专利名称：高铬铸钢箅条及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种高铬铸钢篦条及其制造方法，属于高铬耐热合金铸钢及其铸造方法。
篦条是烧结机台车上的主要部件，工作温度高达800～950℃，处于高温氧化环境下，同时篦条处在含有CO、CO2、SO2和水蒸汽的气体介质中，受到气体的腐蚀作用，篦条还要承受烧结矿的撞击和摩擦磨损作用，其工作环境十分恶劣。目前我国主要使用中硅耐热球铁篦条和高铬铸铁篦条，前者抗氧化性差，使用寿命低，后者脆性大，使用中易出现脆性断裂。国外采用具有较好的耐热性和耐磨性的高铬镍合金篦条，但由于这类篦条中镍含量高，造成篦条的成本过高，而我国镍资源又十分短缺。中国专利ZL88105269．8公开了《一种炉用耐热铬钢》，其化学成分为C0．6～1．0％、Si1．4～2．0％、Mn≤0．6％、S≤0．035％、P≤0．045％、Cr15．0～19．0％、Re0．03～0．1％、余量为Fe。该炉用耐热铬钢采用无镍配方，解决了高铬镍合金篦条的高成本问题，但其抗氧化性和耐磨性明显降低。
本发明的目的是提供一种多元素、低镍含量的高铬铸钢篦条及其制造方法，在成本得到控制的同时，大幅度提高篦条的抗氧化性和耐磨性。
本发明的目的是通过以下措施实现的。
一种高铬铸钢篦条，其化学成分组成为(重量％)C1．0～2．2％、Cr22．0～30．0％、Al3．0～7．0％、Si1．0～2．5％、Mn0．5～1．0％、Ni0．2～0．8％、B0．005～0．04％、Zr0．04～0．10％、Y0．08～0．25％、K0．02～0．08％、S＜0．04、P＜0．04，余量为Fe。
一种制造上述高铬铸钢篦条的方法，采用电炉熔炼，其制造工艺步骤如下①将普通废钢、碳素铬铁、低碳铬铁和不锈钢废料混合放入炉中加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁；②炉前调整成分合格后将温度升至1580～1640℃，加入占钢水重量4％～7％的Al脱氧和合金化，而后出炉；③将含钾变质剂、钇基稀土、铝锆合金和硼铁破碎至粒度小于15mm的小块并烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；
④钢水经过滤处理，在其温度为1420～1480℃时，浇注入湿砂型铸造篦条；⑤浇铸8～12分钟后开箱空冷篦条；⑥对篦条进行退火处理，退火处理工艺为300～420℃、3～6)小时，空冷或炉冷。
钢水入铸型前的过滤处理，是采用耐火纤维过滤网进行的，过滤网的网孔1．5～2．0mm×1．5～2．0mm，网厚0．20～0．40mm，空隙率40～60％，过滤网安放于浇口杯下面。
C是影响高铬耐热钢硬度和韧性的主要元素，C含量高时，组织中碳化物数量多，基体硬度高，耐磨性好。C含量对韧性有双重影响，一方面随着C含量增加，碳化物显著增加，且多分布在晶界上，故冲击韧性下降，另一方面，所形成的碳化物阻碍高铬耐热钢的高温晶粒长大，使晶粒显著细化。此外高铬钢C量高时，高温发生α→γ转变，而γ相对高温晶粒长大不敏感，因此高铬耐热钢韧性随C量增加出现极大值，为兼顾钢的耐磨性和韧性，将C含量控制在1．0％～2．2％。
Cr是高铬铸钢中最主要的合金元素，高铬铸钢之所以有较高的耐热性能，主要是Cr的加入使合金外表层在高温作用下能生成一层致密的Cr2O3保护层，阻止或延缓了合金的氧化过程由外部氧化转向内部氧化。在高温工况下，由于受应力等的作用，使氧化膜及下表层产生裂纹，裂纹的出现为合金的内部氧化提供了供氧通道。高铬铸钢本身对裂纹有修复能力，Cr含量越高，对裂纹修复能力越强，但Cr含量超过30％时，有脆性化合物σ相析出，损害材料的韧性，此外Cr含量过高，材质熔炼困难，铸造性能恶化，成本显著升高，因此Cr含量以22％～30％为宜。
Al也是耐热合金中常用的抗氧化元素，耐热合金在高温下的破坏形式有氧化与生长或变形开裂。Al能在金属表面于高温下迅速氧化，同时生成连续致密的保护膜，牢固地覆盖于金属表面，从而有效地阻碍氧及金属(原子或离子)在高温下扩散，使合金具有高温抗氧化能力。同时Al还能使α→γ相变温度提高，稳定珠光体，或提高珠光体分解温度，使合金具有抗高温生长的能力。Al加入量过多，材质铸造性能恶化，成本增大，因此将Al含量控制在3．0％～7．0％。
Si在高温时对氧化有抑制作用，在温度较高(大于900℃)时，能够形成较致密的氧化层。在高铬铸钢中加入适量的Si可明显改善其抗氧化性，但Si增大高铬铸钢的脆性，加入量过多，会使高铬铸钢的冲击韧性明显降低，为兼顾冲击韧性和抗氧化性，将Si含量控制在1．0％～2．5％。
Mn不是抗氧化元素，其分子量大，氧化物又不足以形成钝化保护膜，所以尽量降低其含量，但Mn可起脱氧作用，因此将其含量控制在0．5％～1．0％。
Ni是一种非碳化物形成元素，它固溶于基体能够提高基体的高温强度和热疲劳强度。而基体组织的高温强度对发挥碳化物抵抗高温磨料磨损可起到重要作用，因为它直接关系到能否对碳化物提供良好的支撑条件，Ni还能在一定程度上提高合金抗氧化能力，但其价格较高，综合考虑将Ni含量控制在0．2％～0．8％。
高铬铸钢中加入微量B，可促使共晶碳化物粒化，有利于提高合金的冲击韧性。此外B在高铬铸钢中主要以硼化物形式存在，而硼化物可减少合金氧化时氧化剂的扩散通道，提高氧化膜粘附力，硼化物还可显著减小氧化膜的生长应力，使氧化膜不易引起应力集中，减弱甚至抑制氧化膜产生裂纹，对提高高铬铸钢的抗氧化性是有利的，但加入量过多，使合金脆性增大，因此将B含量控制在0．005％～0．04％。
Zr既可细化晶粒，提高合金强韧性，还降低氧在氧化膜中的扩散率和合金氧化膜生长率，提高合金耐热性，加入量过多，使合金变脆，因此将Zr含量控制在0．04％～0．10％。
Y具有净化晶界的作用，而晶界是合金高温工作时的薄弱部位，晶界净化能提高抗晶界氧化能力，从而提高合金的高温强度和蠕变强度。Y还能促进Cr和Al的优先氧化，使合金表面很快形成完整均匀的Cr2O3膜或Al2O3膜，并能减小Cr2O3膜和Al2O3膜的生长速率，提高合金氧化膜的抗剥落性，从而提高合金的抗氧化性和抗高温生长性。但过量Y将导致夹杂物增多，反而降低高铬铸钢的强韧性，因此将Y含量控制在0．08％～0．25％。
K可降低高铬铸钢的初晶结晶温度和共晶结晶温度，有助于钢水在液相线和共晶区过冷，而合金的结晶过冷度增大，会使形核率大大增加，因此，K使初晶奥氏体晶核增多，初晶奥氏体得以细化，初晶奥氏体的细化导致共晶反应时残留钢液相互被隔开的趋势增强，进而导致共晶组织的细化。此外，K在共晶结晶时选择性地偏聚在共晶碳化物择优长大方向前沿钢液中，阻碍钢液中的Fe、Cr、C等原子正常长入共晶碳化物晶体，降低了共晶领先相碳化物
择优长大方向的长大速度，导致
方向长大减慢，而
、[100]方向长大速度增大，导致共晶碳化物变成不规则的团块状。初晶奥氏体的细化和共晶碳化物形态的改善，有利于高铬铸钢机械性能，特别是冲击韧性的大幅度提高，但加入量过多，导致钢中夹杂物数量增多，对机械性能反而带来不良影响，综合考虑，将K含量控制在0．02％～0．08％。
P和S是原料中带入的不可避免的微量杂质，均是有害元素，为了保证篦条的强度、韧性和耐磨性，我们将P和S的含量均控制在0．04％以下。
铸造和热处理工艺也能够使合金材质的性能得到改善，本发明中篦条制造工艺的制订依据是由于夹杂物的存在降低合金的常温力学性能和高温力学性能，因此在冶炼过程中采用钢液高温出炉，入浇包时用冲入法进行变质处理等措施。此外我们还采用了过滤处理工艺对钢液进行过滤处理，以进一步减少钢液中夹杂物含量，提高高铬铸钢的力学性能。可用于钢液过滤的过滤器有泡沫陶瓷过滤器、直孔陶瓷过滤器、多孔陶瓷过滤器、过滤网、缝隙式过滤器等，选用过滤器时首先要考虑钢液成分、铸钢熔铸条件、熔体与过滤器的浸润性等合金特性和铸件结构。同时还要考虑过滤器的耐火度、化学稳定性等。综合考虑上述因素后，选用了使用灵活、过滤效果良好、价格低廉的耐火纤维过滤网对篦条进行过滤处理。与不过滤处理相比，过滤处理后篦条中夹杂物减少15．8％～24．6％，可使冲击韧性提高8．8％～12．5％。过滤处理因减少了钢液中夹杂物含量，使钢液粘度降低，流动性提高，可明显提高钢液在铸造中的充型能力，有利于降低篦条铸造废品率，经过滤处理后，篦条铸造废品率由过滤处理前的5．3％～6．2％降至1．7％以下。
为消除篦条内应力和稳定组织，篦条需要进行退火处理。退火加热温度过高，篦条易变形，退火加热温度过低，篦条内应力不易消除，选用退火加热温度为300～420℃，可确保内应力的消除，篦条变形量小于0．2％。保温时间过短，篦条内应力消除不完全，保温时间过长，浪费能源，保温时间选择为3～6小时可确保篦条内应力的消除，又不会使能源浪费。因篦条形状简单，退火加热温度不高，篦条保温后的冷却方式选用空气冷却或炉内冷却均可。篦条热处理后的金相组织为共晶碳化物+二次碳化物+奥氏体+铁素体。
本发明与现有技术相比所具有的优点在于
①该篦条金相组织中含有13．2％～17．9％高硬度共晶碳化物，导致篦条硬度高，达到HBS420～480，耐磨性好。用于烧结机台车上，其消耗量为9～12g／t烧结矿，而炉用耐热铬钢篦条为17g／t烧结矿，高铬镍合金篦条为10．5g／t烧结矿。
②篦条组织中含有较多的抗氧化和抗生长元素，因此具有良好的抗氧化性和抗生长性，见表1。在900℃连续加热500小时后的氧化速度为10．5～14．3(mg／m2·h)，在950℃连续加热150小时后的生长率为0．008％～0．015％，其抗氧化性和抗生长性明显优于炉用耐热铬钢，与高铬镍合金相当。表1本发明篦条和其它篦条的抗氧化性和抗生长性对比 ③本发明篦条铸造中采用过滤处理，可使夹杂物减少15．8％～24．6％，篦条冲击韧性提高8．8％～12．5％。篦条铸造废品率由过滤处理前的5．3％～6．2％降至1．7％以下。
④本发明用多元微合金对高铬铸钢进行复合变质处理，可使共晶碳化物由条、带状分布变为块状、球状分布，分布均匀性提高，使铸钢强度提高，冲击韧性大幅度提高，抗拉强度达到930～1025MPa，冲击韧性达到10．5～12．8J／cm2，完全能够满足蓖条用钢的要求。
下面对本发明的实施例进行详述。
实施例11、配料各种原料的用量(重量％)普通废钢42．46％， 碳素铬铁21．3％，低碳铬铁20．8％， 锰铁0．5％，硅铁0．8％，铝锭5．7％，不锈钢废料6．7％， 含钾物质0．84％，钇基稀土0．59％， 硼铁0．07％，铝锆合金0．24％。
2、熔炼用500公斤酸性中频感应电炉熔炼①将212．3公斤普通废钢、106．5公斤碳素铬铁、104公斤低碳铬铁和33．5公斤不锈钢废料按上述成分要求混合放入炉中加热熔化，钢水熔清后，加入4公斤硅铁、2．5公斤锰铁；②炉前调整成分合格后将温度升至1620℃，加入28．5公斤铝锭脱氧和合金化，而后出炉；③将4．2公斤含钾变质剂、2．95公斤钇基稀土、1．2公斤铝锆合金和0．35公斤硼铁破碎至粒度11～14mm的小块，经180℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理。
3、篦条的铸造①用湿石英砂铸型铸造篦条，钢水浇注温度为1440℃，钢水入铸型前用耐火纤维过滤网进行过滤处理，过滤网的网孔1．66mm×1．66mm，网厚0．25mm，空隙率55％，过滤网安放于浇口杯下面；②浇注10分钟后开箱空冷篦条。
4、篦条热处理篦条退火处理工艺为350℃×5．5小时，空冷，篦条退火处理在箱式电阻炉内进行。
从篦条上取样进行化学分析，其成分如下(重量％)C1．82，Cr25．83，Al4．87，Si1．23，Mn0．64，Ni0．62，B0．012，Zr0．06，K0．05，Y0．11，S0．012，P0．037，余量为Fe。
篦条铸造中废品率1．23％。篦条退火热处理后的变形量0．08％。
在篦条实体上切取20mm薄片测试硬度为456HBS。
在篦条实体上切取10mm×10mm×55mm的无缺口试样，测试合金的冲击韧性为11．2J／cm2。
在与篦条同炉浇注的Y型试块上切取φ20mm×320mm试样，测试合金的抗拉强度为985MPa。
实施例21、配料各种原料的用量(重量％)普通废钢49．71％， 碳素铬铁18．3％，低碳铬铁17．5％， 锰铁0．3％，硅铁1．5％，铝锭6．9％，不锈钢废料3．8％， 含钾物质0．68％，钇基稀土0．90％， 硼铁0．06％，铝锆合金0．35％。
2、熔炼用250公斤碱性中频感应电炉熔炼①将124．275公斤普通废钢、45．75公斤碳素铬铁、43．75公斤低碳铬铁和9．5公斤不锈钢废料按上述成分要求混合放入炉中加热熔化，钢水熔清后，加入3．75公斤硅铁、0．75公斤锰铁；
②炉前调整成分合格后将温度升至1630℃，加入17．25公斤铝锭脱氧和合金化，而后出炉；③将1．7公斤含钾变质剂、2．25公斤钇基稀土、0．875公斤铝锆合金和0．15公斤硼铁破碎至粒度10～12mm的小块，经175℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理。
3、篦条的铸造①用湿石英砂铸型铸造篦条，钢水浇注温度为1450℃，钢水入铸型前用耐火纤维过滤网进行过滤处理，过滤网的网孔1．66mm×1．66mm，网厚0．25mm，空隙率55％，过滤网安放于浇口杯下面；②浇注11分钟后开箱空冷篦条。
4、篦条热处理篦条退火处理工艺为380℃×5小时，炉冷，篦条退火处理在箱式电阻炉内进行。
从篦条上取样进行化学分析，其成分如下(重量％)C1．61，Cr23．27，Al6．23，Si1．78，Mn0．52，Ni0．33，B0．009，Zr0．08，K0．04，Y0．17，S0．011，P0．034，余量为Fe。
篦条铸造中废品率1．15％。篦条退火热处理后的变形量0．07％。
在篦条实体上切取20mm薄片测试硬度为439HBS。
在篦条实体上切取10mm×10mm×55mm的无缺口试样，测试合金的冲击韧性为12．5J／cm2。
在与篦条同炉浇注的Y型试块上切取φ20mm×320mm试样，测试合金的抗拉强度为948MPa。
将本发明篦条在50m2的小型烧结机台车和450m2的大型烧结机台车上进行装机试验，连续使用达到36个月，使用安全、可靠，使用中从未发生断裂事故。
权利要求
1．一种高铬铸钢篦条，其特征在于它的化学成分组成为(重量％)C1．0～2．2％、Cr22．0～30．0％、Al3．0～7．0％、Si1．0～2．5％、Mn0．5～1．0％、Ni0．2～0．8％、B0．005～0．04％、Zr0．04～0．10％、Y0．08～0．25％、K0．02～0．08％、S＜0．04、P＜0．04，余量为Fe。
2．一种制造权利要求1所述的高铬铸钢篦条的方法，采用电炉熔炼，其特征在于它的制造工艺步骤如下①将普通废钢、碳素铬铁、低碳铬铁和不锈钢废料混合放入炉中加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁；②炉前调整成分合格后将温度升至1580～1640℃，加入占钢水重量4％～7％的Al脱氧和合金化，而后出炉；③将含钾变质剂、钇基稀土、铝锆合金和硼铁破碎至粒度小于15mm的小块并烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；④钢水经过滤处理，在其温度为1420～1480℃时，浇注入湿砂型铸造篦条；⑤浇铸8～12分钟后开箱空冷篦条；⑥对篦条进行退火处理，退火处理工艺为300～420℃、3～6小时，空冷或炉冷。
3．根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的钢水入铸型前的过滤处理，是采用耐火纤维过滤网进行的，过滤网的网孔1．5～2．0mm×1．5～2．0mm，网厚0．20～0．40mm，空隙率40～60％，过滤网安放于浇口杯下面。
全文摘要
本发明公开了一种高铬铸钢箅条及其制造方法,箅条的化学成分组成为(重量%):C1.0～2.2%、Cr22.0～30.0%、Al3.0～7.0%、Si1.0～2.5%、Mn0.5～1.0%、Ni0.2～0.8%、B0.005～0.04%、Zr0.04～0.10%、Y0.08～0.25%、K0.02～0.08%、S<0.04、P>0.04,余量为Fe。与现有技术相比,本发明高铬铸钢箅条在成本得到控制的同时,大幅度提高了箅条的抗氧化性和耐磨性,使用寿命长,可降低烧结矿的生产成本。
文档编号C22C38/56GK1282799SQ0012369
公开日2001年2月7日 申请日期2000年8月29日 优先权日2000年8月29日
发明者洪桃生, 符寒光 申请人:宝山钢铁股份有限公司, 冶金工业部北京冶金设备研究院