CN106399801A - 一种高强耐磨高温合金 - Google Patents

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Abstract

一种高强耐磨高温合金，合金成分按质量百分比满足：C：0.1～0.7％，Cr：25～35％，Ni：18～35％，Mn：≤0.5％，Si：≤0.5％，Nb：≤2.0％，Ti：0.5～7.0％，Al：7～15％，余量为Fe。其中Al、Ti含量应满足：Al/Ti≥2；Al+Ti≤16％。并且当Nb、Ti、C含量满足[Nb+41/22Ti]/C≤12时，合金中Cr元素含量不低于28％。合金铸态组织由NiAl相、Cr相及MC型碳化物三相构成。其中，NiAl相与Cr相在等轴晶粒内部交替分布并呈花瓣状，并在两相内部均有另一相以细小的颗粒状形态弥散析出。该合金可在铸态下直接使用，其硬度不低于550HV。

Description

一种高强耐磨高温合金
技术领域
本发明属高温用合金钢领域，具体涉及一种高强耐磨高温合金，具有良好耐磨性能，并在1000℃以上具备高强度适用高性能离心器。
背景技术
玻璃棉具有低密度、低传热系数、耐腐蚀、耐高温、化学稳定性好等优良特性而在生产生活各行业中获得广泛应用。采用离心喷吹法生产玻璃棉具有高效率、低能耗等特点，因而目前已成为生产玻璃棉的主流工艺。该工艺将诸如玻璃之类的矿物熔料穿过可高速旋转的成型室(离心器)孔壁产生纤丝，由于旋转离心器的离心作用使纤丝穿过壁上的成纤孔喷射出去，最终形成玻璃纤维。
作为离心喷吹法生产玻璃棉及其制品的设备关键部件，离心器所选用材料设计服役温度往往在1000℃以上，并且长期受到熔融态玻璃腐蚀。此外，离心器在高温下以1900～2400rpm/min的转速长时间工作。因此，对于所选材料的高温性能提出了极高的要求。制造这种离心器的理想材料是铂和铂铑合金，但高昂的原材料成本使其难以获得广泛应用。表面镶嵌铂铑合金虽然也可以满足性能要求，但其成本仍然过于高昂，且加工制作工艺复杂。因此，目前国内外主要采用镍基(荷兰专利NL141-246、美国专利US5460664A、中国专利CN85105271A，CN101397621A，CN101603152B等)或钴基(比利时专利Brevet901647、日本专利No.60-52545、中国专利CN88102822A等)高温合金作为离心器备选材料。这些合金普遍具有较高的碳元素含量(普遍在0.25-0.75％之间)，通过在合金晶界形成较高体积分数的碳化铬以使合金获得较好的高温强度性能，同时抑制奥氏体晶粒在服役期间的快速长大。
目前，通过合金成分的合理调整，离心器所选用的镍钴基高温合金已达到较好的高温强度及抗腐蚀性能。然而，离心喷吹法所选用工艺要求借助离心力使熔融态玻璃穿过离心器壁上的成纤孔喷射出去，并最终形成玻璃纤维。这除了对合金高温强度及抗腐蚀提出较高要求外，还需要合金具备良好的抗腐蚀能力。而目前的镍基与钴基高温合金均为奥氏体基体，其硬度值相对较低，耐磨性较差。因此在使用过程中可以预见成纤孔尺寸将随着服役周期的延长而发生改变，从而对最终成品的玻璃纤维质量带来十分不利的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高强耐磨高温合金，该合金中两种NiAl相与Cr相在等轴晶粒内部交替分布，替代原先的奥氏体组织，使合金获得良好的硬度，从而达到显著改善合金耐磨性能的效果。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种高强耐磨高温合金，合金成分按质量百分比满足如下范围要求：C：0.1～0.7％，Cr：25～35％，Ni：18～35％，Mn：≤0.5％，Si：≤0.5％，Nb：≤2.0％，Ti：0.5～7.0％，Al：7～15％，余量为Fe；其中，Al与Ti质量百分比含量满足下列关系：Al/Ti≥2；Al+Ti≤16％。
本发明进一步的改进在于，当Nb、Ti、C质量百分含量满足[Nb+41/22Ti]/C≤12时，合金中Cr元素质量百分比含量不低于28％。
本发明进一步的改进在于，合金铸态组织由NiAl相、Cr相及MC型碳化物三相构成；其中，NiAl相与Cr相在等轴晶粒内部交替分布并呈花瓣状，并在两相内部均有另一相以细小的颗粒状形态弥散析出；在等轴晶界处NbC呈不连续态分布。
本发明进一步的改进在于，合金能够在铸态下直接使用，其硬度不低于550HV，在1000℃及1100℃时压缩屈服强度分别高于110MPa及70MPa，在1050℃时氧化速率低于2.0×10-11g2cm-4s-1，在1050℃玻璃腐蚀条件下腐蚀速率低于1cm/年。
本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于：
1.通过添加Al、Ti元素促使合金晶粒内部形成NiAl相与Cr相交替分布的两相结构，替代原有的奥氏体晶粒而使合金获得较高的硬度。同时在晶界析出不连续分布的NbC，达到强化晶界的效果。此外，合金通过真空冶炼制备，并辅以电渣重熔工艺，获得纯净致密的合金组织，从而保障合金具备良好的高温强度性能。
2.本发明的合金中两种NiAl相与Cr相在等轴晶粒内部交替分布，替代原先的奥氏体组织，使合金获得良好的硬度，从而达到显著改善合金耐磨性能的效果。
3.本发明所述合金与现有材料相比，合金成分中Ni、Co、W等昂贵金属元素含量较低，确保合金具备了低廉的原料成本。
4.本发明所述合金中较高的Al含量确保合金具备极好的高温抗氧化与抗腐蚀性能。
5.本发明的合金可在铸态下直接使用，其硬度不低于550HV，在1000℃及1100℃时压缩屈服强度分别高于110MPa及70MPa，在1050℃时氧化速率低于2.0×10-11g2cm-4s-1。
6.本发明所述合金适用于1000℃以上超高温服役工况，如玻璃纤维工业中的离心器、石化行业中的裂解炉管、电力行业锅炉燃烧器高温火焰喷嘴等。
附图说明
图1为实施例1合金微观组织分析图。
图2为实施例2合金微观组织分析图。
图3为实施例3合金微观组织分析图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例的高强耐磨高温合金，按质量百分比包括：C：0.2％，Cr：28％，Ni：20％，Mn：0.3％，Si：0.1％，Nb：1.5％，Ti：5.0％，Al：10％，余量为Fe。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比包括：C：0.2％，Cr：28％，Ni：20％，Mn：0.3％，Si：0.1％，Nb：1.5％，Ti：5.0％，Al：10％，余量为Fe。
2)合金熔炼：采用中频真空感应电弧炉将步骤1)配制的合金熔炼成合金母液，控制母液中P、S杂质元素的质量百分比含量均＜0.03％，真空度达到5×10-3后开始进行合金熔炼，并随后辅以电渣重熔工艺。
实施例2
本实施例的高强耐磨高温合金，按质量百分比包括：C：0.7％，Cr：28％，Ni：20％，Mn：0.2％，Si：0.3％，Nb：1.5％，Ti：5.0％，Al：10％，余量为Fe。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比包括：C：0.7％，Cr：28％，Ni：20％，Mn：0.2％，Si：0.3％，Nb：1.5％，Ti：5.0％，Al：10％，余量为Fe。
2)合金熔炼：采用中频真空感应电弧炉将步骤：配制的合金熔炼成合金母液，控制母液中P、S杂质元素的质量百分比含量均＜0.03％，真空度达到5×10-3后开始进行合金熔炼，并随后辅以电渣重熔工艺。
实施例3
本实施例的高强耐磨高温合金，按质量百分比包括：C：0.1％，Cr：25％，Ni：32％，Mn：0.4％，Si：0.5％，Nb：2.0％，Ti：0.5％，Al：15％，余量为Fe。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比包括：C：0.1％，Cr：25％，Ni：32％，Mn：0.4％，Si：0.5％，Nb：2.0％，Ti：0.5％，Al：15％，余量为Fe。
2)合金熔炼：采用中频真空感应电弧炉将步骤：配制的合金熔炼成合金母液，控制母液中P、S杂质元素的质量百分比含量均＜0.03％，真空度达到5×10-3后开始进行合金熔炼，并随后辅以电渣重熔工艺。
参见表1，对实施例1-3的合金材料力学性能分别进行了测试，可见合金在1000-1100℃范围内具备了优异的高温强度性能。测试合金在1000℃及1100℃时压缩屈服强度分别高于110MPa及70MPa，合金硬度不低于550HV。
参见图1，对实施例1所述合金的微观组织进行了观察，合金铸态组织由NiAl相、Cr相及MC型碳化物三相构成。其中，NiAl相与Cr相在等轴晶粒内部交替分布并呈花瓣状，并在两相内部均有另一相以细小的颗粒状形态弥散析出。此外，在等轴晶界处NbC呈不连续态分布。
参见图2，对实施例2所述合金的微观组织进行了观察，C元素含量增加后合金铸态组织仍由NiAl相、Cr相及MC型碳化物三相构成，但晶界碳化物尺寸及体积分数均明显增加。
参见图3，对实施例3所述合金的微观组织进行了观察，Al元素含量增加而Ti元素下降后，合金中NiAl相与Cr相尺寸均显著粗化，但仍以两相交替的形式存在。
表1实施例合金力学性能测试结果
实施例4
本实施例的高强耐磨高温合金，按质量百分比包括：C：0.6％，Cr：30％，Ni：35％，Mn：0.5％，Si：0.05％，Nb：1.0％，Ti：5％，Al：10％，余量为Fe。
实施例5
本实施例的高强耐磨高温合金，按质量百分比包括：C：0.5％，Cr：35％，Ni：18％，Mn：0.1％，Si：0.4％，Nb：0.5％，Ti：3％，Al：7％，余量为Fe。
实施例6
本实施例的高强耐磨高温合金，按质量百分比包括：C：0.4％，Cr：26％，Ni：25％，Mn：0.5％，Si：0.1％，Nb：2％，Ti：4％，Al：8％，余量为Fe。
本发明中当Nb、Ti、C质量百分含量不满足[Nb+41/22Ti]/C≤12时，合金中Cr元素质量百分比满足25～35％即可。
本发明的合金可在铸态下直接使用，其硬度不低于550HV，在1000℃及1100℃时压缩屈服强度分别高于110MPa及70MPa，在1050℃时氧化速率低于2.0×10-11g2cm-4s-1，在1050℃玻璃腐蚀条件下腐蚀速率低于1cm/年。

Claims (4)

1.一种高强耐磨高温合金，其特征在于：合金成分按质量百分比满足如下范围要求：C：0.1～0.7％，Cr：25～35％，Ni：18～35％，Mn：≤0.5％，Si：≤0.5％，Nb：≤2.0％，Ti：0.5～7.0％，Al：7～15％，余量为Fe；其中，Al与Ti质量百分比含量满足下列关系：Al/Ti≥2；Al+Ti≤16％。
2.根据权利要求1所述的一种高强耐磨高温合金，其特征在于：当Nb、Ti、C质量百分含量满足[Nb+41/22Ti]/C≤12时，合金中Cr元素质量百分比含量不低于28％。
3.根据权利要求1所述的一种高强耐磨高温合金，其特征在于：合金铸态组织由NiAl相、Cr相及MC型碳化物三相构成；其中，NiAl相与Cr相在等轴晶粒内部交替分布并呈花瓣状，并在两相内部均有另一相以细小的颗粒状形态弥散析出；在等轴晶界处NbC呈不连续态分布。
4.根据权利要求1所述的一种高强耐磨高温合金，其特征在于：合金能够在铸态下直接使用，其硬度不低于550HV，在1000℃及1100℃时压缩屈服强度分别高于110MPa及70MPa，在1050℃时氧化速率低于2.0×10-11g2cm-4s-1，在1050℃玻璃腐蚀条件下腐蚀速率低于1cm/年。
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