CN117363980A

CN117363980A - 一种具有高抗蠕变性能的铸钢及其制备方法

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Publication number: CN117363980A
Application number: CN202311250034.1A
Authority: CN
Inventors: 李忠盛; 黄安畏; 杨九州; 詹青青; 吴厦; 周少兰; 李立; 陈汉宾; 刘正涛
Original assignee: Southwest Institute of Technology and Engineering of China South Industries Group
Current assignee: Southwest Institute of Technology and Engineering of China South Industries Group
Priority date: 2023-09-26
Filing date: 2023-09-26
Publication date: 2024-01-09

Abstract

一种具有高抗蠕变性能的铸钢，所述铸钢中各化学组份按照重量百分比计，C：0.3~0.4%，Si：1.0~1.5%、Mn：≤2.0%、Mo≤0.5%、Ni：18~22%、Cr：24~30%、V：0.3~0.5%、Nb：0.5~1.2%，其余为Fe。本发明中通过调节各组分含量配比，添加特定含量的V和Nb，提高了材料的高温抗蠕变性能，尤其是高达1000℃的高温下，依然保持优异的抗蠕变性能，在1000℃温度下的蠕变极限达到75MPa，持久强度达到90MPa，经氧化100h后的平均氧化增重为0.015 g/m²·h。

Description

一种具有高抗蠕变性能的铸钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金钢制备技术领域，具体涉及一种具有高抗蠕变性能的铸钢及其制备方法。

背景技术

蠕变是指才材料受到低于屈服强度的恒定外力作用时，其变形随着时间的延长而发生的缓慢塑性变形现象，是高温材料结构发生破坏的重要方式。蠕变反映的是材料在载荷下的流变性质，即受载后的流动；而且蠕变性还反映了材料在温度变化下，自身的稳定情况。材料发生蠕变后，其性能会随时间的延长而发生劣化，当劣化进行到一定程度，材料最终发生破坏。很多金属构件工作在高温、高压环境中，一旦这些构件的性能下降甚至结构发生破坏，会导致灾难性的后果，带来巨大的经济损失，所以对这些构件的安全可靠性能提出了更高的要求。

针对金属材料蠕变的因素，国内外已有众多学者开展了一系列工作，结果表明，温度、应力以及合金的析出相、气孔晶粒尺寸，组成，晶体结构，扩散及位错运动等特征均是影响蠕变的重要因素。

随着发动机耐更高温度气体及复杂工况下对更高可靠性的需求提升，以及对动力系统轻量化要求的不断提高，采用传统的高硅钼球墨铸铁、高镍奥氏体铸铁、奥氏体耐热铸钢等材料制造的排气管零部件，已不能满足发动机对排气系统要求。此外，在制造薄型零部件时，会因为窄细型腔的制约，放大材料补缩性能对铸造缺陷的影响，从而导致产品成型率降低，因此，一方面通过提高抗氧化、蠕变、高温等性能，提高材料在热-化-机耦合因素下的稳定可靠，一方面从流动性与凝固性着手，通过调整成分，适配薄型零部件的铸造，才能制造出满足发动机对排气系统的要求。

因此，针对提高中碳高合金钢抗蠕变的需求，基于现有耐热铸钢材料，有必要开发一种抗高温蠕变性能更加优异，能够满足更长时间使用、更高可靠性，且符合薄型零部件浇铸性能的中碳高合金铸钢材料，扩大耐热铸钢在高温领域的应用范围。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有高抗蠕变性能的铸钢。

本发明另一目的在于提供上述具有高抗蠕变性能的铸钢的制备方法，有效保证材料具有优异的抗氧化性，显著提高材料的高温抗蠕变性能。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种具有高抗蠕变性能的铸钢，其特征在于：所述铸钢中各化学组份按照重量百分比计，C：0.3～0.4％，Si：1.0～1.5％、Mn：≤2.0％、Mo≤0.5％、Ni：18～22％、Cr：24～30％、V：0.3～0.5％、Nb：0.5～1.2％，其余为Fe。

优选地，所述铸钢中各化学组份按照重量百分比计，C：0.3～0.35％，Si：1.0～1.5％、Mn：≤2.0％、Mo≤0.5％、Ni：18～20％、Cr：26～28％、V：0.4～0.5％、Nb：0.7～1.0％，其余为Fe。

上述具有高抗蠕变性能的铸钢的制备方法，包括合金设计、熔炼、浇注、退火处理、固溶处理和时效处理，其特征在于：所述合金设计是在Cr-Mo系耐热合金钢的基础上，调整合金钢的化学成分及配比，具体是C：0.3～0.4％，Si：1.0～1.5％、Mn：≤2.0％、Mo≤0.5％、Ni：18～22％、Cr：24～30％、V：0.3～0.5％、Nb：0.5～1.2％，其余为Fe。

C元素可以扩大γ相区，同时也是碳化物的组成元素，随着温度的升高，碳化物的分解与偏聚会使得制备的铸钢材料抗蠕变性能下降，因此必须控制碳化物种类、含量、分布及形貌。由于本发明中加入的Cr含量较高，C会与氧抢夺Cr元素生成铬碳化物，使得晶界附近形成贫铬区，降低晶界附近的铬含量，从而影响材料的抗氧化性能，其次还会增加凝固收缩，并且影响浇铸性能，易出现缩孔等缺陷；但当C加入过低会使得流动性能变差，在1600℃时C≤0.2％的螺旋线测试长度≤500mm，不利于钢液在窄型腔中充型。因此，C含量控制在0.25％～0.40％范围内。

Ni作为调控奥氏体区范围的主添加元素，是保证在常温下获得γ相组织的主要合金元素，调控组织为γ单相以提高稳定性已成为耐热钢的共识，但大量添加Ni后一方面会提高材料成本，另一方面也会使得材料铸造性能变差。在本发明规定成分下，当Ni的含量超过23％以后，材料的凝固温度范围显著增大，在凝固时，完全固相区和完全液相区之间存在着较宽的固相和液相并存的糊状区，产生糊状凝固的特点，在用于薄壁窄型型腔中时，补缩通道狭窄，糊状区的晶体以树枝状方式生长，最后凝固部分的体积收缩会被错杂的树枝晶阻挡，使其无法完成溶液补充，造成缩孔、缩松等缺陷，降低铸件的致密性。但Ni含量低于18％后，与Cr的适配度不足，导致800℃以上高温抗氧化性下降，因此最终将Ni的范围控制在18％～22％。

Cr主要作用是提高材料高温抗氧化性，能在表面与Ni配合形成NiO·Cr₂O₃复合氧化膜，阻止氧、硫、氮等腐蚀性气体向钢中扩散。此外，Cr是铁素体形成元素，能与C、Ni一起调控γ相区大小，而Nb、Cr对合金的液相线温度影响较大，Cr含量超过30％时，会导致奥氏体和液相两相区的范围，缺陷增多，含量低于23％时，与C、Ni等元素的配合度差，因此通过调整Nb和Cr元素的配比，减小奥氏体与液相的两相区范围，能够减小凝固温度范围，使得材料向共晶成分点靠近，提高材料顺序凝固特性，减少铸造缺陷的产生。因此综合抗氧化性与铸造性能的要求，将Cr的范围控制在23.0％～30.0％。

V、Nb对合金的抗蠕变性能具有强化作用，但是当V提高到1.0％以上，或Nb提高到2.0％以上时，基体硬度大幅提升，导致切削加工性能恶化，刀具在高硬碳化物的磨损情况下，加工效率将下降；当V降低到0.3％以下，或Nb降低到0.5％以下，材料在850℃以上的抗蠕变性能提升不大。因此最终将V与Nb的范围分别控制在0.3％～0.5％与0.5％～1.2％，在该范围内，对于材料的高温抗蠕变性性能有较为显著的强化作用。

Si能够辅助Cr在材料表面形成致密的氧化物，提高抗氧化性能，同时Si也能降低熔点，改善流动性，更重要的是，Si与C生成的SiC能有效阻碍其周围的位错滑移，直接提高材料抗蠕变性，但在本发明中，Si含量超过1.5％时，易形成柱状晶，增加热裂倾向，因此本发明中将Si含量控制在1.0％～1.5％。

进一步，所述熔炼是按照设计的合金成分的各元素名义质量分数，称取纯铁、低碳铬铁、镍板、钼铁、铌铁、钒铁、碳块等，熔炼温度控制在1650℃～1750℃，熔炼过程进行充分的电磁搅拌和机械搅拌。

进一步，所述浇注温度为1550～1600℃，浇注速率为2～5kg/s。

进一步，所述退火处理是按照升温速率为100～120℃/h，升温至800～820℃，保温时间为1～4h，保温结束后随炉冷却至400℃后出炉空冷。

进一步，所述固溶处理的固溶温度为1200～1250℃，时间为1～3h，然后进行淬水，淬水时间为2～5min，出水温度低于100℃。

进一步，所述时效处理的温度为700～800℃，时间为4～10h，然后随炉冷却至400℃后出炉空冷。

上述具有高抗蠕变性能的铸钢的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

(1)合金设计：在Cr-Mo系耐热合金钢的基础上，调整合金钢的化学成分及配比，具体是C：0.3～0.4％，Si：1.0～1.5％、Mn：≤2.0％、Mo≤0.5％、Ni：18～22％、Cr：24～30％、V：0.3～0.5％、Nb：0.5～1.2％，其余为Fe；

(2)熔炼、浇铸：按照设计的各合金成分的占比，称取纯铁、低碳铬铁、镍板、钼铁、铌铁、钒铁及碳块，进行熔炼，熔炼温度控制在1650℃～1750℃，熔炼过程进行充分的电磁搅拌和机械搅拌；

(3)浇注：温度为1550～1600℃，浇注速率为2～5kg/s，浇注后静置；

(4)退火处理：将浇注得到的毛坯按照升温速率为100～120℃/h，升温至800～820℃进行退火处理，保温时间为1～4h，保温结束后随炉冷却至400℃后出炉空冷；

(5)固溶处理：在完成退火后进行固溶处理，固溶温度为1200～1250℃，时间为1～3h，然后进行淬水，淬水时间为2～5min，出水温度低于100℃；

(6)时效处理：在完成固溶处理后进行时效处理，时效温度为700～800℃，时间为4～10h，然后随炉冷却至400℃后出炉空冷。

此外，Cr、Mo、V、Nb等元素与C形成Cr₂₃C₆、Cr₇C₃、Mo₂C、VC、NbC等碳化物，这些碳化物在加热至900℃～1000℃时不会溶解，本发明通过调整各元素的配比，调节生成的碳化物种类和含量，并在1200～1250℃的固溶温度下，使得合金元素充分回溶，在基体中均匀扩散，这些碳化物会扎钉在晶界中，降低位错攀移速率，阻止晶界在高温下的蠕变，降低蠕变速率，从而提高材料的高温蠕变性能。通过后续高温时效处理，在700～800℃时，基体中生成第二相，形成弥散分布的析出相，进一步提高了铸钢的抗蠕变性能。

本发明具有如下技术效果：

本发明中通过调节各组分含量配比，添加特定含量的V和Nb，提高了材料的高温抗蠕变性能，尤其是高达1000℃的高温下，依然保持优异的抗蠕变性能，在1000℃温度下的蠕变极限达到75MPa，持久强度达到90MPa，经氧化100h后的平均氧化增重为0.015g/m²·h。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

一种具有高抗蠕变性能的铸钢的制备方法，按如下步骤进行：

(1)合金设计：在Cr-Mo系耐热合金钢的基础上，调整合金钢的化学成分及配比，具体是C：0.35％，Si：1.2％、Mn：1.5％、Mo:0.2％、Ni：20％、Cr：24％、V：0.45％、Nb：0.8％，其余为Fe；

(2)熔炼、浇铸：按照设计的各合金成分的占比，称取纯铁、低碳铬铁、镍板、钼铁、铌铁、钒铁及碳块，进行熔炼，熔炼温度控制在1700℃，熔炼过程进行充分的电磁搅拌和机械搅拌；

(3)浇注：温度为1580℃，浇注速率为4kg/s，浇注后静置；

(4)退火处理：将浇注得到的毛坯按照升温速率为110℃/h，升温至810℃进行退火处理，保温时间为3h，保温结束后随炉冷却至400℃后出炉空冷；

(5)固溶处理：在完成退火后进行固溶处理，固溶温度为1220℃，时间为2h，然后进行淬水，淬水时间为4min，出水温度低于100℃；

(6)时效处理：在完成固溶处理后进行时效处理，时效温度为750℃，时间为6h，然后随炉冷却至400℃后出炉空冷。

蠕变极限、持久强度是评判材料抗蠕变性能好坏的重要指标。

抗蠕变极限指的是高温长时间载荷作用下，材料不致产生脆性变形的拉力指标。

持久强度是指材料在一定的温度和规定的持续时间内引起断裂的最大应力值。

在实施例1的基础上，通过改变V和Nb的配比关系，制备相应的铸钢材料，并测试材料在800℃时的相应的性能数据，结果如表1所示，其中蠕变极限与持久强度参考《GB/T2039-2012金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》，抗氧化性参考《GB/T 13303-91钢的抗氧化性能测定方法》进行试验。

表1：

其他条件不变，V和Nb的变化对于材料的抗蠕变性能的影响如上表，当V和Nb的添加量分别在0.3～0.5％和0.5～1.2％之间时，材料具备优异的抗蠕变性能，在800℃下的抗氧化性能也较为优异，当V和Nb的添加量在0.4～0.5％和0.7～1.0％时，材料抗蠕变性能及抗氧化性均更好。

对比例1

与实施例1不同的是，在固溶处理时，固溶温度为1180℃，保温时间2h，为其余步骤和参数与实施例1保持一致。

实施例2

(1)合金设计：在Cr-Mo系耐热合金钢的基础上，调整合金钢的化学成分及配比，具体是C：0.3％，Si：1.0％、Mn：≤2.0％、Mo≤0.5％、Ni：18％、Cr：24％、V：0.3％、Nb：0.5％，其余为Fe；

(2)熔炼、浇铸：按照设计的各合金成分的占比，称取纯铁、低碳铬铁、镍板、钼铁、铌铁、钒铁及碳块，进行熔炼，熔炼温度控制在1650℃，熔炼过程进行充分的电磁搅拌和机械搅拌；

(3)浇注：温度为1550℃，浇注速率为5kg/s，浇注后静置；

(4)退火处理：将浇注得到的毛坯按照升温速率为120℃/h，升温至820℃进行退火处理，保温时间为1h，保温结束后随炉冷却至400℃后出炉空冷；

(5)固溶处理：在完成退火后进行固溶处理，固溶温度为1200℃，时间为3h，然后进行淬水，淬水时间为5min，出水温度低于100℃；

(6)时效处理：在完成固溶处理后进行时效处理，时效温度为800℃，时间为4h，然后随炉冷却至400℃后出炉空冷。

实施例3

(1)合金设计：在Cr-Mo系耐热合金钢的基础上，调整合金钢的化学成分及配比，具体是C：0.4％，Si：1.5％、Mn：≤2.0％、Mo≤0.5％、Ni：22％、Cr：30％、V：0.5％、Nb：1.2％，其余为Fe；

(2)熔炼、浇铸：按照设计的各合金成分的占比，称取纯铁、低碳铬铁、镍板、钼铁、铌铁、钒铁及碳块，进行熔炼，熔炼温度控制在1750℃，熔炼过程进行充分的电磁搅拌和机械搅拌；

(3)浇注：温度为1600℃，浇注速率为2kg/s，浇注后静置；

(4)退火处理：将浇注得到的毛坯按照升温速率为100℃/h，升温至800℃进行退火处理，保温时间为4h，保温结束后随炉冷却至400℃后出炉空冷；

(5)固溶处理：在完成退火后进行固溶处理，固溶温度为1250℃，时间为1h，然后进行淬水，淬水时间为2min，出水温度低于100℃；

(6)时效处理：在完成固溶处理后进行时效处理，时效温度为700℃，时间为10h，然后随炉冷却至400℃后出炉空冷。

各实施例与对比例制备的铸钢材料在给定压力、温度和时间条件下，各方案的试样抗蠕变极限如表2所示。

表2：

较低的固溶温度下，影响了合金元素的回溶和扩散，导致抗蠕变性能下降。而采用更高的固溶温度，促进合金元素充分回溶，并在基体中均匀扩散，扎钉在晶界处，降低位错攀移速率，阻止晶界在高温下的蠕变，降低蠕变速率，从而提高材料的高温蠕变性能和抗氧化性能。

Claims

1.一种具有高抗蠕变性能的铸钢，其特征在于：所述铸钢中各化学组份按照重量百分比计，C：0.3～0.4％，Si：1.0～1.5％、Mn：≤2.0％、Mo≤0.5％、Ni：18～22％、Cr：24～30％、V：0.3～0.5％、Nb：0.5～1.2％，其余为Fe。

2.一种具有高抗蠕变性能的铸钢的制备方法，包括合金设计、熔炼、浇注、退火处理、固溶处理和时效处理，其特征在于：所述合金设计是在Cr-Mo系耐热合金钢的基础上，调整合金钢的化学成分及配比，具体是C：0.3～0.4％，Si：1.0～1.5％、Mn：≤2.0％、Mo≤0.5％、Ni：18～22％、Cr：24～30％、V：0.3～0.5％、Nb：0.5～1.2％，其余为Fe。

3.如权利要求2所述的一种具有高抗蠕变性能的铸钢的制备方法，其特征在于：所述浇注温度为1550～1600℃，浇注速率为2～5kg/s。

4.如权利要求2或3所述的一种具有高抗蠕变性能的铸钢的制备方法，其特征在于：所述退火处理是按照升温速率为100～120℃/h，升温至800～820℃，保温时间为1～4h，保温结束后随炉冷却至400℃后出炉空冷。

5.如权利要求2-4任一项所述的一种具有高抗蠕变性能的铸钢的制备方法，其特征在于：所述固溶处理的固溶温度为1200～1250℃，时间为1～3h，然后进行淬水，淬水时间为2～5min，出水温度低于100℃。

6.如权利要求2-5任一项所述的一种具有高抗蠕变性能的铸钢的制备方法，其特征在于：所述时效处理的温度为700～800℃，时间为4～10h，然后随炉冷却至400℃后出炉空冷。

7.一种具有高抗蠕变性能的铸钢的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：