一种用于高温工况下的中碳耐磨钢及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于高温工况下的中碳耐磨钢及其制备方法，其化学成分为(重量％)：C：0.15～0.55％，Si：0.8～2.5％，Mn：1.0～2.5％，Cr：20.0～30.0％，Ni：10.0～16.0％，W：1.0～3.0％，Mo：0.5～2.0％，V：0.1～1.0％，Nb：0.05～0.5％，Ti：0.05～0.2％，N：0.05～0.2％，RE(稀土元素，主要以Y和Ce为主)：0.05～0.2％，S和P≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。采用配料→中频感应炉熔炼→钢包炉精炼→V法铸造→线切割成型→热处理的工艺流程制成。与对比材料ZG40Cr25Ni20Si2的在800℃高温摩擦磨损试验中，前者与后者的相对耐磨性之比不低于1.6倍，并且具有良好的高温抗拉性能和高温抗氧化性能，特别适用于水泥生产用冷却机设备的高温辊式破碎装置的辊圈。
【专利说明】—种用于高温工况下的中碳耐磨钢及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种中碳耐磨钢，特别涉及一种在高温工况下(700~800°C )的中碳耐磨钢及其制备方法。
【背景技术】
[0002]水泥作为当今社会生产建设一种必须的工程材料，其用量不言而喻，带来的能耗也居高不下。冷却机作为生产水泥的一种重要的设备，对熟料起到运输和冷却的作用，与熟料交换的热量用于水泥厂的余热发电，综合利用资源，降低能耗。
[0003]目前，国内冷却机设备的破碎装置均在尾部(工况温度在200°C左右)，很多大块熟料心部热量浪费；经研究，冷却机的破碎装置放置在700~800°C的位置，不仅能够将水泥熟料破碎均匀，更重要的是能够最有效的回收熟料热量。冷却机设备的破碎装置在使用时放置在700~800°C的位置，不仅承受高温水泥熟料的磨损，同时还得承受一定数量的水泥大块熟料的冲击，这就要求所用材料不仅能够抗高温氧化、抗高温磨损，还得有一定的韧性。
[0004]目前，在700~800°C的高温耐磨材料仅有少数欧洲水泥设备制造商生产和供货，牌号类似于国标ZG40Cr25Ni20Si2，使用寿命不低于2年，因此研发一种新型高温耐磨材料，能够打破国外对高温破碎装置在水泥生产设备上的垄断，故而研制高温耐热耐磨材料技术至关重要。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在700~800°C高温工况下的用于高温工况下的中碳耐磨钢及其制备方法。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种用于高温工况下的中碳耐磨钢，按质量百分比，包括以下成分:c:0.15~0.55%, S1:0.8~2.5%，Mn:1.0~2.5 %, Cr:20.0 ~30.0 %，N1:10.0 ~16.0 %，W:1.0 ~3.0 %，Mo:0.5 ~2.0 %，V:
0.1 ~1.0%，Nb:0.05 ~0.5%，T1:0.05 ~0.2%，N:0.05 ~0.2%，RE:0.05 ~0.2%，S+P ( 0.03%，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0007]优选，按质量百分比，包括以下成分:C:0.15~0.4%，S1:1.0~2.0%，Mn:
1.0 ~2.0%，Cr:25.0 ~29.0%, Ni:10.0 ~14.0%，W:1.5 ~2.8%, Mo:0.6 ~1.8%，V:0.2 ~0.6%, Nb:0.1 ~0.35%, Ti:0.1 ~0.2%,N:0.1 ~0.2%, RE:0.08 ~0.15%,S ^ 0.01%, P ^ 0.02%，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0008]更优选，按质量百分比，包括以下成分:C:0.2~0.3%，S1:1.0~1.5%，Mn:1.2 ~1.7%,Cr:26.0 ~28.5%,Ni:11.0 ~13.0%,ff:2.0 ~2.5%,Mo:0.7 ~1.2%，V:0.3 ~0.5%，Nb:0.15 ~0.25%, T1:0.1 ~0.2%，N:0.1 ~0.2%，RE:0.08 ~0.15%,S≤0.01 %，P≤0.02%，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0009]最优选，按质量百分比，包括以下成分:C:0.25%, Si:1.2%,Mn:1.5%, Cr:27%,Ni:12.5%, W:2.2%, Mo:0.75%, V:0.4%, Nb:0.2%, Ti:0.1%, N:0.2%., RE:0.1%,S^0.01%,P^0.02%,其余为Fe和不可避免的杂质。
[0010]所述稀土元素RE以Y和Ce为主成分。
[0011]所述高温工况是指700~800°C的工况。
[0012]上述的用于高温工况下的中碳耐磨钢的制备方法，包括以下步骤:
[0013]第一步:配料
[0014]按照碳钢的化学成分，分别计算并称取废钢、硅铁、锰铁、镍板、钥铁、钨铁、钒铁、低碳络铁、闻碳络铁、钦铁、银铁和稀土 ；
[0015]第二步:中频感应炉熔炼
[0016]先将重量30~80%的废钢加入到中频感应炉中，待炉中废钢开始熔化后，再加入镍板、钥铁、钨铁和铌铁；再加入余下废钢，当炉中金属全部熔化后，再加入高碳铬铁、低碳铬铁、硅铁、锰铁和钒铁，化清；加入钢液重量0.01%的铝丝脱氧，脱氧后待中频感应炉的炉温达到1580~1610°C时，出炉；
[0017]第三步:钢包炉精炼
[0018]将钢水浇入钢包炉中，钢包炉温度稳定在1580±10°C，静置5~10分钟后放入稀土和钛铁，静置15分钟后，出炉浇注；
[0019]第四步:V法铸造
[0020]采用抽负压的方式使砂紧实形成型腔，钢液浇入型腔后，一直保持负压，浇注时负压保持在0.06MPa，在浇注的同时微振3~5s，频率50Hz，振幅不超过0.5mm,浇注完毕后负压保持在0.04MPa，保压30~45min，撤负压，出箱；
[0021]第五步:线切割成型
[0022]根据设计图纸要求，用线切割机机加铸件成成品；
[0023]第六步:热处理
[0024]成品件进行固溶+低温回火热处理:固溶温度1100~1120°C，保温时间根据壁厚调整，每15mm保温I小时，水冷，回火温度200~220°C，保温时间根据壁厚调整，每1mm保温1.5~2小时，空冷。
[0025]本发明的有益效果是:化学成分设计合理，与ZG40Cr25Ni20Si2相比在不增加成本的基础上，大幅提升在700~800°C高温工况下的耐磨性能。同时，在不损失耐磨性的前提下尽可能提高材料韧性，保证使用安全可靠性，首先通过添加RE (以Y和Ce为主)元素，提高合金的纯度，其次通过T1、Nb合金化法增加晶粒的形核核心，提高合金的形核率，在浇注过程中通过机械振动法破碎凝固前期形成的枝晶，再次增加形核核心，采用上述组合方式达到细化晶粒的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明钢在800°C的高温抗氧化性能。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明:
[0028]为实现本发明提供具有高温抗氧化性能和高温抗磨损性能的耐磨钢，本发明的成分控制如下:
[0029]成分设计理由或原理:
[0030]碳:在耐热钢中是一种强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区的元素，它是一种间隙元素，通过和T1、V、W和Mo等强化元素的结合保证材料的耐磨性，但碳含量不宜过高，会对晶间腐蚀不力，故对碳含量控制在0.15~0.55%。优选地，碳含量为0.15~0.4%，更优选为0.2~0.3%。
[0031]锰:在铬-镍耐热钢中，锰可以提高氮在钢中的溶解度，锰和硫有较强的亲和力形成硫化锰，能够有效将钢中硫去除，锰的含量控制在1.0~2.5%能在本发明钢中发挥良好的作用。优选地，锰含量为1.0~2.0%，更优选为1.2~1.7%。
[0032]硅:是铁素体形成元素，在铬-镍耐热钢中，硅含量一般不超过2.5%。硅元素能够提高钢在氧化腐蚀介质中的耐蚀性，提高钢的耐热性，因此硅元素控制在0.8~2.5%。优选地，硅含量为1.0~2.0%，更优选为1.0~1.5%。
[0033]铬:是耐热钢抗氧化和抗腐蚀最主要的元素，同时铬又是强烈形成并稳定铁素体的元素，缩小奥氏体区。为了保证本发明钢的抗氧化性能和抗腐蚀性能，同时又保证钢在室温下为奥氏体组织，一般铬含量控制在20.0~30.0%。优选地，铬含量为25.0~29.0%，更优选为26.0~28.5%。
[0034]镍:是奥氏体耐热钢的主要元素，能够形成并稳定奥氏体组织，使钢获得完全奥氏体组织,提高钢的热强性。镍元素含量控制在10.0~16.0%。优选地,镍含量为10.0~14.0%，更优选为 11.0 ~13.0%o
[0035]钨、钥和钒:能够提高钢的热强性，能够生成碳化物，起到耐磨作用。钨元素含量控制在1.0~3.0 %，优选地为1.5~2.8 %，更优选为2.0~2.5 %;钥元素含量控制在0.5~2.0%，优选地为0.6~1.8%，更优选地为0.7~1.2% ;钒元素含量控制在0.1~1.0%，优选地为0.2~0.6 %，更优选地为0.3~0.5 %。
[0036]铌和钛:能够细化钢的晶粒，并且形成碳化物产生弥散强化，改善抗晶间腐蚀能力，但这两种元素的加入量不能过大，影响钢液的流动性。铌元素含量控制在0.05~0.5%，优选地为0.1~0.35%，更优选为0.15~0.25% ;钛元素含量0.05~0.2%，优选为 0.1 ~0.2%。
[0037]氮:能够形成并稳定奥氏体组织，能够替代部分镍，能够提高钢的强度和耐蚀性。氮元素控制在0.05~0.2 %，优选地为0.1~0.2 %。
[0038]稀土:添加微量主要是起到净化钢液的作用，还可提高钢的抗氧化性能。稀土元素(主要以铈和钇为主)含量都控制在0.05~0.2%，优选地为0.08~0.15%。
[0039]同时，硫、磷等杂质元素在技术条件允许情况下应尽可能降低其含量，减少晶间偏僻，提高韧性。碳元素、氮元素与其它各个元素之间达到理想的最佳配比含量，从而为保证本发明钢在700~800°C的高温抗氧化性能和高温抗磨损性能。
[0040]上述采用配料一中频感应炉熔炼一钢包炉精炼一V法铸造一线切割成型一热处理的工艺流程制成。
[0041]⑴配料
[0042]按照发明钢的化学成分，分别计算并称取废钢、硅铁、锰铁、镍板、钥铁、钨铁、钒铁、低碳络铁、闻碳络铁、钦铁、银铁和稀土 ；
[0043](2)中频感应炉熔炼
[0044]先将30~80%的废钢加入到中频感应炉中，待炉中废钢开始熔化后，再加入镍板、钥铁、钨铁和鈮铁；再加入余下废钢，当炉中金属全部熔化后，再加入高碳铬铁、低碳铬铁、硅铁、锰铁和钒铁，化清；加入铝丝脱氧(钢液重量的0.01% )，脱氧后待中频感应炉的炉温达到1580~1610°C时，出炉；
[0045](3)钢包炉精炼
[0046]将钢水浇入钢包炉中，钢包炉温度稳定在1580±10°C，静置5~10分钟后放入稀土和钛铁，静置15分钟后，出炉浇注；
[0047](4) V 法铸造
[0048]采用抽负压的方式使砂紧实形成型腔，钢液浇入型腔后，一直保持负压，浇注时负压保持在0.06MPa，在浇注的同时微振3~5s (频率50Hz，振幅不超过0.5mm)，浇注完毕后负压保持在0.04MPa，保压30~45min，撤负压，出箱；
[0049](5)线切割成型
[0050]根据设计图纸要求，用线切割机机加铸件成成品；
[0051](6)热处理
[0052]辊圈进行固溶+低温回火热处理:固溶温度1100~1120°C，保温2小时，水冷，回火温度200~220°C，保温6小时，空冷。
[0053]本发明钢实施的具体化学成分(质量分数％ )见下表1所示。
[0054]表1化学成分(质量分数％ )
【权利要求】
1.一种用于高温工况下的中碳耐磨钢，其特征在于，按质量百分比，包括以下成分:C:0.15 ~0.55%, S1:0.8 ~2.5%,Mn:1.0 ~2.5%,Cr:20.0 ~30.0%,N1:10.0 ~16.0%，W:1.0 ~3.0%, Mo:0.5 ~2.0%，V:0.1 ~1.0%，Nb:0.05 ~0.5%，T1:0.05 ~0.2%，N:0.05~0.2%，RE:0.05~0.2%，S+P ≤0.03%，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的用于高温工况下的中碳耐磨钢，其特征在于，按质量百分比，包括以下成分:C:0.15 ~0.4%，Si:1.0 ~2.0%，Mn:1.0 ~2.0%，Cr:25.0 ~29.0%,Ni:10.0 ~14.0%,ff:1.5 ~2.8%,Mo:0.6 ~1.8%,V:0.2 ~0.6%,Nb:0.1 ~0.35%,Ti:0.1 ~0.2%,N:0.1 ~0.2%, RE:0.08 ~0.15%, S ≤ 0.01%, P ≤ 0.02%，其余为 Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的用于高温工况下的中碳耐磨钢，其特征在于，按质量百分比，包括以下成分:C:0.2 ~0.3%,Si:1.0 ~1.5%,Mn:1.2 ~1.7%,Cr:26.0 ~28.5%,Ni:11.0 ~13.0%，W:2.0 ~2.5%，Mo:0.7 ~1.2%，V:0.3 ~0.5%，Nb:0.15 ~0.25%，T1:0.1 ~0.2%, N:0.1 ~0.2%, RE:0.08 ~0.15%, S ≤ 0.01%, P ≤ 0.02%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。
4.根据权利要求3所述的用于高温工况下的中碳耐磨钢，其特征在于，按质量百分比，包括以下成分:C:0.25%, Si:1.2%, Mn:1.5%, Cr:27%, N1:12.5%, W:2.2%, Mo:0.75%，V:0.4%，Nb:0.2%，T1:0.1%，N:0.2%.，RE:0.1%，S ≤ 0.01%，P ≤ 0.02%，其余为Fe和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的用于高温工况下的中碳耐磨钢，其特征在于，所述稀土元素RE以Y和Ce为主成分。
6.根据权利要求1所述的用于高温工况下的中碳耐磨钢，其特征在于，所述高温工况是指700~800°C的工况。
7.—种如权利要求1所述的用于高温工况下的中碳耐磨钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步:配料 按照碳钢的化学成分，分别计算并称取废钢、硅铁、锰铁、镍板、钥铁、钨铁、钒铁、低碳络铁、闻碳络铁、钦铁、银铁和稀土 ； 第二步:中频感应炉熔炼 先将重量30~80%的废钢加入到中频感应炉中，待炉中废钢开始熔化后，再加入镍板、钥铁、钨铁和铌铁；再加入余下废钢，当炉中金属全部熔化后，再加入高碳铬铁、低碳铬铁、硅铁、锰铁和钒铁，化清；加入钢液重量0.01 %的铝丝脱氧，脱氧后待中频感应炉的炉温达到1580~1610°C时，出炉； 第三步:钢包炉精炼 将钢水浇入钢包炉中，钢包炉温度稳定在1580±10°C，静置5~10分钟后放入稀土和钛铁，静置15分钟后，出炉浇注； 第四步:V法铸造 采用抽负压的方式使砂紧实形成型腔，钢液浇入型腔后，一直保持负压，浇注时负压保持在0.06MPa，在浇注的同时微振3~5s，频率50Hz，振幅不超过0.5mm,浇注完毕后负压保持在0.04MPa，保压30~45min，撤负压，出箱；第五步:线切割成型 根据设计图纸要求，用线切割机机加铸件成成品； 第六步:热处理成品件进行固溶+低温回火热处理:固溶温度1100~1120°C，保温时间根据壁厚调整，每15mm保温I小时，水冷，回火温度200~220°C，保温时间根据壁厚调整，每1mm保温.1.5~2小时 ，空冷。
【文档编号】C22C38/58GK104073745SQ201410350897
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】刘旭, 胡斌, 刘智涛, 黄云苓, 陈廷伟, 刘劲松, 王洪霞 申请人:中材装备集团有限公司