CN103422007B - 一种含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢的制备方法，其特征在于采用电炉熔炼，先将质量分数8～10%的硼铁、4～5%的金属铝，3～4%的氮化铬铁，2.5～3.0%的硅铁，4～5%的中碳铬铁，4～5%的高碳铬铁和69～73%的Q235废钢，在电炉内熔化，钢水全部进入钢包后，用喂丝机将合金线送入到钢包内的钢水中对钢水进行微合金化处理，然后将钢水直接浇入铸型，得到铸造含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢，经油冷淬火和高温回火后，得到的合金钢具有良好的力学性能和耐高温磨蚀性能。
Description
技术领域
本发明公开了一种耐高温磨蚀合金钢及其制备方法，特别涉及一种含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢及其制备方法，属于高温材料技术领域。
背景技术
高温磨损是一种极其严酷的磨损工况，对材料性能要求高，不仅要求材料具有优异的抗磨损性能，还要求具有良好的抗氧化腐蚀性能，传统耐磨材料很难满足其使用要求。为了提高材料的抗高温磨损能力，中国发明专利CN85100649公开了超高温耐磨铸造镍基合金，该合金具有在高温(≥1200℃)下保持高温耐磨性和抗氧化性的特点，适用于制造轧钢厂高温加热炉部件，尤其是超高温磨损部件。优先选用的合金成分(重量)是：铬30-35%、钨10-15%、硅0.5-0.8%、锰0.4-0.8%、稀土0.1-0.2%或钙0.05-0.08%、碳0.40-0.50%、铁5%以下、镍46-52%，其它为杂质。中国发明专利CN102978499A还公开了一种NiAl合金化粘结相的抗高温磨损硬质合金，硬质相为WC和/TiC，粘结相为NiAl合金化的Co和/Fe，体积百分比为10～40%；制备工艺包括：按Ni-50at.%Al的成分比例，把0.03～21.04wt%镍粉和铝粉，与碳化物粉末混合均匀；置于石墨容器中铺平，非氧化性气氛下，升温加热至660～1300℃，保温，然后自然冷却，获得碳化物与NiAl的混合物；碾磨、破碎、过筛，获得混合粉末；400±50℃的氢气氛下脱氧预处理；将45.77-96.34wt%的混合粉末，与余量的Co和/Fe粉末湿磨；湿磨混合料喷雾干燥、压制；压坯1350～1550℃低压液相烧结获得抗高温磨损硬质合金。但是上述抗高温磨损材料贵重合金加入量多，价格昂贵，推广应用困难。
在此基础上，又开发成功了多种抗高温磨损的表面处理技术。中国发明专利CN102912339A公开了一种等离子弧熔覆制备耐高温磨损衬板的方法，其方法步骤包括：清除金属基材表面的锈蚀、油污、氧化皮，根据金属基材和工况要求，配制金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末，将混合后的合金粉末与乳白胶混合，然后将混合好的合金粉末均匀涂刷在金属基材的表面，预涂层厚度为0.8～2mm，自然干燥，将带有预涂合层的金属基材固定在等离子弧熔覆设备加工机床上，等离子弧对金属基材表面预涂层进行单道扫描，随着等离子弧的移动，在金属基材表面均匀熔覆得到熔覆厚度为0.3～1.5mm的熔覆层。该发明所制备的耐高温复合衬板，具有成本低，质量稳定，适合大规模生产，可满足现场高温磨损工况的需要，有效提高了衬板使用寿命。中国发明专利CN102912254A还公开了一种抗高温磨损导位板，由WC颗粒棒状增强相与高铬镍合金基体复合而成，在宏观上构成“蜂窝”状结构，制备方法是先制备高铬镍合金导位板，然后在高铬镍合金导位板工作表层加工均匀交替排列的盲孔，将WC颗粒与Ni基钎料放入球磨机中球磨混料，向混合料内加入酚醛树脂和无水乙醇，混合均匀后压坯造粒，然后把所得的粉料填入高铬镍合金导位板工作表层的盲孔中并压实，将压入粉料的高铬镍合金导位板放入烘干炉中进行烘干，随后把烘干的高铬镍合金导位板放到真空炉中或者气体保护炉中进行熔烧钎焊，然后炉冷至室温，该发明导位板具有硬度高、耐磨性和抗氧化性好的特点。中国发明专利CN102909380A还公开了一种微冶金制备耐高温复合衬板的方法，其方法步骤包括：清除金属基材表面的锈蚀、油污、氧化皮杂质，根据金属基材和工况要求，配制金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末进行混合，将混合后的合金粉末与乳白胶混合，然后将混合好的合金粉末均匀涂刷在金属基材的表面，干燥后用黑墨汁将合金粉末层涂黑，再干燥，通过半导体激光光束高密度能量，使得金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末与基材表面金属实现了快速微冶金反应，在金属基材表面获得与基材呈冶金结合的0.2～0.35mm厚度的耐高温金属陶瓷层。该发明的耐高温复合衬板，具有成本低，质量稳定，适合大规模生产，可满足现场高温磨损特殊工况的需要，有效提高了衬板使用寿命。中国发明专利CN102744525A还公开了一种耐高温磨损内衬的复合制备方法，先对钢基材表面进行预处理，然后将基材预热；接着将钢基材固定在激光熔覆设备工作台上；在钢基材表面激光熔覆Ni基高温合金粉末；在钢基材激光熔覆层表面进行堆焊，最后，将堆焊完成的内衬进行缓冷。该发明与现有技术相比具有内衬表面硬度高，整体韧性好，实用性强，结合紧密，工艺操作简单、灵活，成本低，效果好等优点。中国发明专利CN102212820A还公开了一种干熄焦焦罐用耐高温磨损衬板的制备方法，所述耐高温磨损衬板为金属衬板上熔覆金属陶瓷层，其按照下述步骤进行制备：（1）配制均匀混合的金属陶瓷粉末；（2）将吸光涂料均匀涂刷在金属衬板表面；（3）待吸光涂料的涂层干后，采用气动送粉的方法，或者铺粉方式，或者重力送粉方式送粉，粉层厚度达到0.5～4.0mm；（4）通过大功率激光器扫描铺好的或输送到位的金属陶瓷粉末，在金属衬板上形成熔覆的耐高温磨损金属陶瓷层。采用该发明制备干熄焦焦罐用耐高温磨损金属衬板，成本低，生产质量稳定，而且实施方便，便于大规模生产。中国发明专利CN1928155还公开了一种合金镀液和与之配套的处理技术工艺，生产出耐高温腐蚀、耐高温磨损性能的低成本、低耗能、价值高的抽油泵，其目的是在抽油泵生产制造、修复领域把高成本、高耗能最大限度的降下来。具体实施：将氯化镍、氨基乙酸、胺基硼烷、氟化石墨、硼酸、糖精钠、铅离子等按比例称重量，放入带搅拌器的容器内进行搅拌，待全部溶解后便可使用。需镀时将镀液加温40～60℃，根据所需厚度确定施镀时间。其中的材料为，纯净水∶氯化镍∶氨基乙酸∶胺基硼烷∶氟化石墨∶硼酸∶糖精钠∶铅离子∶氨水∶氢氧化钠＝90∶3∶2.5∶0.45∶0.6∶3∶0.3∶0.003∶0.35∶0.15。中国发明专利CN1459514还公开了制备耐高温磨损涂层的方法，该方法通过原子束沉积进行涂层的制备；通过电子束或激光束处理控制涂层体部份的微观结构；通过离子束等技术强化涂层与基体之间，不同涂层之间的结合。采用该工艺可在热加工工具如无缝钢管生产用顶头、轧辊等表面涂覆耐高温磨损涂层。但是，上述抗高温磨损的表面处理技术存在着复合层和基体材料在高温磨损复杂工况下，易发生开裂、剥落现象，严重影响工件使用寿命。
发明内容
本发明针对现有抗高温磨损材料存在的问题，提出以铝、硼、铬为主要合金元素，开发一种含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢，为了提高这一耐高温磨蚀合金钢的力学性能，在钢水冶炼过程中，通过喂丝机加入多元微合金，达到提高材料性能的目的。
本发明的目的可以通过以下措施来实现：
本发明含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢的制备方法如下：先将质量分数8～10%的硼铁、4～5%的金属铝，3～4%的氮化铬铁，2.5～3.0%的硅铁，4～5%的中碳铬铁，4～5%的高碳铬铁和69～73%的Q235废钢，在电炉内熔化，当钢水温度达到1600～1620℃，将钢水出炉到钢包，钢水全部进入钢包后，立即用喂丝机将合金线送入到钢包内的钢水中，合金线距离钢包底部20～35mm。合金线直径合金线加入量是钢包内钢水质量分数的3.0～4.5%。合金线的化学成分及其质量分数是12～15%Ce，6～8%Y，15～18%Ca，3～5%Ba，3～5%Zr，3～5%K，8～10%Si，3～5%Na，余量为Fe和不可避免的微量杂质。当合金线全部进入钢包6～8分钟后，将钢水直接浇入铸型，得到铸造含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢，然后将铸造含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢随炉加热至1050～1080℃，保温2～4小时后，在温度为60～100℃的油池中油冷30～60分钟，最后将油冷后的含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢随炉加热至500～530℃，保温6～10小时后出炉空冷至室温，得到具有优异抗高温磨蚀性能的合金钢。
如上所述的硼铁的化学成分质量分数为：19.0～21.0%B,≤0.5%C,≤2%Si,≤0.5%Al,≤0.01%S,≤0.1%P,余量Fe。
如上所述的氮化铬铁的化学成分质量分数为：60～63%Cr,5.0～6.5%N,C≤0.1%,Si≤2.5%,P≤0.03%,S≤0.04%,余量Fe。
如上所述的中碳铬铁的化学成分质量分数为：60.0～65.0%的Cr，1.2～2.0%的C，1.0～2.0%的Si，余量为Fe。
如上所述的高碳铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe。
如上所述的硅铁的化学成分质量分数为：72～80%的Si，<0.2%的C，≤0.02%的S，≤0.04%的P，余量为Fe。
如上所述的Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22%的C，0.30～0.65%的Mn，≤0.30%的Si，≤0.050%的S，≤0.045%的P，余量为Fe。
在本发明材料中，先将质量分数8～10%的硼铁、4～5%的金属铝，3～4%的氮化铬铁，2.5～3.0%的硅铁，4～5%的中碳铬铁，4～5%的高碳铬铁和69～73%的Q235废钢，在电炉内熔化，其中加入8～10%的硼铁，主要是利用硼部分进入基体，提高基体的淬透性和淬硬性，另外，部分硼与铁、铬反应，生成高硬度的Fe2(B,C)和(Cr,Fe)7(B,C)3硼碳化物，有利于提高合金钢的抗磨性能。加入4～5%的金属铝和2.5～3.0%的硅铁，除了起脱氧作用外，主要是利用铝、硅进入基体，提高金属基体抗高温软化性能，有利于提高合金钢的高温耐磨性，另外，加入铬铁主要是用于改善钢的抗氧化能力，氮的加入，有利于提高合金钢的淬透性。在此基础上，用喂丝机将质量分数是12～15%Ce，6～8%Y，15～18%Ca，3～5%Ba，3～5%Zr，3～5%K，8～10%Si，3～5%Na，余量为Fe和不可避免的微量杂质合金线送入到钢包内的钢水中，合金线距离钢包底部20～35mm。合金线直径合金线加入量是钢包内钢水质量分数的3.0～4.5%。主要是利用合金线中的合金元素，对钢水进行微合金化处理，达到净化和细化凝固组织，改善钢中夹杂物形态和分布，特别是改善硼碳化物的形态和分布，从而促进合金钢力学性能的提高，最后对合金钢进行油淬和高温回火，主要是消除铸态组织中的铁素体和珠光体，得到高硬度的回火马氏体基体，从而可进一步提高合金钢的抗高温磨蚀能力。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1）本发明含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢中，不含价格昂贵的钨、钼、钴、镍、铌等昂贵合金元素，具有较低的生产成本。
2）本发明含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢采用铸造方法生产，效率高，易于实现批量生产。
3）本发明含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢具有优异的力学性能，其硬度达到60～62HRC，抗拉强度达到750～850MPa，冲击韧性达到15～18J/cm2，在500℃下的抗高温磨蚀性能性能优于高铬铸铁，比高铬铸铁（Cr20Mo2Cu1）提高35%以上。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详述：
实施例1
本发明含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢采用1000公斤中频感应电炉熔炼。制备方法如下：先将质量分数8%的硼铁（硼铁化学成分质量分数为：19.0～21.0%B,≤0.5%C,≤2%Si,≤0.5%Al,≤0.01%S,≤0.1%P,余量Fe）、5%的金属铝，4%的氮化铬铁（氮化铬铁化学成分质量分数为：60～63%Cr,5.0～6.5%N,C≤0.1%,Si≤2.5%,P≤0.03%,S≤0.04%,余量Fe），2.5%的硅铁（硅铁化学成分质量分数为：72～80%的Si，<0.2%的C，≤0.02%的S，≤0.04%的P，余量为Fe），4%的中碳铬铁（中碳铬铁化学成分质量分数为：60.0～65.0%的Cr，1.2～2.0%的C，1.0～2.0%的Si，余量为Fe），5%的高碳铬铁（高碳铬铁化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe）和71.5%的Q235废钢（Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22%的C，0.30～0.65%的Mn，≤0.30%的Si，≤0.050%的S，≤0.045%的P，余量为Fe），在电炉内熔化，当钢水温度达到1603℃时，将钢水出炉到钢包，钢水全部进入钢包后，立即用喂丝机将合金线送入到钢包内的钢水中，合金线距离钢包底部20mm。合金线直径合金线加入量是钢包内钢水质量分数的3.0%。合金线的化学成分及其质量分数是12.05%Ce，7.86%Y，15.23%Ca，4.99%Ba，3.06%Zr，3.1%K，9.77%Si，4.95%Na，余量为Fe和不可避免的微量杂质。当合金线全部进入钢包6.5分钟后，将钢水直接浇入铸型，得到铸造含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢，然后将铸造含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢随炉加热至1050℃，保温4小时后，在温度为65℃的油池中油冷30分钟，最后将油冷后的含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢随炉加热至530℃，保温6小时后出炉空冷至室温，得到具有优异抗高温磨蚀性能的合金钢，其力学性能见表1。
实施例2
本发明含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢采用1000公斤中频感应电炉熔炼。制备方法如下：先将质量分数10%的硼铁（硼铁化学成分质量分数为：19.0～21.0%B,≤0.5%C,≤2%Si,≤0.5%Al,≤0.01%S,≤0.1%P,余量Fe）、4%的金属铝，3%的氮化铬铁（氮化铬铁化学成分质量分数为：60～63%Cr,5.0～6.5%N,C≤0.1%,Si≤2.5%,P≤0.03%,S≤0.04%,余量Fe），3.0%的硅铁（硅铁化学成分质量分数为：72～80%的Si，<0.2%的C，≤0.02%的S，≤0.04%的P，余量为Fe），5%的中碳铬铁（中碳铬铁化学成分质量分数为：60.0～65.0%的Cr，1.2～2.0%的C，1.0～2.0%的Si，余量为Fe），4%的高碳铬铁（高碳铬铁化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe）和71%的Q235废钢（Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22%的C，0.30～0.65%的Mn，≤0.30%的Si，≤0.050%的S，≤0.045%的P，余量为Fe），在电炉内熔化，当钢水温度达到1618℃，将钢水出炉到钢包，钢水全部进入钢包后，立即用喂丝机将合金线送入到钢包内的钢水中，合金线距离钢包底部35mm。合金线直径合金线加入量是钢包内钢水质量分数的4.5%。合金线的化学成分及其质量分数是14.94%Ce，6.11%Y，17.78%Ca，3.01%Ba，4.81%Zr，4.90%K，8.13%Si，3.10%Na，余量为Fe和不可避免的微量杂质。当合金线全部进入钢包8分钟后，将钢水直接浇入铸型，得到铸造含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢，然后将铸造含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢随炉加热至1080℃，保温2小时后，在温度为90℃的油池中油冷60分钟，最后将油冷后的含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢随炉加热至500℃，保温8小时后出炉空冷至室温，得到具有优异抗高温磨蚀性能的合金钢，其力学性能见表1。
实施例3
本发明含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢采用1000公斤中频感应电炉熔炼。制备方法如下：先将质量分数9%的硼铁（硼铁化学成分质量分数为：19.0～21.0%B,≤0.5%C,≤2%Si,≤0.5%Al,≤0.01%S,≤0.1%P,余量Fe）、4.5%的金属铝，3.5%的氮化铬铁（氮化铬铁化学成分质量分数为：60～63%Cr,5.0～6.5%N,C≤0.1%,Si≤2.5%,P≤0.03%,S≤0.04%,余量Fe），2.8%的硅铁（硅铁化学成分质量分数为：72～80%的Si，<0.2%的C，≤0.02%的S，≤0.04%的P，余量为Fe），4.5%的中碳铬铁（中碳铬铁化学成分质量分数为：60.0～65.0%的Cr，1.2～2.0%的C，1.0～2.0%的Si，余量为Fe），4.5%的高碳铬铁（高碳铬铁化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe）和71.2%的Q235废钢（Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22%的C，0.30～0.65%的Mn，≤0.30%的Si，≤0.050%的S，≤0.045%的P，余量为Fe），在电炉内熔化，当钢水温度达到1612℃，将钢水出炉到钢包，钢水全部进入钢包后，立即用喂丝机将合金线送入到钢包内的钢水中，合金线距离钢包底部25mm。合金线直径合金线加入量是钢包内钢水质量分数的3.5%。合金线的化学成分及其质量分数是13.04%Ce，6.99%Y，16.72%Ca，4.11%Ba，3.85%Zr，3.92%K，9.07%Si，4.18%Na，余量为Fe和不可避免的微量杂质。当合金线全部进入钢包7分钟后，将钢水直接浇入铸型，得到铸造含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢，然后将铸造含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢随炉加热至1060℃，保温3小时后，在温度为80℃的油池中油冷50分钟，最后将油冷后的含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢随炉加热至520℃，保温10小时后出炉空冷至室温，得到具有优异抗高温磨蚀的合金钢，其力学性能见表1。
表1含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢力学性能
本发明含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢具有优异的力学性能，其硬度达到60～62HRC，抗拉强度达到750～850MPa，冲击韧性达到15～18J/cm2。高温磨损试验结果显示，本发明含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢在500℃下的抗高温磨蚀性能性能优于高铬铸铁，比高铬铸铁（Cr20Mo2Cu1）提高35%以上。本发明含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢可用于制造轧机导卫，导辊，以及热镀锌沉没辊轴套等抗高温磨损部件。本发明材料不含价格昂贵的镍、钼、钨、钒等合金元素，在高温磨损领域有良好的推广应用前景。
Claims (1)
1.一种含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢的制备方法，其特征在于：采用电炉熔炼，先将质量分数8～10％的硼铁、4～5％的金属铝，3～4％的氮化铬铁，2.5～3.0％的硅铁，4～5％的中碳铬铁，4～5％的高碳铬铁和69～73％的Q235废钢，在电炉内熔化得到钢水，当钢水温度达到1600～1620℃时，将钢水出炉到钢包，钢水全部进入钢包后，立即用喂丝机将合金线送入到钢包内的钢水中，合金线距离钢包底部20～35mm；合金线直径合金线加入量是钢包内钢水质量的3.0～4.5％；合金线的化学成分及其质量分数是12～15％Ce，6～8％Y，15～18％Ca，3～5％Ba，3～5％Zr，3～5％K，8～10％Si，3～5％Na，余量为Fe和不可避免的微量杂质；当合金线全部进入钢包6～8分钟后，将钢水直接浇入铸型，得到铸造含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢，然后将铸造含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢随炉加热至1050～1080℃，保温2～4小时后，在温度为60～100℃的油池中油冷30～60分钟，最后将油冷后的含铝-硼-铬耐高温磨蚀合金钢随炉加热至500～530℃，保温6～10小时后出炉空冷至室温即可；
硼铁的化学成分质量分数为：19.0～21.0％B,≤0.5％C,≤2％Si,≤0.5％Al,≤0.01％S,≤0.1％P,余量Fe；
氮化铬铁的化学成分质量分数为：60～63％Cr,5.0～6.5％N,C≤0.1％,Si≤2.5％,P≤0.03％,S≤0.04％,余量Fe；
中碳铬铁的化学成分质量分数为：60.0～65.0％的Cr，1.2～2.0％的C，1.0～2.0％的Si，余量为Fe；
高碳铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0％的Cr，7.0～8.5％的C，2.0～3.5％的Si，余量为Fe；
硅铁的化学成分质量分数为：72～80％的Si，<0.2％的C，≤0.02％的S，≤0.04％的P，余量为Fe；
Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22％的C，0.30～0.65％的Mn，≤0.30％的Si，≤0.050％的S，≤0.045％的P，余量为Fe。
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