专利名称：一种制备碳化物颗粒复合强化高温耐热钢方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明提供了一种制备碳化物颗粒复合强化高温耐热钢方法及设备，特别是采取液态反应法制备碳化物粒子复合强化耐热钢。
背景技术：
Fe-Cr-Ni耐热钢是在18/8和18/12Cr-Ni不锈钢的基础上发展起来的，因其具有耐热和耐蚀的良好性能，故在石油化工、冶金、机械及国防军工等工业部门中被广泛应用于工业炉、热处理炉及其它各种耐热构件。为了提高耐热钢的高温强度和耐磨性，常用的方法是通过合金化或热处理的方法，使耐热钢在结晶和时效过程中形成碳化物、氮化物和其它金属间化合物。在这些方法中，为了保证合金基体为奥氏体，合金成分必须在一定的限度范围内，所以各种化合物的体积分数往往很小。为了大大提高了合金基体中的化合物的体积分数，进一步提高Fe基和Ni基合金的力学性能和耐磨性。近年来，利用反应颗粒增强Fe基和Ni基合金的研究十分引人关注。如Hainisi E，TalvitieM，Ristolainen E O.，Scr.Metall.Mater.，1995，30(10)1333-1336利用热等静压法制备了Fe-Cr-Mn-N+Al2O3复合材料并详细研究了奥氏体与Al2O3间的界面结构。Ajay K M.，Script.Metall.，Mater.，28(1993)10，1189.利用该法制取了Al2O3纤维增强的镍基高温合金复合材料。Pyzalla，Genzel C and Reimers W.，Mater.Sci.Eng.，A212(1996)，130则采用该法制备了NbC颗粒增强的Fe-16Cr-12Ni基复合材料。热等静压法的优点是增强相加入量可以任意调节，成分可以准确控制，同时，这种方法克服了一般热压法存在的内部不均匀和空隙率较大的缺点。Skolianos和Skolianos S，Kattamis T Z，Chambers B V.，Mater.Sci.EngA，1994，183A195-204.和Comie J A.，Kattamis T Z，and ChanbersBV.，US Patent 4,853,182，Aug.1，1989.通过Fe-Ti-C过饱和熔体冷却技术制备了TiC增强的304不锈钢和IN-100镍基复合材料，该法的要点是首先热力学和动力学原理设计材料的化学成分，将合金加热至熔化状态，然后将熔体冷却到一定温度，保持一定时间；或者使合金以一定速度冷却。在此过程中，使碳化物、氧化物或氮化物从熔体中沉淀析出。与通常的铸造方法相比，化合物颗粒相的析出是在固液两相区中进行的，由于在区间停留的时间充分，所以颗粒相析出的数目远远超过一般铸造法在相同成分下得到的化合物的数量，而且颗粒的尺寸均匀细小，利用过饱和熔体冷却技术制备的Fe基和Ni基复合材料中颗粒相的体积分数往往可达20％以上。但是这种方法的难点是必须精确的控制各项凝固参数，否则，制备出的合金性能无法保证。
本发明的目的是建立一种利用固态粉末元素与耐热钢熔体中的合金元素直接反应，生成均匀细小的碳化物均匀分布于熔体中，经过铸造后，直接形成碳化物颗粒复合强化的耐热钢，显著提高耐热钢力学性能的工艺方法及设备。
发明内容
1、耐热钢母合金的设计Cr含量高于常规规耐热钢，一般为24～28wt％(wt为重量，以下同)，提高Cr含量优点在于，一是形成一定数量的Cr7C3和Cr23C6化合物，二是获得优良的抗氧化性。Ni含量适中，13～18wt％，由于Ni的成本较高，所以如果Ni含量过高，会造成合金成本提高，但是，Ni是奥氏体化最重要的元素，为了保证合金基体为奥氏体，必须使Ni含量与Cr含量保持一定比例。母合金中C含量为0.5～3wt％，远远高于普通耐热钢，高出的这一部分是为了用于在后续工艺中与固体粉末发生反应形成碳化物颗粒。
2、反应用固态粉末元素的选择与制备为了提高耐热钢的高温强度，本发明选用Ti，Nb，Ta，W等粉末作为主要成分，与母合金熔体中的C发生反应，生成TiC，NbC，TaC，WC等化合物，此外，还选用了Al等粉末作为添加剂，以增加粉末的反应能力。
各种粉末的混合在高能球蘑机中进行，利用粉末包敷机将混好的预制体制成直径为φ6——20mm的连续线材备用。
3、碳化物的液态反应合成制备碳化物的液态反应合成制备技术包括母合金的熔化保温、固态粉末与熔体中的C元素连续反应和电磁搅拌等三个主要工艺。用作液态反应合成碳化物的装置如附图1所示，主要有(1)钟罩，(4)电磁搅拌用线圈，(5)浇包，(6)包盖，(7)包敷线输送轮，(8)包敷线。
具体步骤是将耐热钢母合金首先在中频感应炉内熔化，并过热到合金熔点温度100——200℃，然后将过热熔体输送至浇包，用快速测温仪表测量熔体温度，当温度达到1600——1800℃时，启动包敷线输送装置和电磁搅拌装置，按照所要求的碳化物体积分数，将包敷线以0.005～0.05m/s的速度送入。在包敷线插入的同时，包敷线中的粉末预制体与熔体中的碳发生反应，形成碳化物，继续搅拌3～5min，浇入铸型，制成铸件。
本发明的优点是1、粉末与熔体中C的反应是在熔体内进行的，所以反应形成的碳化物表面无污染，形成铸件后，碳化物与基体合金间界面洁净。
2、碳化物形成过程中，始终伴随着电磁搅拌，所以碳化物能够在熔体中均匀分布，经过浇注凝固后，碳化物在基体中均匀分布，避免了由于密度不同而可能产生的颗粒上浮的问题。
3、碳化物形成反应是在特定温度下通过连续加入定量的粉末预制体完成的。所以本发明工艺过程简单，便于控制，非常容易实现机械化。
4、本发明形成的碳化物复合强化的耐热钢中，碳化物颗粒细小均匀，颗粒的尺寸可以控制5～15μm，体积分数可达20％，碳化物的存在大大提高了耐热钢的机械性能，与未强化的合金相比，碳化物复合强化的耐热钢室温强度提高30％以上，高温强度(750～950℃)可提高20％以上。
图1是本发明的一种用作液态反应合成碳化物的装置，其中(1)为钟罩，(2)为碳化物颗粒，(3)为液态合金，(4)为电磁搅拌用线圈，(5)为浇包，(6)为包盖，(7)为包敷线输送轮，(8)为包敷线。
图2为本发明的基体合金和复合材料的常温拉伸性能图，横坐标为TiC体积百分数，纵坐标为压力，单位为Mpa。
图3为本发明基体合金与复合材料在不同温度下的拉伸实验结果，横坐标为绝对温度K，纵坐标为抗拉强度，单位为Mpa。
具体实施例方式采用生铁、Cr铁、电解Ni板、结晶Si在中频感应电炉熔配母合金，坩埚用MgO材料打结而成，熔配后合金的成分如下(wt％)26Cr、14Ni、0.5～1.0Si、1.5～2.0、Fe余量。选用Ti粉末作为反应体，Ti粉纯度为99.4％，颗粒尺寸小于45μm，选用Al粉末作为添加剂。将Ti粉与Al粉按重量比8∶1配料，在高能球磨机中混合4h，然后在粉末包敷机将混合好的粉末制成直径为φ12mm线材备用。将预先配好的母合金在中频感应电炉中重熔，采用W-Re热电偶配以STF快速测温仪测定熔体温度，待熔体达到1650℃，倒入浇包，当熔体冷却至1600℃时，启动包敷线输送装置和电磁搅拌装置，按照所要求的碳化物体积分数，将包敷线以0.01m/s的速度送入。在包敷线插入的同时，包敷线中的粉末预制体与熔体中的碳发生反应，形成碳化物，继续搅拌5min，浇入铸型，制成φ25×300mm铸件。最后，将铸态试样进行热处理，热处理工艺为1050℃，1h，780℃，4h。
基体合金和复合材料的常温拉伸性能如附图2所示。可见，相对于基体合金，含5vol％TiC颗粒复合材料的屈服强度和比例极限有明显提高，延伸率明显下降，但抗拉强度和弹性模量增加很少。一般认为，当增强颗粒的体积分数较低时，尽管颗粒可以起到一定强化作用，但是此时颗粒对基体的割裂和损伤作用也是很大的，所以，低体积分数复合材料的综合力学性能并没有明显提高。当TiC的体积分数从5％增加到10％时，强化效果明显提高，含10vol％TiC复合材料的抗拉强度由438MPa提高到735MPa，弹性模量由基体合金的86GPa提高到159GPa。TiC的体积分数进一步提高到16％时，尽管弹性指标一直呈上升趋势，但抗拉强度出现明显下降。
基体合金与复合材料在不同温度下的拉伸实验结果如附图3所示。可见，在1073～1173K范围内，抗拉强度随TiC体积分数的提高而明显提高，当TiC的体积分数达到10％时，抗拉强度达到最大值。TiC的含量进一步提高，抗拉强度开始下降，但此时仍比基体合金高出许多。当测试温度高于1273K时，TiC的的强化作用有所降低，以含10vol％TiC颗粒复合材料为例，1073K时该复合材料的抗拉强度是基体合金的3.38倍，当温度提高到1473K时，仅为1.66倍。
权利要求
1.一种制备碳化物颗粒复合强化高温耐热钢方法，其特征在于a、母合金的设计Cr含量为24～28wt％(wt为重量)，Ni含量为13～18wt％，C含量为0.5～3wt％，b、反应用固态粉末元素选用Ti，Nb，Ta，W粉末作为主要成分，与母合金熔体中的C发生反应，生成TiC，NbC，TaC，WC化合物，选用Al粉末作为添加剂，以增加粉末的反应能力，各种粉末的混合在高能球蘑机中进行，利用粉末包敷机将混好的预制体制成直径为φ6-20mm的连续线材备用c、碳化物的液态反应合成制备包括母合金的熔化保温、固态粉末与熔体中的C元素连续反应和电磁搅拌三个主要工艺将耐热钢母合金首先在中频感应炉内熔化，并过热到合金熔点温度100——200℃，然后将过热熔体输送至浇包，用快速测温仪表测量熔体温度，当温度达到1600——1800℃，启动包敷线输送装置和电磁搅拌装置，按照所要求的碳化物体积分数，将包敷线以0.005～0.05m/s的速度送入。在包敷线插入的同时，包敷线中的粉末预制体与熔体中的碳发生反应，形成碳化物，继续搅拌3～5min，浇入铸型，制成铸件。
2一种用作液态反应合成碳化物的装置，其特征在于由钟罩(1)，电磁搅拌用线圈(4)，浇包(5)，包盖(6)，包敷线输送轮(7)，包敷线(8)组成。
全文摘要
本发明提供了一种制备碳化物颗粒复合强化高温耐热钢方法及设备,其特征在于:母合金中Cr含量为24～28wt%(wt为重量),Ni含量为13～18wt%,C含量为0.5～3wt%。反应用固态粉末元素选用C,Ti,Nb,Ta,W粉末作为主要成分,选用Al粉末作为添加剂。碳化物的液态反应合成制备包括母合金的熔化保温、固态粉末在熔体中连续反应生成TiC,NbC,TaC,WC化合物和电磁搅拌工艺。其优点在于生成均匀细小的碳化物均匀分布于熔体中,提高耐热钢力学性能。
文档编号C22C38/48GK1349001SQ01141980
公开日2002年5月15日 申请日期2001年9月26日 优先权日2001年9月26日
发明者惠希东, 林均品, 陈俊, 王艳丽, 宋西平, 陈国良 申请人:北京科技大学