CN102051541B - 一种耐热钢材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耐热钢材料及其制备方法，该材料具有良好的性能。该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。该材料以耐热钢为基体，在基体中分布着由铁丝和耐热钢丝形成的金属丝团，所用铁丝及耐热钢丝直径均为1-2mm；金属丝团直径为10-15cm，材料中耐热钢丝和铁丝的总体长度相当；两种金属丝共占材料的体积百分比为10-40%。

Description

一种耐热钢材料及制备方法

技术领域

    本发明属于金属材料领域，涉及一种耐热钢材料及其制备方法。

背景技术

在金属材料领域中, 耐热钢作为低成本耐热材料一直受到普遍重视。

CN200910066507.6号申请公开一种低成本高性能耐热钢的发明属于耐热合金钢领域，这种合金在800-1200℃范围内可连续工作。具有抗氧化性和优异的抗变形能力。其化学成分为：(按重量％)碳C：0.25-0.6％、铬Cr：23-30％、镍Ni：8-12％、硅Si：1.5-3.5％、锰Mn：1.8-3.5％、氮N：0.2-1.5％、稀土Re：0.2-1.5％、钛Ti：0.001-1.8％、钒V：0.001-0.8％、磷P：＜0.04％、硫S：＜0.03％，其余为铁Fe。在该合金使用了大量稀贵金属合金元素，并且使用的合金元素量大。氮元素直接加入钢中非常困难。

CN200910168425.2号申请公开一种新型耐热钢，其化学成分的重量百分比为： C 0.65～0.75％；Si 0.7～1.0％；Mn 1.0～1.2％；P 0.0005～0.0010％； S 0.005～0.006％；Cr28～29％；Ni20.5～21.0％；Mo 0.55～0.60％； Al 0.022～0.026％；Co 0.11～0.12％；Ti 0.0010～0.0015％；Nb 0.65～0.70％；V 0.055～0.065％；W 1.20～1.25％；Pb 0.00020～0.00025％；B 0.0005～0.0006％；Sn 0.0065～0.0075％；As 0.00010～0.00013％；Bi 0.00010～0.00014％；Ca 0.0015～0.0025％； Fe 44.8～45.5％。铸态下机加工及焊接性能良好，制造成本低。适用于要求较高的热处理工装夹具。在该合金使用了大量稀贵金属合金元素，并且使用的合金元素量大。工业配料也十分复杂。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种耐热钢材料，该材料具有良好的性能。

本发明的另一目的是提供一种耐热钢材料的制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种耐热钢材料，该材料以耐热钢为基体，在基体中分布着由铁丝和耐热钢丝形成的金属丝团，所用铁丝及耐热钢丝直径均为1-2mm；金属丝团直径为10-15cm，材料中耐热钢丝和铁丝的总体长度相当；两种金属丝共占材料的体积百分比为10-40%；

耐热钢基体各成分的重量百分含量C 为0.25-0.6%，Si为2-5%, Mn为2-4%, Cr8-9％，Gd为0.5-1%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe；

铁丝成分的重量百分含量为：C为0.05-0.09%，Si为0.2-0.3%, Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe；

耐热钢丝的化学成分的重量百分含量为：C 为0.06-0.08%，Si为0.5-0.9%，Mn为0.5-1.5%，P≤0.035%，S≤0.030%，Ni 为19-22%，Cr为24-26%，其余为Fe。

基体中还分布有的化合物Si3N4和Cr2N颗粒。

一种耐热钢材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

渗氮钢丝和镀镍铁丝的准备：分别取直径为1-2mm、成份为重量百分含量为：C为0.05-0.09%，Si为0.2-0.3%, Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝；以及取直径为1-2mm、成份重量百分含量为：C 为0.06-0.08%，Si为0.5-0.9%，Mn为0.5-1.5%，P≤0.035%，S≤0.030%，Ni 为19-22%，Cr为24-26%，其余为Fe的耐热钢丝，所用耐热钢丝和铁丝的总体长度相当；控制铁丝占材料的体积百分比为10-40%；

按常规方法分别在其表面渗氮和镀镍，分别形成渗氮钢丝和镀镍铁丝：渗氮钢丝的表面的渗氮层的厚度为100-200μm；镀镍铁丝的表面的镀镍层的厚度为100-300μm；

按清洁球生产的常规方法将上述渗氮钢丝和镀镍铁丝各取一根丝形成球状的混合双丝金属丝团，金属丝团直径为10-15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由钢丝和铁丝占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待钢水浇注；

耐热钢材料基体的准备：按重量百分含量C 为0.25-0.6%，Si为2-5%, Mn为2-4%, Cr8-9％，Gd为0.5-1%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe的耐热钢进行配料；耐热钢原料在感应电炉中熔化，形成液态钢水，熔化温度为1620-1660℃；

将上述耐热钢钢水浇入装有金属丝团的干砂铸型，液态钢水将渗氮钢丝和镀镍铁丝包围，然后冷却凝固，形成以耐热钢为基的其中分布有金属丝团的材料。

    本发明相比现有技术的有益效果如下：

1、本发明的耐热钢含有大量的氮化物，因此硬度高，具有很好的耐热性能。该材料主要用于矿山、煤炭、建材等工业领域用的耐热易损件，如筒体衬板、端衬板等。

2、材料中的铁丝和耐热钢丝自身具有相当的强度和较高的韧性。铁丝和耐热钢丝的基体都是钢。因此铁丝和耐热钢很容易结合起来，形成很好的冶金结合。这样，铁丝分布在耐热钢中，对材料具有很好的增强增韧作用。

3、当钢水进入铸型型腔与铁丝接触，铁丝表面的Ni和N熔于钢水，钢水中的Si和Cr与铁丝表层的N反应形成Si3N4和Cr2N，这些特殊化合物稳定性好。形成的这些特殊化合物进一步提高了材料的耐热性。

4、Gd对耐热钢的组织具有显著细化的作用，对于耐热钢的增韧有重要的作用。另外C和Gd也会形成C 和Gd化合物Gd3C，有助于材料耐热性的提高。

5、合金材料不用贵重元素，主要合金元素又铁丝带入，铁丝材料成本低，制备工艺简便，生产成本低，生产的合金材料性能好，而且非常便于工业化生产。

本发明的合金性能见表1。

附图说明

图1为本发明实施例一制得的耐热钢材料的金相组织。

图1可以看到在耐热钢与铁丝结合良好。

具体实施方式

以下各实施例仅用作对本发明的解释说明，其中的重量百分比均可换成重量g、kg或其它重量单位。以下钢丝和铁丝均为市购，镀层自制。

实施例一：

渗氮钢丝和镀镍铁丝的准备：分别取直径为1mm、成份为重量百分含量为：C为0.05%，Si为0.2%, Mn为0.25%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝；

以及取直径为1mm、成份重量百分含量为：C 为0.06%，Si为0.5%，Mn为0.5%，Ni 为19%，Cr为24%，P≤0.035%，S≤0.030%，其余为Fe的耐热钢丝，所用的耐热钢丝和铁丝的总体长度相当；铁丝和耐热钢丝共占材料的体积百分比为10%。

按常规方法分别在其表面渗氮和镀镍，分别形成渗氮钢丝和镀镍铁丝：渗氮钢丝的表面的渗氮层的厚度为100 m；镀镍铁丝的表面的镀镍层的厚度为100μm；

按清洁球生产的常规方法将上述渗氮钢丝和镀镍铁丝各取一根丝形成球状的混合双丝金属丝团（两根丝各取一根同时成型，形成双丝金属丝团，成型可按洗碗用的清洁球或称钢丝球的方法），金属丝团直径为15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由钢丝和铁丝占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待钢水浇注；

耐热钢材料基体的准备：按重量百分含量C 0.25%，Si为2%, Mn为2%, Cr8％，Gd为0.5%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe的耐热钢进行配料；耐热钢原料在感应电炉中熔化，形成液态钢水，熔化温度为1635-1640℃；

将上述耐热钢钢水浇入装有金属丝团的干砂铸型，液态钢水将渗氮钢丝和镀镍铁丝包围，然后冷却凝固，形成以耐热钢为基的其中分布有金属丝团的材料。

实施例二：

耐热钢材料基体成分按重量百分含量C 0.60%，Si为5%, Mn为4%, Cr9％，Gd为1%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe进行配料。

铁丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.09%，Si为0.3%, Mn为0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。

耐热钢丝的化学成分的重量百分含量为：C 为0.08%，Si为0.9%，Mn为1. 5%，P≤0.035%，S≤0.030%，Ni 为22%，Cr为26%，其余为Fe。

铁丝及耐热钢丝直径均为2mm，所用的耐热钢丝和铁丝的总体长度相当；控制铁丝和耐热钢丝共占材料的体积百分比为40%。

按常规方法分别在其表面渗氮和镀镍，分别形成渗氮钢丝和镀镍铁丝：渗氮钢丝的表面的渗氮层的厚度为200 m；镀镍铁丝的表面的镀镍层的厚度为300μm；按清洁球生产的常规方法制作带镀层的两种金属丝混合的双丝金属丝团，金属丝团直径为10cm。

制备过程同实施例一。

实施例三：

耐热钢材料基体的成分：按重量百分含量C 0.3%，Si为3%, Mn为3%, Cr8％，Gd为0.7%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe。

铁丝的成分重量百分含量为C为0.07%，Si为0.25%, Mn为0.3%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。

耐热钢丝的化学成分的重量百分含量为： C 为0.07%， Si为0.7%， Mn为1%， P:≤0.035%， S≤0.030%， Ni 为21%， Cr为25%，其余为Fe。

铁丝及耐热钢丝直径为1.3mm，所用的耐热钢丝和铁丝的总体长度相当；铁丝和耐热钢丝二者占材料的体积百分比为20%。

按常规方法分别在其表面渗氮和镀镍，分别形成渗氮钢丝和镀镍铁丝：渗氮钢丝的表面的渗氮层的厚度为150 m；镀镍铁丝的表面的镀镍层的厚度为200μm；按清洁球生产的常规方法制作带镀层的两种金属丝混合的双丝金属丝团，金属丝团直径为15cm。

制备过程同实施例一。

对比实施例四：原料配比不在本发明范围内的实例

耐热钢材料基体的成分：按重量百分含量C 0.2%，Si为1%, Mn为1%, Cr6％，Gd为0.4%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe。

铁丝的成分为C为0.04%，Si为0.1%, Mn为0.2%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。铁丝及耐热钢丝直径为0.5mm。

所用的耐热钢丝和铁丝的总体长度相当；二者共占材料的体积百分比为40%。

铁丝表面不渗氮和镀镍。按清洁球生产的常规方法制作种两根铁丝混合的双丝金属丝团，金属丝团直径为15cm。

制备过程同实施例一。

对比实施例五：原料配比不在本发明范围内的实例

耐热钢材料基体的成分：按重量百分含量C 0.7%，Si为6%, Mn为5%, Cr10％，Gd为2%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe。

铁丝的成分为C为0.1%，Si为0.4%, Mn为0.4%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。

耐热钢丝的化学成分的重量百分含量为：　C 为0.09%， Si为1%， Mn为2%， P:≤0.035%， S≤0.030%， Ni 为23%， Cr为27%，其余为Fe。

铁丝及耐热钢丝直径为3mm，所用的耐热钢丝和铁丝的总体长度相当；二者共占材料的体积百分比为45%。

按常规方法分别在其表面渗氮和镀镍，分别形成渗氮钢丝和镀镍铁丝：渗氮钢丝的表面的渗氮层的厚度为250 m；镀镍铁丝的表面的镀镍层的厚度为350μm；按清洁球生产的常规方法制作带镀层的两种金属丝混合的双丝金属丝团，金属丝团直径为10cm。

制备过程同实施例一。

    表1

由上表可见，耐热钢和铁丝的化学成分中C、Si、 Mn增加，利于材料硬度的提高。但是过多，增加基体材料的脆性。P和S 增加，增加基体材料的脆性。

耐热钢中Gd的增加不仅利于硬度的提高，而且也有利于韧性提高。但是，过多导致Gd和C化合物的增加，降低材料的韧性。

铁丝和耐热钢丝体积百分比的增加，利于材料韧性的提高。但是过多，不利于钢的包覆，降低材料的力学性能。

镀镍和渗氮层的厚度增加，利于钢水的合金化；但是过多，镍和氮不易在短时熔入钢水，造成元素的浪费。

Claims (1)

1.一种耐热钢材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

渗氮钢丝和镀镍铁丝的准备：分别取直径为1-2mm、成份为重量百分含量为：C为0.05-0.09%，Si为0.2-0.3%, Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝；以及取直径为1-2mm、成份重量百分含量为：C 为0.06-0.08%，Si为0.5-0.9%，Mn为0.5-1.5%，P≤0.035%，S≤0.030%，Ni 为19-22%，Cr为24-26%，其余为Fe的耐热钢丝，所用耐热钢丝和铁丝的总体长度相当；控制铁丝和钢丝占材料的体积百分比为10-40%；

按常规方法分别在耐热钢丝和铁丝表面渗氮和镀镍，分别形成渗氮钢丝和镀镍铁丝：渗氮钢丝的表面的渗氮层的厚度为100-200μm；镀镍铁丝的表面的镀镍层的厚度为100-300μm；

按清洁球生产的常规方法将上述渗氮钢丝和镀镍铁丝各取一根丝形成球状的混合双丝金属丝团，金属丝团直径为10-15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由耐热钢丝和铁丝占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待钢水浇注；

耐热钢材料基体的准备：按重量百分含量C 为0.25-0.6%，Si为2-5%, Mn为2-4%, Cr8-9％，Gd为0.5-1%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe的耐热钢进行配料；耐热钢原料在感应电炉中熔化，形成液态钢水，熔化温度为1620-1660℃；

将上述耐热钢钢水浇入装有金属丝团的干砂铸型，液态钢水将渗氮钢丝和镀镍铁丝包围，然后冷却凝固，形成以耐热钢为基的其中分布有金属丝团的材料。

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