CN102181791A

CN102181791A - 原位TiC弥散强化奥氏体耐热钢及其制备方法

Info

Publication number: CN102181791A
Application number: CN 201110075639
Authority: CN
Inventors: 薛烽; 倪自飞; 周健; 白晶; 陆月娇; 孙扬善
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明涉及一种新型的原位合成TiC弥散强化奥氏体耐热钢材料及其制备方法。一种含TiC耐热钢，其合金成分质量百分数为：Cr：18.0~25.0％，Ni：8.0~30.0％，C：0.05~3.0％，Ti：1.0~12.0%，Fe余量。合金成分中还可以有Mo：＜3.0％，Al：＜1.0％，Nb：＜1.0％，V：＜1.0％。采用原位熔铸法和电渣重熔相结合的新工艺制备了含TiC的奥氏体耐热钢。与电渣重熔前相比，本发明中的TiC颗粒分布更均匀、尺寸更小。经电渣重熔后的含TiC奥氏体耐热钢具有良好的强度，优异的耐热性能和耐磨损性能，可用于冶金、机械、汽车和石油化工等工业产品和设备上的需要在高温下服役的零部件。

Description

原位TiC弥散强化奥氏体耐热钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型的原位合成TiC弥散强化奥氏体耐热钢材料及其制备方法。

背景技术

现有技术：在冶金、航天、石油和化工等行业中，许多在高温下工作的设备和零部件都需要好的耐热性能，如火电厂的蒸汽锅炉、蒸汽涡轮，航空工业的喷气发动机等。这些在高温下服役的材料，需要承受各种载荷，如拉伸、弯曲、扭转、疲劳和冲击等，这就需要它们具有一定的高温强度及与之适应的塑性。此外，它们还与高温蒸气、空气或燃气相接触，这就需要它们具有足够高的化学稳定性。

奥氏体耐热具有良好韧性和塑性、耐高温性能和机加工性能，在实际工业中已得到广泛的应用。但与其他耐热钢相比，奥氏体耐热钢不但强度低，耐磨性差且不能通过热处理来提高其强度，从而限制了其在工业上的应用。目前常用的TiC弥散强化钢的制备工艺通常采用原位熔铸法。原位熔铸法根据热力学原理借助于传统的铸造工艺，通过向熔体中添加含有Ti和C组分的预制块，通过原位反应生成TiC颗粒增强相。原位合成的TiC增强颗粒具有热力学稳定、尺寸细小、分布均匀且与基体界面洁净和结合良好等特点。原位熔铸法制备TiC颗粒弥散强化钢具有制备工艺相对简单、制造成本低，易于实现工业化生产和实际应用等特点，因而极具发展潜力并得到广泛应用。但是由于TiC密度和钢铁熔体的密度差别较大(TiC为4.93g·cm^-3，钢为7.8g·cm^-3)，这会引起TiC颗粒的上浮和团聚，导致TiC颗粒在基体中的分布不均。另外，TiC颗粒含量的增加会使熔体粘度的增加而降低熔体的流动性，最终导致铸锭中易出现疏松，气孔等冶金问题，这些铸造缺陷在一定程度上制约了TiC弥散强化钢的发展与应用。电渣重熔是一种二次精炼技术，集钢水二次精炼与定向凝固相结合的综合冶金铸造过程。由于高温渣液的去除夹杂作用和水冷结晶器的良好的结晶条件，电渣重熔所制备的钢锭具有良好的纯净度，铸态组织细致均匀，非金属夹杂物细小弥散等优良性能。因此，电渣重熔在优质合金钢、模具钢、高速钢、耐热钢和高温合金等钢种上已经得到广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是提供了一种原位合成颗粒细小、分布均匀TiC弥散强化奥氏体耐热钢材料及其制备方法。

本发明的技术解决方案为：一种TiC颗粒弥散强化奥氏体耐热钢，成分质量百分数为：Cr：18.0～25.0％，Ni：8.0～30.0％，C：0.05～3.0％，Ti：1.0～12.0％，Fe余量。本发明所述奥氏体耐热钢可以进一步包括，Mo、Al、Nb和V，且各组份的质量百分比为Cr：18.0～25.0％，Ni：8.0～30.0％，C：0.05～3.0％，Ti：1.0～12.0％，Mo：＜3.0％，Al：＜1.0％，Nb：＜1.0％，V：＜1.0％，Fe余量。

一种制备上述TiC颗粒弥散强化奥氏体耐热钢的方法，制备步骤为，制备含钛和碳的预制块，这种预制块由100～200目之间的铁粉、钛粉和碳粉混合压实而成；在中频感应电炉加入Cr、Ni、C、Fe等合金炉料，待上述炉料完全熔化后，加热至1550-1700℃，将所需预制块加入炉中，待预制块反应、熔化完成后，静置保温5min，将炉中的金属液浇注入预先做好的砂模中获得用于电渣重熔处理的自耗电极，然后在电渣炉中进行电渣重熔处理，电渣重熔工艺为：采用(25％～30％)Al₂O₃+(55％～65％)CaF₂+(20％～5％)TiO₂渣系，设定填充比＝0.4～0.6设定电压20-30伏，设定电流5000-6500安培；最终得到的电渣锭用热形变方法加工成型材，加工的温度为950-1150℃。

本项发明采用原位熔铸法和电渣重熔相结合的新工艺制备了一种性能好、成本低、强度高、耐热性能好的奥氏体耐热钢材料。这种含TiC奥氏体耐热钢的力学材料性能、高温抗氧化性能和蠕变性能均优于基体耐热钢，这种含TiC耐热钢可用于冶金、机械、汽车和石油化工等工业产品和设备上的需要在高温下服役的零部件。

有益效果：本发明具有下列性能特点：1.材料合金成分准确，钢锭质量好、致密度好、纯度高、无疏松等铸造缺陷，后继热加工成材率高；2.原位TiC颗粒分布均匀，颗粒细小，与基体结合力强；3.性能的可调性，即可以根据使用要求，改变基体，形成不同性能(强度、硬度、塑性及耐热性能)的材料；5.力学强度高、耐磨损，抗氧化和抗蠕变，综合性能优于基体耐热钢。本发明可用于冶金、机械、汽车和石油化工等工业产品和设备上的需要在高温下服役的零部件。

附图说明

图1本发明所制备的TiC强化钢金相组织。

图2为本发明电渣前的TiC弥散强化奥氏体耐热钢中TiC颗粒分布和形貌。

图3为本发明所制备的TiC强化钢中TiC颗粒分布和形貌图。

图4为本发明所制备的TiC强化钢与基体耐热钢抗氧化性能对比图。

图5为本发明所制备的TiC强化钢与基体耐热钢抗蠕变性能对比图。

具体实施方式

表为了说明本项发明的材料的性能特点，下面的各表中列出了一些材料的力学性能，耐磨损，抗氧化和抗蠕变性能：

表1中列出了两种合金的成分，第一个合金是一种典型的奥氏体耐热合金，第二个合金则是通过本发明制备的TiC弥散强化奥氏体耐热钢，其含量都在本项发明规定的成分范围之内。

表1两种合金的化学成分(wt％)

表2中列出了这两种合金的力学性能，从表可见，在奥氏体耐热合金中加入了TiC颗粒后，可以使合金的强度得到较大幅度的提高。

表2两种合金的常温力学性能

表3中列出了这两种合金的高温力学性能，从表可见，在奥氏体耐热合金中加入了TiC颗粒后，可以使合金的高温强度得到较大幅度的提高，拓展了其使用温度的上限。

表3两种合金的高温力学性能

表4中列出了在MM2000磨损试验机上所测得的这两种合金的磨损量。试验条件为：1.摩擦副采用GCr15钢，2.油润滑，3.线速度0.94m/s，4.试验时间20分钟，5.载荷150N。由表可见，在奥氏体耐热合金中加入了TiC颗粒后，合金的耐磨损性能得到显著提高。

表4两种合金在150N载荷下磨损20min后的磨损体积(mm3)

图3是800℃下两种合金的高温氧化增重曲线，由图可见，未含TiC颗粒的奥氏体耐热钢的氧化速率为0.93mg·cm^-2下，而含TiC的耐热钢的氧化速率则降到0.4mg·cm^-2，说明加入TiC颗粒可以使合金的抗氧化性能得到较大幅度的提高。图4是650℃/100MPa下两种合金的蠕变曲线，由图可见，未含TiC颗粒的奥氏体耐热钢的蠕变速率为6.9×10^-9S^-1，而含TiC的耐热钢的蠕变速率则降到1.2×10^-9S^-1，说明在奥氏体耐热钢中加入了TiC颗粒后可以使合金的抗蠕变性能得到较大幅度的提高。

实施实例1：一种原位合成TiC弥散强化奥氏体耐热钢，其特征在于，成分质量百分数为：1.08％C+18％Cr+9％Ni+4％Ti，余量为Fe。制备含钛和碳的预制块：将粒度为200目之间的铁粉、钛粉和碳粉按权利要求1的比例混合，并压实成块；在中频感应电炉加入基体合金炉料，待上述炉料完全熔化后，加热至1580℃，将所得预制块加入炉中，预制块熔于炉料中；将炉中的金属液浇注入预先做好的模型中；钢锭进行电渣重熔，电渣重熔工艺为：采用30％Al₂O₃+60％CaF₂+10％TiO₂渣系，填充比＝0.5；设定电压20伏，设定电流6000安培，用上步方法制成的钢锭用热形变方法加工成型材，加工的温度为950-1150℃。

实施实例2：一种原位合成TiC弥散强化奥氏体耐热钢，其特征在于，成分质量百分数为：1.8％C+18％Cr+14％Ni+2.5％Mo+7％Ti，余量为Fe。制备含钛和碳的预制块：将粒度为200目之间的铁粉、钛粉和碳粉按权利要求1的比例混合，并压实成块；在中频感应电炉加入基体合金炉料，加热至1600℃，待上述炉料完全熔化后，将所得预制块加入炉中，预制块熔于炉料中；将炉中的金属液浇注入预先做好的模型中；钢锭进行电渣重熔，电渣重熔工艺为：采用30％Al₂O₃+65％CaF₂+5％TiO₂渣系，填充比＝0.4～0.6，设定电压25伏，设定电流6000安培；用上步方法制成的钢锭用热形变方法加工成型材，加工的温度为950-1150℃。

实施实例3：一种原位合成TiC弥散强化奥氏体耐热钢，其特征在于，成分质量百分数为：1.3％C+25％Cr+20％Ni+2.0％Mo+1.0％Nb+6％Ti，余量为Fe。制备含钛和碳的预制块：将粒度为200目之间的铁粉、钛粉和碳粉按权利要求1的比例混合，并压实成块；在中频感应电炉加入基体合金炉料，加热至1600℃，待上述炉料完全熔化后，将所得预制块加入炉中，预制块熔于炉料中；将炉中的金属液浇注入预先做好的模型中；钢锭进行电渣重熔，电渣重熔工艺为：采用30％Al₂O₃+65％CaF₂+5％TiO₂渣系，填充比＝0.4，设定电压30伏，设定电流6500安培；用上步方法制成的钢锭用热形变方法加工成型材，加工的温度为950-1150℃。

Claims

1.一种原位TiC弥散强化奥氏体耐热钢，其特征在于，质量百分数为，Cr：18.0~25.0％，Ni：8.0~30.0％，C：0.05~3.0％，Ti：1.0~12.0%，Fe余量。

2.如权利要求1所述的TiC颗粒弥散强化奥氏体耐热钢，其特征在于，所述奥氏体耐热钢还包括，Mo、Al 、Nb和V，且各组份的质量百分比为Cr：18.0~25.0％，Ni：8.0~30.0％，C：0.05~3.0％，Ti：1.0~12.0%，Mo：＜3.0％，Al：＜1.0％，Nb：＜1.0％，V：＜1.0％，Fe余量。

3.一种权利要求1所述的TiC颗粒弥散强化奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于，步骤为：

a．制备含铁钛碳的预制块：按照钛、碳质量比为4：（0.8~1），在其中加入钛碳粉总质量10~60%的铁粉混合均匀并压实成块，所用粉体的粒度均为100~200目；

b．以步骤a中Ti的含量为基准，按照Cr、Ni质量比为18.0~25.0：8.0~30.0的比例，计算出颗粒弥散强化奥氏体耐热钢中的Cr、Ni最终含量，作为制备奥氏体耐热钢基体合金炉料Cr、Ni的加入量，根据C质量百分数0.2~2.0%范围，确定颗粒弥散强化奥氏体耐热钢中C的最终含量，并计算出颗粒弥散强化奥氏体耐热钢所需Fe最终含量，由上述计算得到的颗粒弥散强化奥氏体耐热钢中C和Fe最终含量减去步骤a中用于制备含铁钛碳的预制块中的C和Fe的加入量，即得到中频冶炼制备奥氏体耐热钢基体合金炉料的C和Fe加入量；

c．在中频感应电炉加入基体合金炉料，待上述炉料完全熔化后，加热至1550-1700℃，加入步骤a所得预制块，待预制块反应、熔化完成后，静置并在1550-1700℃下保温5min，将炉中的金属液浇注入预先做好的砂模中；

d．将步骤c得到的钢锭进行电渣重熔，所述的电渣渣料由Al₂O₃、CaF₂及TiO₂组成，电渣渣料组份的质量百分数为：25%~30% Al₂O₃、55%~65% CaF₂、20%~5% TiO₂，设定填充比=0.4~0.6，设定电压20-30伏，设定电流5000-6500安培；

e．将步骤d得到的电渣锭用热形变方法锻造加工成型材，热加工温度950-1150℃。