CN104032230A - 一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢及其制备方法，其化学成分重量比为：C：0.20-0.40%，Si：2.0-2.5%，Mn：1.2-1.5%，Cr：4.7-5.5%，Zr：0.10-0.15%，Ni：1.6-1.8%，Re：0.050-0.20%，Mo：0.30-0.70%，V：0.40-1.1%，P：≤0.040%，S：≤0.020%，其余为Fe。将各原料通过振动或球磨混匀，混匀后的原料经过熔融、连铸得到钢坯，钢坯热轧，然后采用二级恒温退火固溶处理工艺进行退火，冷却到室温，得到合金钢，合金钢表面进行电镀和酸处理，最后得到高硅耐高温耐腐蚀合金钢。本发明的合金钢强度高，耐高温，耐腐蚀，耐磨，使用寿命长，是一种优良的钢材料。
Description
技术领域
本发明属于合金钢制造技术领域，特别涉及一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢及其制备方法。
背景技术
合金钢除了铁和碳元素，还含有不同种类和不同比例的合金元素，通过适当的工艺进行加工处理，可以赋予合金钢特殊的性能，从而满足对钢材的各种需求。合金元素通过改变钢中相的组成，相的成分，相的结构以及分布状态来影响合金钢的性能。
硅（Si）是不形成碳化物元素，可作为炼钢过程中的还原剂，在钢中加入硅元素能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度。硅与其他合金元素结合，还可以提高合金的耐腐蚀和耐高温性能。同时，硅是地壳中含量第二丰富的元素，来源广泛，价格低廉，用来替代其他昂贵合金元素，可以显著降低合金钢的制造成本。
为了改善合金钢的性能，很多合金钢中加入了一定量的硅元素，如镇静钢中含有0.15-0.30%的硅，可以完全脱去钢中的氧；调质结构钢中含有1.0-1.2%的硅，强度可以提高15-20%；电器用低碳矽钢片含有1-4%的硅，具有极高的导磁率。中国专利99105704.X（申请号）公开了一种高硅耐磨铸钢，其成分重量百分比为C：0.6-1.2，Si：1.8-3.0，Mn：0.4-0.5，P＜0.04，S＜0.04，Mo：0.2-0.5，采用工频、中频感应电炉或电弧炉熔炼，以碳钢下脚料或硅钢下脚料为原料，用废电极石墨及其它增碳剂增碳，硅铁合金或SiC增硅，铝合金合金化，控制钢水的成分，用上述熔融钢水浇铸成品工件，浇铸工件进行热处理，得到高硅耐磨铸钢。中国专利200910017762.1（申请号）公开了一种硅合金钢及其制造方法，该发明钢带化学成分重量百分比为： C：0-O.50，Si：0.50-2.0，Mn：0. 20-2.0，P≤0.045，S≤0.050，其余为Fe和微量杂质，采用铁水脱硫预处理、转炉冶炼、钢包吹氢、连铸、热连轧机组轧制，得到硅合金钢。中国专利200810037716.3（申请号）公开了一种高硅低碳型高热强性热作模具钢，该磨具钢成分重量百分比为：C：0.30-0.35，Si：1. 4-1.6，Mn：O.30-0.40，Cr：3.5-4. 5，Mo：0.80-1.20，V：0.80-1.2，P＜0.03， S＜0.02，Fe余量，制备过程依次为熔炼、电渣重熔、高温均匀化、粗锻、毛坯锻造、退火、热处理，最终制得热作模具钢。上述专利中原料都没有进行专门的混匀，可能导致合金元素分布不均匀，对合金钢的强度和耐高温性能产生不利影响，合金钢制成后也没有进行下一步的表面处理，导致耐腐蚀性能不足，合金钢容易受化学品腐蚀。
开发一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢，进一步提高钢材的耐高温和耐腐蚀性能，延长钢材使用寿命，对工业生产有重要意义。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢极其制备方法。
本发明的一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢，其化学成分重量比如下：
C：0.20-0.25%，Si：2.0-2.5%，Mn：1.2-1.5%，Cr：4.7-5.5%，Zr：0.10-0.15%，Ni：1.6-1.8%，Re：0.050-0.20%，Mo：0.30-0.70%，V：0.40-1.1%，P：≤0.040%，S：≤0.020%，其余为Fe。
本发明的一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢制备方法，包括以下步骤：
（1）混匀：将生铁、废铁和其他合金元素混合，原料通过振动混料或球磨混料进行混匀；
（2）熔融：将混匀后的原料投入炉内熔融，温度为1350-1450℃，加入生石灰和苏打粉脱硫脱磷至硫含量不高于0.020%，磷含量不高于0.040%，吹入氧气脱碳至碳含量为0.20-0.25%；
（3）连铸：脱硫处理后的钢水通过连铸机进行浇注，浇注温度为1200-1300℃，得到钢坯；
（4）热轧：连铸后的钢坯通过热轧机进行热轧，终轧温度为1100-1150℃；
（5）退火：热轧后的钢采用二级恒温退火固溶处理工艺进行退火，首先950-1050℃退火，保温1-2小时，然后冷却到750-800℃，保温4-5小时；
（6）冷却：自然冷却到室温得到合金钢；
（7）电镀：对合金钢表面进行电镀Cr或电镀Zr处理；
（8）酸处理：对电镀后的合金钢表面进行酸处理，形成致密氧化膜，得到高硅耐高温耐腐蚀合金钢。
进一步优选的，所述振动混料为将原料投入振动罐振动60-80分钟，振动罐内壁为聚四氟乙烯，振动频率为45Hz，振幅为5mm，振动力为12000N，功率为0.80千瓦。
进一步优选的，所述球磨混料为将原料置于行星球磨机上湿磨4-5小时，湿磨介质为酒精，球磨机转速为200-300转/分钟，球料质量比为10：1。
进一步优选的，所述电镀Cr控制合金钢表面电镀上厚度为0.08-0.12mm的Cr膜，电镀液含CrO3250-300g/L，H2SO42.5-3.0 g/L，Cr3+3-3.5 g/L，电流密度为5-10A/dm2。
进一步优选的，所述电镀Zr控制合金钢表面电镀上厚度为0.05-0.08mm的Zr膜，电镀液含Zr(NO3)4100-150 g/L，TEA20-30 g/L，电流密度为6-8 A/dm2。
进一步优选的，所述酸处理为：电镀后的合金钢放入质量分数为50-55%的氢氟酸水溶液，浸泡20-30分钟。
与现有技术相比，本发明具有以下有点：
1.加入较高含量的Si元素，大大提高了合金钢的耐高温和耐腐蚀性能，减少了贵重合金元素的使用量，降低成本。
2. 原料通过振动或者球磨混匀，各成分分布均匀，合金钢质地均一，有利于提高耐高温性能。
3.加入Cr、Zr、Mo等元素，与碳形成碳化物，可显著提高合金钢的强度，抗拉强度达到1800-2200MPa，屈服强度达到1500-1900MPa，延伸率为15-25%。
4.对合金钢进行电镀Cr或Zr，可以使钢表面形成Cr膜或Zr膜，提高合金钢表面强度，耐磨性能比不镀膜合金钢提高40-60%。
5.对电镀后的合金钢进行酸处理，钢表面Cr膜或Zr膜形成致密的氧化铬膜或二氧化锆膜，合金钢的耐腐蚀性能比不进行酸处理的合金钢提高5-10倍。
附图说明
图1为一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢的制备方法流程图。
具体实施方式
实施例1
一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢，其化学成分重量比如下：
C：0.25%，Si：2.0%，Mn：1.5%，Cr：4.7%，Zr：0.15%，Ni：1.6%，Re：0.20%，Mo：0.30%，V：1.1%，P：≤0.040%，S：≤0.020%，其余为Fe。
其制备方法包括以下步骤：
（1）混匀：将生铁、废铁和其他合金成分混合，将原料投入振动罐振动80分钟，振动罐内壁为聚四氟乙烯，振动频率为45Hz，振幅为5mm，振动力为12000N，功率为0.80千瓦；
（2）熔融：将混匀后的原料投入炉内熔融，温度为1350℃，加入生石灰和苏打粉脱硫脱磷至硫含量不高于0.020%，磷含量不高于0.040%，吹入氧气脱碳至碳含量为0.20-0.25%；
（3）连铸：脱硫处理后的钢水通过连铸机进行浇注，浇注温度为1200℃；
（4）热轧：连铸后的钢坯通过热轧机进行热轧，终轧温度为1100℃；
（5）退火：热轧后的钢采用二级恒温退火固溶处理工艺进行退火，首先1050℃退火，保温1小时，然后直接冷却到750℃，保温5小时；
（6）冷却：合金钢自然冷却到室温；
（7）电镀：在合金钢表面电镀上厚度为0.08 mm的Cr膜，电镀液含CrO3250g/L，H2SO42.5 g/L，Cr3+3.5 g/L，电流密度10A/dm2；
（8）酸处理：对电镀后的合金钢放入质量分数为50%的氢氟酸水溶液，浸泡20分钟，得到高硅耐高温耐腐蚀合金钢。
实施例2
一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢，其化学成分重量比如下：
C：0.20%，Si： 2.5%，Mn：1.2%，Cr： 5.5%，Zr：0.10%，Ni：1.8%，Re：0.050%，Mo： 0.70%，V：0.40%，P：≤0.040%，S：≤0.020%，其余为Fe。
其制备方法包括以下步骤：
（1）混匀：将生铁、废铁和其他合金成分混合，将原料投入振动罐振动60分钟，振动罐内壁为聚四氟乙烯，振动频率为45Hz，振幅为5mm，振动力为12000N，功率为0.80千瓦；
（2）熔融：将混匀后的原料投入炉内熔融，温度为1450℃，加入生石灰和苏打粉脱硫脱磷至硫含量不高于0.020%，磷含量不高于0.040%，吹入氧气脱碳至碳含量为0.20-0.25%；
（3）连铸：脱硫处理后的钢水通过连铸机进行浇注，浇注温度为1300℃；
（4）热轧：连铸后的钢坯通过热轧机进行热轧，终轧温度为1150℃；
（5）退火：热轧后的钢采用二级恒温退火固溶处理工艺进行退火，首先950℃退火，保温2小时，然后直接冷却到800℃，保温4小时；
（6）冷却：合金钢自然冷却到室温；
（7）电镀：在合金钢表面电镀上厚度为0.12mm的Cr膜，电镀液含CrO3300g/L，H2SO43.0 g/L，Cr3+3 g/L，电流密度5A/dm2；
（8）酸处理：对电镀后的合金钢放入质量分数为55%的氢氟酸水溶液，浸泡30分钟，得到高硅耐高温耐腐蚀合金钢。
实施例3
一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢，其化学成分重量比如下：
C：0.22%，Si：2.3%，Mn：1.4%，Cr：5.0%，Zr：0.12%，Ni：1.7%，Re：0.10%，Mo：0.50%，V：0.70%，P：≤0.040%，S：≤0.020%，其余为Fe。
其制备方法包括以下步骤：
（1）混匀：将生铁、废铁和其他合金成分混合，将原料置于行星球磨机上湿磨5小时，湿磨介质为酒精，球磨机转速为200转/分钟，球料质量比为10：1；
（2）熔融：将混匀后的原料投入炉内熔融，温度为1400℃，加入生石灰和苏打粉脱硫脱磷至硫含量不高于0.020%，磷含量不高于0.040%，吹入氧气脱碳至碳含量为0.20-0.25%；
（3）连铸：脱硫处理后的钢水通过连铸机进行浇注，浇注温度为1250℃；
（4）热轧：连铸后的钢坯通过热轧机进行热轧，终轧温度为1150℃；
（5）退火：热轧后的钢采用二级恒温退火固溶处理工艺进行退火，首先1000℃退火，保温1.5小时，然后直接冷却到780℃，保温4小时；
（6）冷却：合金钢自然冷却到室温；
（7）电镀：在合金钢表面电镀上厚度为0.05mm的Zr膜，电镀液含Zr(NO3)4150 g/L，TEA30 g/L，电流密度8 A/dm2；
（8）酸处理：对电镀后的合金钢放入质量分数为50%的氢氟酸水溶液，浸泡30分钟，得到高硅耐高温耐腐蚀合金钢。
实施例4
一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢，其化学成分重量比如下：
C：0.20，Si：2.3%，Mn：1.2%，Cr：5.0%，Zr：0.15%，Ni：1.7%，Re：0.050%，Mo：0.50%，V：0.60%，P：≤0.040%，S：≤0.020%，其余为Fe。
其制备方法包括以下步骤：
（1）混匀：将生铁、废铁和其他合金成分混合，将原料置于行星球磨机上湿磨4小时，湿磨介质为酒精，球磨机转速为300转/分钟，球料质量比为10：1；
（2）熔融：将混匀后的原料投入炉内熔融，温度为1350℃，加入生石灰和苏打粉脱硫脱磷至硫含量不高于0.020%，磷含量不高于0.040%，吹入氧气脱碳至碳含量为0.20-0.25%；
（3）连铸：脱硫处理后的钢水通过连铸机进行浇注，浇注温度为1200℃；
（4）热轧：连铸后的钢坯通过热轧机进行热轧，终轧温度为1120℃；
（5）退火：热轧后的钢采用二级恒温退火固溶处理工艺进行退火，首先1020℃退火，保温1小时，然后直接冷却到800℃，保温5小时；
（6）冷却：合金钢自然冷却到室温；
（7）电镀：在合金钢表面电镀上厚度为0.08mm的Zr膜，电镀液含Zr(NO3)4100 g/L，TEA20 g/L，电流密度6A/dm2；
（8）酸处理：对电镀后的合金钢放入质量分数为55%的氢氟酸水溶液，浸泡20分钟，得到高硅耐高温耐腐蚀合金钢。
实施例5
一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢，其化学成分重量比如下：
C：0.23%，Si：2.4%，Mn：1.3%，Cr：5.5%，Zr：0.15%，Ni：1.6%，Re：0.15%，Mo：0.60%，V：0.80%，P：≤0.040%，S：≤0.020%，其余为Fe。
其制备方法包括以下步骤：
（1）混匀：将生铁、废铁和其他合金成分混合，将原料置于行星球磨机上湿磨4.5小时，湿磨介质为酒精，球磨机转速为250转/分钟，球料质量比为10：1；
（2）熔融：将混匀后的原料投入炉内熔融，温度为1400℃，加入生石灰和苏打粉脱硫脱磷至硫含量不高于0.020%，磷含量不高于0.040%，吹入氧气脱碳至碳含量为0.20-0.25%；
（3）连铸：脱硫处理后的钢水通过连铸机进行浇注，浇注温度为1200℃；
（4）热轧：连铸后的钢坯通过热轧机进行热轧，终轧温度为1150℃；
（5）退火：热轧后的钢采用二级恒温退火固溶处理工艺进行退火，首先1020℃退火，保温2小时，然后直接冷却到750℃，保温4小时；
（6）冷却：合金钢自然冷却到室温；
（7）电镀：在合金钢表面电镀上厚度为0.10mm的Cr膜，电镀液含CrO3280g/L，H2SO42.8 g/L，Cr3+3.2 g/L，电流密度8A/dm2；
（8）酸处理：对电镀后的合金钢放入质量分数为52%的氢氟酸水溶液，浸泡25分钟，得到高硅耐高温耐腐蚀合金钢。
实施例6
一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢，其化学成分重量比如下：
C：0.25%，Si：2.0%，Mn：1.5%，Cr：5.5%，Zr：0.15%，Ni：1.8%，Re：0.050%，Mo：0.30%，V：1.1%，P：≤0.040%，S：≤0.020%，其余为Fe。
其制备方法包括以下步骤：
（1）混匀：将生铁、废铁和其他合金成分混合，将原料投入振动罐振动70分钟，振动罐内壁为聚四氟乙烯，振动频率为45Hz，振幅为5mm，振动力为12000N，功率为0.80千瓦；
（2）熔融：将混匀后的原料投入炉内熔融，温度为1450℃，加入生石灰和苏打粉脱硫脱磷至硫含量不高于0.020%，磷含量不高于0.040%，吹入氧气脱碳至碳含量为0.20-0.25%；
（3）连铸：脱硫处理后的钢水通过连铸机进行浇注，浇注温度为1250℃；
（4）热轧：连铸后的钢坯通过热轧机进行热轧，终轧温度为1100℃；
（5）退火：热轧后的钢采用二级恒温退火固溶处理工艺进行退火，首先1000℃退火，保温1.5小时，然后直接冷却到780℃，保温4.5小时；
（6）冷却：合金钢自然冷却到室温；
（7）电镀：在合金钢表面电镀上厚度为0.06mm的Zr膜，电镀液含Zr(NO3)4125 g/L，TEA25 g/L，电流密度7 A/dm2；
（8）酸处理：对电镀后的合金钢放入质量分数为53%的氢氟酸水溶液，浸泡20分钟，得到高硅耐高温耐腐蚀合金钢。
实施例7
一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢，其化学成分重量比如下：
C：0.20%，Si：2.0%，Mn：1.5%，Cr：5.5%，Zr：0.13%，Ni：1.8%，Re：0.20%，Mo：0.30%，V：0.40%，P：≤0.040%，S：≤0.020%，其余为Fe。
其制备方法包括以下步骤：
（1）混匀：将生铁、废铁和其他合金成分混合，将原料置于行星球磨机上湿磨4小时，湿磨介质为酒精，球磨机转速为280转/分钟，球料质量比为10：1；
（2）熔融：将混匀后的原料投入炉内熔融，温度为1420℃，加入生石灰和苏打粉脱硫脱磷至硫含量不高于0.020%，磷含量不高于0.040%，吹入氧气脱碳至碳含量为0.20-0.25%；
（3）连铸：脱硫处理后的钢水通过连铸机进行浇注，浇注温度为1300℃；
（4）热轧：连铸后的钢坯通过热轧机进行热轧，终轧温度为1120℃；
（5）退火：热轧后的钢采用二级恒温退火固溶处理工艺进行退火，首先950℃退火，保温2小时，然后直接冷却到750℃，保温4.5小时；
（6）冷却：合金钢自然冷却到室温；
（7）电镀：在合金钢表面电镀上厚度为0.12mm的Cr膜，电镀液含CrO3300g/L，H2SO43 g/L，Cr3+3.5g/L，电流密度10A/dm2；
（8）酸处理：对电镀后的合金钢放入质量分数为50%的氢氟酸水溶液，浸泡25分钟，得到高硅耐高温耐腐蚀合金钢。
实施例8
一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢，其化学成分重量比如下：
C：0.23%，Si：2.4%，Mn：1.5%，Cr：4.7%，Zr：0.13%，Ni：1.8%，Re：0.050%，Mo：0.60%，V：0.60%，P：≤0.040%，S：≤0.020%，其余为Fe。
其制备方法包括以下步骤：
（1）混匀：将生铁、废铁和其他合金成分混合，将原料投入振动罐振动80分钟，振动罐内壁为聚四氟乙烯，振动频率为45Hz，振幅为5mm，振动力为12000N，功率为0.80千瓦；
（2）熔融：将混匀后的原料投入炉内熔融，温度为1400℃，加入生石灰和苏打粉脱硫脱磷至硫含量不高于0.020%，磷含量不高于0.040%，吹入氧气脱碳至碳含量为0.20-0.25%；
（3）连铸：脱硫处理后的钢水通过连铸机进行浇注，浇注温度为1300℃；
（4）热轧：连铸后的钢坯通过热轧机进行热轧，终轧温度为1150℃；
（5）退火：热轧后的钢采用二级恒温退火固溶处理工艺进行退火，首先1020℃退火，保温1.5小时，然后直接冷却到760℃，保温5小时；
（6）冷却：合金钢自然冷却到室温；
（7）电镀：在合金钢表面电镀上厚度为0.08mm的Zr，电镀液含Zr(NO3)4150 g/L，TEA20 g/L，电流密度6 A/dm2；
（8）酸处理：对电镀后的合金钢放入质量分数为55%的氢氟酸水溶液，浸泡20分钟，得到高硅耐高温耐腐蚀合金钢。
Claims (7)
1.一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢，其特征在于：其化学成分重量比为：C：0.20-0.25%，Si：2.0-2.5%，Mn：1.2-1.5%，Cr：4.7-5.5%，Zr：0.10-0.15%，Ni：1.6-1.8%，Re：0.050-0.20%，Mo：0.30-0.70%，V：0.40-1.1%，P：≤0.040%，S：≤0.020%，其余为Fe。
2.一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢制备方法，其特征在于：包括以下步骤 ：
（1）混匀：将生铁、废铁和其他合金元素混合，原料通过振动混料或球磨混料进行混匀；
（2）熔融：将混匀后的原料投入炉内熔融，温度为1350-1450℃，加入生石灰和苏打粉脱硫脱磷至硫含量不高于0.020%，磷含量不高于0.040%，吹入氧气脱碳至碳含量为0.20-0.25%；
（3）连铸：脱硫处理后的钢水通过连铸机进行浇注，浇注温度为1200-1300℃，得到钢坯；
（4）热轧：连铸后的钢坯通过热轧机进行热轧，终轧温度为1100-1150℃；
（5）退火：热轧后的钢采用二级恒温退火固溶处理工艺进行退火，首先950-1050℃退火，保温1-2小时，然后冷却到750-800℃，保温4-5小时；
（6）冷却：自然冷却到室温得到合金钢；
（7）电镀：对合金钢表面进行电镀Cr或电镀Zr处理；
（8）酸处理：对电镀后的合金钢表面进行酸处理，形成致密氧化膜，得到高硅耐高温耐腐蚀合金钢。
3.根据权利要求2所述的一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述振动混料为将原料投入振动罐振动60-80分钟，振动罐内壁为聚四氟乙烯，振动频率为45Hz，振幅为5mm，振动力为12000N，功率为0.80千瓦。
4.根据权利要求2所述的一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述球磨混料为将原料置于行星球磨机上湿磨4-5小时，湿磨介质为酒精，球磨机转速为200-300转/分钟，球料质量比为10：1。
5.根据权利要求5所述的一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢制备方法，其特征在于：步骤（7）中，所述电镀Cr控制合金钢表面电镀上厚度为0.08-0.12mm的Cr膜，电镀液含CrO3250-300g/L，H2SO42.5-3.0 g/L，Cr3+3-3.5 g/L，电流密度为5-10A/dm2。
6.根据权利要求5所述的一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢制备方法，其特征在于：步骤（7）中，所述电镀Zr控制合金钢表面电镀上厚度为0.05-0.08mm的Zr膜，电镀液含 Zr(NO3)4100-150 g/L，TEA20-30 g/L，电流密度为6-8 A/dm2。
7.根据权利要求2所述的一种高硅耐高温耐腐蚀合金钢制备方法，其特征在于：步骤（8）中，所述酸处理为：电镀后的合金钢放入质量分数为50-55%的氢氟酸水溶液，浸泡20-30分钟。
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