CN115637393A

CN115637393A - 一种链篦机链节用奥氏体耐热钢及其制备方法

Info

Publication number: CN115637393A
Application number: CN202211331068.9A
Authority: CN
Inventors: 王兴锋; 王永金; 高志喆; 杨会利; 母镕; 陈小艳; 韦思明; 姚茂斌
Original assignee: Angang Group Mining Co Ltd
Current assignee: Angang Group Mining Co Ltd
Priority date: 2022-10-28
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2023-01-24

Abstract

本发明公开一种链篦机链节用奥氏体耐热钢及其制备方法。该奥氏体耐热钢按质量百分比包含以下成分：C：0.25～0.35％，Si：0.5～1.0％，Mn：1.0～2.0％，Cr：21.5～24.0％，Ni：10.5～12.0％，Mo：0.3～0.5％，N：0.15～0.25％，Nb：0.15～0.25％，Ti：0.06～0.10％，B：0.001～0.005％，余量为Fe。本发明通过合理调控[Cr]/[Ni]当量比值，在控制成本的前提下消除了残余δ铁素体；采用Nb‑Ti‑N复合微合金化的方式，引入高温稳定性良好的强化相。经熔炼铸造后得到的耐热钢具有优良综合性能可充分满足链篦机链节的使用需求。

Description

一种链篦机链节用奥氏体耐热钢及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁材料制造技术领域，特别涉及一种链篦机链节用奥氏体耐热钢及其制备方法。

背景技术

链篦机是生产球团的重要设备。链节是链篦机篦床的关键零部件之一，长期在200～1000℃交变循环的恶劣工况下服役，并且在服役过程中还会不断受到球团矿石的磨损。由于链节拆卸更换难度大，一旦发生损坏失效，需停机更换，带来经济损失。若更换不及时，可能引起整个传动***出现故障，甚至导致全面停产。因此亟须开发一种兼备优秀高温力学性能、高温抗氧化性能、耐磨损性能以及抗热疲劳性能的链节用耐热钢。

目前链篦机链节常用的耐热钢有ZG35Cr27Ni7Si、ZG35Cr25Ni12等。这些耐热钢虽然高温抗氧化性能良好，但是其组织中缺少高温稳定性良好、高温下不易粗化的强化相，因此在长时间的服役过程中由于高温强度不足，易引发变形、断裂等问题。此外，由于这些钢中Cr、Si等铁素体形成元素添加量过多，[Cr]/[Ni]当量比值过大，加之铸造过程中的偏析等因素，很容易导致奥氏体组织中出现残余δ铁素体。残余δ铁素体对于需要长时间服役于恶劣工况下的链节是有害的，会显著降低耐热钢的高温强度，并且会加速脆性相σ相的析出，造成蠕变断裂、热疲劳开裂等问题。

现有技术中对耐热钢进行了相关研究。

1、申请号为202111233969.X的专利申请，一种链篦机篦板用高强度、抗氧化CNRE稀土耐热钢及其制备方法。该发明稀土耐热钢按重量百分比计，其化学成分范围为：C 0.2～0.5％，Si 0.5～2.5％，Mn 6.0～13.0％，Cr 15.0～230％，Ni 1.0～4.0％，V0.05～0.50％，Nb 0.05～0.50％，N 0.2～0.5％，RE 0.005～0.5％，余量为Fe。本发明通过C、N共合金化和V、Nb微合金化产生强烈的固溶强化和析出强化作用，提升篦板的初始强度；借助稀土微合金化稳定高温组织，降低高温强度衰减速率，提升高温强度；借助晶界高温稳定析出相，抑制沿晶内氧化，提升抗高温氧化性能。并且，采用中频炉高氮合金化技术、高纯稀土处理技术和精密铸造技术，获得成分均匀、组织致密、性能优异的篦板铸件。但是，该耐热钢采用了稀土元素，成本较高，并且该耐热钢的奥氏体-铁素体双相组织不适用于链篦机链节。

2、申请号为201910058768.7的专利申请，一种700℃下具有高组织稳定性的高铌奥氏体耐热钢及其制备方法。该发明的高铌奥氏体耐热钢按质量百分比计包括，Cr 18～22％，Ni 17～22％，Nb 1～2％，C 0.01～0.08％，N 0.01～0.15％，Co 0.1～1％，0.4％≤(Si+Mn+B+Zr)≤1％，余量为Fe。所述的制备方法包括熔炼成合金锭；将合金锭均匀化退火处理；将均匀化退火后的合金锭在1200～1280℃固溶处理20～120min。其在700℃下长期时效组织析出相稳定，未发现σ相，避免了由于其导致合金在高温服役过程中脆化，并通过二次MX相及Z相弥散强化。但是该技术方案中镍含量较高，导致产品成本过高。

3、申请号为202010513551.3的专利申请，一种含Nb奥氏体耐热钢沉淀强化热处理工艺。该发明公开的是奥氏体耐热钢的热处理工艺，包括：在1200-1300℃保温1-6h进行一次固溶热处理，然后按照5-20℃/min降温速度冷却至400-700℃进行非恒温时效热处理，之后再升温至950-1100℃保温0.5-2h进行二次固溶热处理，最后水冷至室温。本发明采用两次固溶热处理工艺，结合非恒温时效强化热处理，高温强化效果好，既能保证高密度细小弥散MX相的析出，又能避免晶界M₂₃C₆相的形成及其导致的脆性开裂，显著提高奥氏体耐热钢强度。但是，该技术方案主要针对耐热钢的热处理方法，并且该技术方案所用耐热钢镍含量较高，导致产品成本过高。

发明内容

本发明的目的是针对于链篦机链节的恶劣工况环境，提出了一种链篦机链节用奥氏体耐热钢及其制备方法。本发明提供的耐热钢为全奥氏体钢，通过合理调控[Cr]/[Ni]当量比值，在控制成本的前提下，消除奥氏体耐热钢中的残余δ铁素体；同时采用Nb-Ti-N复合微合金化的方式，在奥氏体耐热钢中引入高温稳定性良好的MX相、Z相以及Laves相，大幅提升奥氏体耐热钢的高温力学性能、抗热疲劳性能以及耐磨损性能，以充分满足链篦机链节的使用需求，并改进现有技术的不足之处。

本发明的技术方案之一为：

一种链篦机链节用奥氏体耐热钢，各组分以质量百分比计为：C：0.25～0.35％，Si：0.5～1.0％，Mn：1.0～2.0％，Cr：21.5～24.0％，Ni：10.5～12.0％，Mo：0.3～0.5％，N：0.15～0.25％，Nb：0.15～0.25％，Ti：0.06～0.10％，B：0.001～0.005％，S≤0.03％，P≤0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。

进一步的，上述链篦机链节用奥氏体耐热钢，各组分以质量百分比计为：C：0.28～0.32％，Si：0.6～0.8％，Mn：1.5～1.8％，Cr：22.0～23.0％，Ni：11.0～11.5％，Mo：0.35～0.4％，N：0.18～0.22％，Nb：0.18～0.22％，Ti：0.07～0.08％，B：0.001～0.003％，S≤0.03％，P≤0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。

上述奥氏体耐热钢中主要合金元素选取理由如下(成分以质量百分比计算)：

(1)碳(C)元素：C元素在耐热钢中可以起到固溶强化作用，还能与耐热钢中的多种合金元素生成强化相，可显著提高奥氏体耐热钢的强度。然而C含量若添加过多，将在奥氏体晶界处形成大量连续分布的网状碳化物，不仅会危害耐热钢的塑性、韧性以及抗蠕变性能，还会消耗大量Cr元素，弱化耐热钢的高温氧化性能。因此，将C含量控制在0.25～0.35％之间(优选为0.28～0.32％)。

(2)硅(Si)元素：Si元素可以改善耐热钢的抗高温氧化性能。然而Si元素若添加量过多，会影响耐热钢的力学性能，并且Si元素为铁素体形成元素，会提高耐热钢中的[Cr]当量，从而导致δ铁素体的出现。因此将Si含量控制在0.5～1.0％之间(优选为0.6～0.8％)。

(3)锰(Mn)元素：Mn元素为奥氏体形成元素，可以增加奥氏体组织的稳定性。然而Mn元素若添加过多，会对耐热钢的力学性能以及高温抗氧化性能造成不利影响。因此将Mn含量控制在1.0～2.0％之间(优选为1.5～1.8％)。

(4)铬(Cr)元素：固溶于奥氏体中的Cr元素可以在耐热钢的表面形成致密的Cr₂O₃保护层，是保证耐热钢具备优良抗高温氧化性能的关键。然而Cr元素为铁素体形成元素，添加量过多会导致奥氏体耐热钢中出现δ铁素体。因此将Cr含量控制在21.5～24.0％之间(优选为22.0～23.0％)。

(5)镍(Ni)元素：Ni元素是奥氏体形成元素，是保证奥氏体组织稳定性，阻止残余δ铁素体形成的关键，并且可以增强耐热钢的高温力学性能以及高温抗氧化性能。然而Ni元素成本较高，因此将Ni含量控制在10.5～12.0％之间(优选为11.0～11.5％)。

(6)钼(Mo)元素：加入Mo元素可以在耐热钢中形成Fe₂Mo型Laves强化相，这种强化相的高温尺寸稳定性较好，可以提高耐热钢的高温强度。然而Mo为铁素体形成元素，会提高耐热钢中的[Cr]当量，从而导致δ铁素体的出现。因此将Mo含量控制在0.3～0.5％之间(优选为0.35～0.4％)。

(7)氮(N)元素：N元素是强烈的奥氏体形成元素，其对于奥氏体稳定性的贡献约为Ni元素的15～20倍。并且可以与耐热钢中的多种合金元素结合形成高温稳定性良好的MX相以及Z相，可以显著提高耐热钢的高温力学性能。然而N元素的添加量受制于固溶量以及添加工艺等因素，因此将N含量控制在0.15～0.25％之间(优选为0.18～0.22％)。

(8)铌(Nb)元素：Nb元素在耐热钢中可以与C、N元素形成MX相，与Cr、N元素形成Z相，与Fe元素形成Fe₂Nb型Laves。这些强化相可以大幅提高材料的高温力学性能。然而Nb元素为铁素体形成元素，并且在铸造过程中容易发生偏析，同时考虑到成本因素，因此将Nb含量控制在0.15～0.25％之间(优选为0.18～0.22％)。

(9)钛(Ti)元素：Ti元素在耐热钢中可以与C、N元素形成MX相，细化奥氏体晶粒，同时起到析出强化的作用提高材料的力学性能。因此将Ti含量控制在0.06～0.10％之间(优选为0.07～0.08％)。

(10)硼(B)元素：B元素可以改善耐热钢的耐晶间腐蚀能力，提高奥氏体晶界强度，抑制碳化物的聚集和粗化，增强碳氮化物的弥散强化效果，阻碍σ相在晶界处偏聚。然而B元素若添加过多，会生成硼化物，降低材料的力学性能，因此将B含量控制在0.001～0.005％之间(优选为0.001～0.003％)。

本发明技术方案之二为，上述链篦机链节用奥氏体耐热钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)依照奥氏体耐热钢的元素成分配备原材料；

(2)装料后抽真空，升温至1620℃～1670℃下进行熔化；

(3)在1540℃～1590℃下依次进行脱氧，去除夹杂以及合金化；

(4)待成分符合奥氏体耐热钢的成分标准后，进行浇注，浇注温度为1470℃～1520℃，浇注时采用保温帽和绝热板；切除浇注的冒口以及浇道，完成铸造。

进一步的，上述链篦机链节用奥氏体耐热钢的制备方法，制得的奥氏体耐热钢基体为奥氏体组织，组织中不含有残余δ铁素体。

进一步的，上述链篦机链节用奥氏体耐热钢的制备方法，制得的奥氏体耐热钢在900℃下的高温抗拉强度高于170MPa，高温屈服强度高于120MPa。

进一步的，上述链篦机链节用奥氏体耐热钢的制备方法，制得的奥氏体耐热钢抗氧化性能大于等于“抗氧化性”级别，硬度大于210HB，20～800℃冷热循环200次后裂纹长度小于0.5mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过合理调控[Cr]/[Ni]当量比值，在控制成本的前提下，消除奥氏体耐热钢中的残余δ铁素体；同时采用Nb-Ti-N复合微合金化的方式，在奥氏体耐热钢中引入高温稳定性良好的MX相、Z相以及Laves相。经过熔炼铸造后得到的耐热钢具备优秀的高温力学性能、高温抗氧化性能、抗热疲劳性能以及耐磨损性能，能够很好地适应链篦机链节所处的恶劣工况环境。

附图说明

图1为本发明实施例1链篦机链节用奥氏体耐热钢的显微组织。

图2为本发明对比例链篦机链节用奥氏体耐热钢的显微组织。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1

本实施例链篦机链节用奥氏体耐热钢，成分以质量百分比计为：C：0.29％，Si：0.81％，Mn：1.48％，Cr：21.88％，Ni：10.68％，Mo：0.34％，N：0.20％，Nb：0.20％，Ti：0.08％，B：0.0025％，S：0.006％，P：0.008％。

本实施例链篦机链节用奥氏体耐热钢制备过程为：

依照上述的奥氏体耐热钢的元素成分配备原材料。在冶炼炉装料后抽真空，升温至1650℃进行熔化。再在1550℃依次进行脱氧，去除夹杂以及合金化。待成分符合上述奥氏体耐热钢的成分标准后，进行浇注，浇注温度为1500℃，浇注时采用保温帽和绝热板。切除浇注的冒口以及浇道，完成铸造。铸造得到的奥氏体耐热钢显微组织如图1所示，其基体为奥氏体组织，不包含δ铁素体。

实施例2

本实施例链篦机链节用奥氏体耐热钢，成分以质量百分比计为：C：0.33％，Si：0.73％，Mn：1.56％，Cr：23.20％，Ni：11.07％，Mo：0.42％，N：0.17％，Nb：0.20％，Ti：0.07％，B：0.0021％，S：0.004％，P：0.005％。

本实施例链篦机链节用奥氏体耐热钢制备过程为：

依照上述的奥氏体耐热钢的元素成分配备原材料。在冶炼炉装料后抽真空，升温至1650℃进行熔化。在1550℃依次进行脱氧，去除夹杂以及合金化。待成分符合权利要求1所述的奥氏体耐热钢的成分标准后，进行浇注，浇注温度为1500℃，浇注时采用保温帽和绝热板。切除浇注的冒口以及浇道，完成铸造。

实施例3

本实施例链篦机链节用奥氏体耐热钢，成分以质量百分比计为：C：0.28％，Si：0.59％，Mn：1.78％，Cr：22.79％，Ni：11.53％，Mo：0.33％，N：0.18％，Nb：0.17％，Ti：0.08％，B：0.0021％，S：0.007％，P：0.008％。

本实施例链篦机链节用奥氏体耐热钢制备过程为：

实施例4

本实施例链篦机链节用奥氏体耐热钢，成分以质量百分比计为：C：0.25％，Si：0.52％，Mn：1.07％，Cr：21.60％，Ni：10.56％，Mo：0.31％，N：0.15％，Nb：0.16％，Ti：0.06％，B：0.0013％，S：0.007％，P：0.008％。

本实施例链篦机链节用奥氏体耐热钢制备过程为：

依照上述的奥氏体耐热钢的元素成分配备原材料。在冶炼炉装料后抽真空，升温至1620℃进行熔化。在1540℃依次进行脱氧，去除夹杂以及合金化。待成分符合权利要求1所述的奥氏体耐热钢的成分标准后，进行浇注，浇注温度为1470℃，浇注时采用保温帽和绝热板。切除浇注的冒口以及浇道，完成铸造。

实施例5

本实施例链篦机链节用奥氏体耐热钢，成分以质量百分比计为：C：0.35％，Si：0.99％，Mn：2.02％，Cr：23.80％，Ni：12.01％，Mo：0.49％，N：0.24％，Nb：0.25％，Ti：0.11％，B：0.0048％，S：0.007％，P：0.008％。

本实施例链篦机链节用奥氏体耐热钢制备过程为：

依照上述的奥氏体耐热钢的元素成分配备原材料。在冶炼炉装料后抽真空，升温至1670℃进行熔化。在1590℃依次进行脱氧，去除夹杂以及合金化。待成分符合权利要求1所述的奥氏体耐热钢的成分标准后，进行浇注，浇注温度为1520℃，浇注时采用保温帽和绝热板。切除浇注的冒口以及浇道，完成铸造。

实施例6

本实施例链篦机链节用奥氏体耐热钢，成分以质量百分比计为：C：0.32％，Si：0.79％，Mn：1.84％，Cr：23.20％，Ni：11.48％，Mo：0.40％，N：0.22％，Nb：0.22％，Ti：0.07％，B：0.0012％，S：0.004％，P：0.005％。

制备方法同实施例2。

对比例

对比例为某球团厂正在使用的一种链篦机链节用奥氏体耐热钢，成分以质量百分比计为：C：0.10％，Si：1.20％，Mn：0.71％，Cr：22.67％，Ni：8.72％，Mo：0.39％，N：0.18％，V：0.13％，Co：0.14％，S：0.004％，P：0.018％。采用实施例1的方法进行铸造，铸造得到的耐热钢如图2所示，其奥氏体组织中存在9％的残余δ铁素体。

由于链篦机链节需要长期在200～1000℃交变循环的恶劣工况下服役，并且在服役过程中还会不断受到球团矿石的磨损。因此分别测量并对比实施例1～6以及比较例的高温力学性能、高温抗氧化性能、耐磨损性能以及抗热疲劳性能。

依据GB/T 228.2-205《金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法》以及GB/T13303—1991《钢的抗氧化性能测定方法》，分别对实施例1～6以及比较例在900℃下的高温抗拉强度、高温屈服强度以及高温抗氧化性能进行了测定，结果如表1所示。

表1、实施例以及比较例的高温性能对比

依据GB/T 231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1部分:试验方法》分别对实施例1～6以及比较例的布氏硬度进行测定。在20℃至800℃之间进行加热与冷却的热循环，循环次数200次，测量实施例1～6以及比较例的裂纹长度，结果如表2所示。

表2、实施例以及比较例的布氏硬度以及抗热疲劳性能对比

由表1、表2和图1、图2可以看出，本发明奥氏体耐热钢实施例1～6相比比较例，高温力学性能、高温抗氧化性能、耐磨损性能以及抗热疲劳性能均有大幅提升。本发明通过合理调控[Cr]/[Ni]当量比值，在控制成本的前提下，消除奥氏体耐热钢中的残余δ铁素体；同时采用Nb-Ti-N复合微合金化的方式，在奥氏体耐热钢中引入高温稳定性良好的MX相、Z相以及Laves相。所述奥氏体耐热钢在900℃时抗拉强度高于170MPa，屈服强度高于120MPa，抗氧化性能大于等于“抗氧化性”级别，硬度大于210HB，20～800℃冷热循环200次后裂纹长度小于0.5mm。所述奥氏体耐热钢具备优秀的高温力学性能、高温抗氧化性能、耐磨损性能以及抗热疲劳性能，能够很好地适应链篦机链节所处的恶劣工况环境。

Claims

1.一种链篦机链节用奥氏体耐热钢，其特征在于，各组分以质量百分比计为：C：0.25～0.35％，Si：0.5～1.0％，Mn：1.0～2.0％，Cr：21.5～24.0％，Ni：10.5～12.0％，Mo：0.3～0.5％，N：0.15～0.25％，Nb：0.15～0.25％，Ti：0.06～0.10％，B：0.001～0.005％，S≤0.03％，P≤0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的链篦机链节用奥氏体耐热钢，其特征在于，各组分以质量百分比计为：C：0.28～0.32％，Si：0.6～0.8％，Mn：1.5～1.8％，Cr：22.0～23.0％，Ni：11.0～11.5％，Mo：0.35～0.4％，N：0.18～0.22％，Nb：0.18～0.22％，Ti：0.07～0.08％，B：0.001～0.003％，S≤0.03％，P≤0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。

3.权利要求1或2所述链篦机链节用奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)依照奥氏体耐热钢的元素成分配备原材料；

(2)装料后抽真空，升温至1620℃～1670℃下进行熔化；

(3)在1540℃～1590℃下依次进行脱氧，去除夹杂以及合金化；

4.根据权利要求3所述的链篦机链节用奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于，制得的奥氏体耐热钢基体为奥氏体组织，组织中不含有残余δ铁素体。

5.根据权利要求3所述的链篦机链节用奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于，制得的奥氏体耐热钢在900℃下的高温抗拉强度高于170MPa，高温屈服强度高于120MPa。

6.根据权利要求3所述的链篦机链节用奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于，制得的奥氏体耐热钢抗氧化性能大于等于“抗氧化性”级别，硬度大于210HB，20～800℃冷热循环200次后裂纹长度小于0.5mm。