请实施方案内，因而高温热疲劳性能较实施例差。
在本申请实施例中，在现有合金的基础上对化学成分进行改进，以提升合金的使用寿命。使用35CrMo和实施例1(新1Cr17合金)进行测试，在测试条件：北矿德国耐驰Netzsch热膨胀仪NETZSCH DIL 402SU，样品尺寸温度范围20℃-1000℃，升温速度5.0K/min。测试结果可参见图4，其中图中1Cr17合金为实施例1中制备得到的合金。可看出，在低于755℃时材料的热膨胀系数35CrMo＞1Cr17，755℃-800℃区间35CrMo热膨胀系数发生短暂下降，这与材料的相变密切相关，高于800℃后35CrMo热膨胀系数急剧增加，与35CrMo不同，1Cr17的热膨胀系数持续稳定增加。因此，改进后的1Cr17的热膨胀性能相比于35CrMo更稳定。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种不锈钢合金，其特征在于，所述不锈钢合金的化学成分包括：C、Cr、W、Mo、V、Mn、Si、Al、Ni以及Fe；其中，以质量分数计，
C的含量为≤0.10％，W的含量为0.5-1.0％，Mo的含量为0.5-1.0％，V的含量为0.5-0.7％，Al的含量为0.8-1.0％。
2.根据权利要求1所述的不锈钢合金，其特征在于，所述不锈钢合金的化学成分中，以质量分数计，
所述C的含量为0.09-0.10％，所述W的含量为0.5-0.63％，所述Mo的含量为0.55-0.6％，所述V的含量为0.5-0.6％，所述Al的含量为0.8-0.9％。
3.根据权利要求1或2所述的不锈钢合金，其特征在于，所述不锈钢合金的化学成分中，以质量分数计，
所述Cr的含量为16.0-18.0％，所述Mn的含量为≤1.00％，所述Si的含量为≤0.75％，所述Ni的含量为≤0.20％。
4.权利要求1-3任一项所述的不锈钢合金在制备高炉炉顶布料槽动臂中的应用。
5.一种不锈钢合金的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-3任一项所述的不锈钢合金，所述方法包括：
对原材料进行冶炼，并控制炉渣的化学成分，后进行浇注，得到合金棒；
对所述合金棒进行提纯，并控制精炼渣的化学成分，得到合金锭；
对所述合金锭进行加热，后进行轧制和轧后热处理，得到不锈钢合金。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述炉渣的化学成分包括：
CaF2、Al2O3以及CaO；
所述CaF2、所述Al2O3以及所述CaO的配比为20-30:20-30:45-65。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述精炼渣的化学成分包括：
Al2O3和CaF2；
所述Al2O3和所述CaF2的配比为20-30：70-80。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述加热的工艺参数包括：
加热温度和加热时间；其中，
所述加热温度为1100-1200℃，所述加热时间为90-400min。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述轧制的开轧温度为1150-1190℃。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述热处理的工艺参数包括：
热处理温度和热处理时间；其中，
所述热处理温度为950-1050℃，所述热处理时间为2-4h。
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