本发明涉及一种合金钢及其制备方法，具体地说是一种中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢及其制造方法，用于热镀锌、热镀铝锌生产线。
背景技术：
热镀锌、热镀铝锌生产线沉没辊装置最高会在620-650℃的高温铝锌液中服役，对沉没辊装置的材质要求非常高，既要有耐高温腐蚀性能，又要兼备耐高温磨损性能。国内沉没辊材料大都选用高铬镍合金钢316L、317L，国外的材质也基本都是在316L、317L的基础上进行延伸，产品耐高温腐蚀、耐高温磨损性能一直没有较大突破，加上高铬镍合金成本高、使用周期短，频繁更换造成了生产企业的成本二次增加。受沉没辊装置材质的制约，国内生产沉没辊装置使用寿命短、出镀铝锌板效率低，导致国内高档镀铝锌板主要依靠进口，造成了严重的资源浪费。
技术实现要素：
本发明是为了避免高铬镍合金钢316L、317L耐高温腐蚀、磨损性能较差、使用寿命较短的不足，提供一种中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢及其制造方法，该钢不仅具有良好的耐高温腐蚀磨损性能，而且成本较低。本发明解决技术问题所采用的技术方案是：本发明中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢，其组分按质量百分比构成如下：C：0.40-0.50％，Cr：9.0-11.0％，Si：1-2.5％，W：0.5-1.5％，Mo：0.5-1.5％，RE：0-0.4％，Ti：0-1.5％，Al：1-3％，P：0.01-0.045％，S：0.01-0.045％，其他金属和非金属元素总量≤3％，余量为Fe。其他金属和非金属元素包括N、H、O、Al、Cu、Ni、Nb、Zr、V、W、Co、B、Ta、Mg、Ca、Zn、K、Y、Sn、Pb、Ba中的一种或几种。本发明中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢的制造方法，包括配料、共同熔炼、浇铸成型以及热处理各单位过程：1、共同熔炼将配比量的各原料置于1550-1650℃下熔炼至所有原料熔化，静置15分钟，得到熔炼液；2、浇铸成型将步骤1得到的熔炼液静置冷却至1400-1500℃，扒渣后浇于铸模中，浇铸成型得到铸锭，随后将所得铸锭置于900-950℃下保温2-10小时进行均匀化退火；所述铸模使用前预先于200-500℃预热0.5-2小时。3、热处理将退火后的铸锭依次进行淬火、回火处理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢。所述淬火处理是在450-650℃下预热0.5-2小时，再加热到950-1050℃保温0.5-1.5小时后进行淬火冷却，淬火冷却采用油冷方式；所述回火处理是将淬火后的铸锭于600-700℃保温1-3小时后空冷至室温。本发明方法的设计依据是：C:C是钢中的组元之一。本发明沉没辊材料中C量的控制是为了保证合金得到好的强度、硬度、韧性、耐蚀性的配合，尤其是保证其固溶于淬火M中或与W、Cr、Ti等合金元素作用形成高硬度、高稳定性的合金碳化物，使合金有足够的硬度和耐磨性，避免316L、317L钢由于超低的含碳量导致的合金的硬度、耐磨性明显偏低。含碳量偏低，材料的韧性和耐蚀性将得以提高，但耐磨性会不够；含碳量过高，材料的硬度、耐磨性会改善，但韧性和耐蚀性会下降。Cr：铬是提高钢的淬透性、使钢强化的重要元素，同时也是提高钢的耐蚀性的重要元素。以往的316L、317L沉没辊材质中，含铬量多高于14％。本发明沉没辊选择铬含量为9－11％之间。Cr有强烈提高淬透性作用，保证铸后合金为马氏体组织，回火后获得保持有明显马氏体针遗迹的细小索氏体组织，同时Cr与C形成碳化物可强化硬化合金，提高耐磨性，且有提高回火稳定性及热疲劳抗力作用。因为偏低的含铬量对材料的耐腐蚀性不利；而偏高的铬含量对韧性不利，且会提高成本。另外含铬量的选择还要兼顾铬量与碳量的合理匹配。Si：有固溶强化、提高淬透性作用，进入阻挡层，可增加Zn在其中的扩散系数，阻止Zn的扩散，抑制腐蚀。但Si易使合金脆化，量不宜太多，应不超过2.5％。W：加入钨元素可提高钢的回火稳定性和高温强硬度，是合金具有较高的高温耐磨性。进入阻挡层，可明显增加Zn在其中的扩散系数，强烈阻止Zn的扩散，抑制腐蚀。。但由于W的价格昂贵，为了控制合金成本，加入量不超过1.5％。Mo：加入少量Mo元素可提高合金淬透性。可提高钢的回火稳定性和高温强硬度，是合金具有较高的高温耐磨性。进入阻挡层，可明显增加Zn在其中的扩散系数，强烈阻止Zn的扩散，抑制腐蚀。。但由于Mo的价格昂贵，为了控制合金成本，加入量不超过1.5％。Al：由于铝锌液中的Al先于Zn与Fe反应形成Fe5Al2层，起到抑制锌原子扩散的作用，有利于提高其耐蚀性，但过多，会引起合金强度、耐磨性下降。RE和Ti：加入少量稀土可以净化、细化组织，提高耐蚀性。Ti元素能起到强化作用，能阻止Zn在阻挡层中的扩散，抑制腐蚀。RE、Ti的加入对阻挡层的细化、增韧作用，使阻挡层致密、完整、不碎裂。但量不能高，分别控制在0.4％和1.0％以下。P、S及其他金属与非金属元素：P会引起热脆，S易引起冷脆。其他金属与非金属元素在本发明沉没辊中均作为杂质，其量需严格控制。沉没辊、稳定辊工作环境为接近620-650℃的高温铝锌液，其主要失效形式为高温腐蚀和磨损，由于辊面所受载荷有限，腐蚀问题显得更为重要。其中腐蚀来源于Zn、Fe在高温下的互溶、扩散反应，而316L等奥氏体型不锈钢通过加入大量的Cr、Ni等元素形成单相奥氏体组织的抗腐蚀机理在此环境下是不适用的，而且由于超低的含碳量，合金的硬度、耐磨性明显偏低，因此该类合金设计思想是偏颇的，无法得到高耐铝锌磨蚀性能。且其中Ni含量达到14％，占合金成本的一半以上，明显提高了成本，造成了资源的浪费。与已有技术相比，本发明有益效果体现在：1、本发明沉没辊用钢通过合金设计，使沉没辊经熔炼、铸造和热处理后，获得保持有明显马氏体针遗迹的细小索氏体组织，硬度为58-60HRC，抗拉强度为800-850MPa，冲击韧性aK为20-50J·cm-2，620-650℃铝锌液中均匀腐蚀速率为0.2-0.6g·m-2·h-1，在沉没辊的工作环境下具有很好的耐磨、耐蚀性，其寿命是316L、317L沉没辊的2倍。2、本发明沉没辊按照新的合金设计思路，采用无Ni的合金设计，以中碳(0.40-0.50％)、中铬(9-11％)为基础，加入适量的Si、Mo、W、Al和少量的Ti及稀土。与316L、317L沉没辊相比，由于含Ni量为0，成本明显降低。具体实施方式以下通过实施例对本发明作进一步描述。1、配料本发明实施例中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢按重量百分比的材料成分如下表1：表1组CCrSiWMoRETiAlFe实施例10.409.01.00.50.5001.0余量实施例20.4510.01.01.01.001.01.0余量实施例30.4510.01.51.01.00.11.02.0余量实施例40.4510.02.01.51.00.11.02.5余量实施例50.4511.02.01.51.00.21.53.0余量实施例60.5011.02.51.51.50.41.53.0余量2、制备(1)共同熔炼将配比量的各原料置于1600℃下熔炼至所有原料熔化，静置15分钟，得到熔炼液；(2)浇铸成型将步骤(1)得到的熔炼液静置冷却至1400-1500℃，扒渣后浇于铸模中，浇铸成型得到铸锭，随后将所得铸锭置于930℃下保温3小时进行均匀化退火；所述铸模使用前预先于300℃预热1小时。(3)热处理将退火后的铸锭依次进行淬火、回火处理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢。所述淬火处理是在550℃下预热1小时，再加热到950-1050℃保温0.5-1.5小时后进行淬火冷却，淬火冷却采用油冷方式；所述回火处理是将淬火后的铸锭于650℃保温2小时后空冷至室温。实施例1，含碳量为0.40，保证了合金有较高的塑韧性，保证其固溶于淬火后的M中或与W、Cr、Ti等合金元素作用形成高硬度、高稳定性的合金碳化物，合金有较高的硬度和耐磨性，避免316L、317L钢由于超低的含碳量导致的合金的硬度、耐磨性明显偏低。；Si有固溶强化、提高淬透性和提高耐Zn腐蚀的作用；Cr、W、Mo多元合金化可强烈阻止Zn的扩散，保证合金的耐蚀性和耐热性，其中，Cr、W、Mo与C形成较稳定的化合物，具有高硬度，可提高合金的耐热磨损的能力。Al先于Zn与Fe反应形成Fe5Al2层，起到抑制锌原子扩散的作用，有利于提高其耐蚀性.实施例2，较之实施例1，Cr量增加1.0％，W、Mo、Ti增加可提高合金的硬度、耐磨性、耐热性，提高合金性能和寿命。实施例3，较之实施例2，Si、Al量增加，对Zn在阻挡层中扩散的阻碍作用增强；RE量增加，净化、细化组织，提高耐蚀性。实施例4，较之实施例3，Si、Al、W量增加，对Zn在阻挡层中扩散的阻碍作用增强；W量增加，可进一步提高合金的硬度、耐磨性、耐热性。实施例5，Al、RE增加有利于耐蚀性提高，Ti量增加对提高抗磨性有利。但合金元素增加会增加成本。实施例6，较之实施例5，C、Mo增加对提高耐磨性有利，Si、RE量增加对提高抗Zn液腐蚀有利，但C、Si量增加会降低合金韧性，Mo、RE会增加合金成本。本发明配料可以是生铁+废钢+合金元素，也可以是废钢+合金元素。上述配料、熔炼、浇铸和热处理后，所得合金的室温硬度为HRC58～60，抗拉强度为800～850Mpa，冲击韧性aK为20～50J·cm-2，620～650℃铝锌液中均匀腐蚀速率为0.2～0.6g·m-2·h-1，在沉没辊的工作环境下具有很好的耐磨、耐蚀性。实施例7：1、配料按重量百分比的合金成分为：0.45％C、10.0％Cr、1.0％Mo、1.0％W、0.2％RE、0.5％Ti、2.0％Si、2.0％Al、0.035％P、0.035％S，余量为Fe及杂质。2、制备(1)共同熔炼将配比量的各原料置于1600℃下熔炼至所有原料熔化，静置15分钟，得到熔炼液；熔炼时加入Al作为脱模剂，脱模剂的添加量为原料总质量的0.2％。(2)浇铸成型将步骤(1)得到的熔炼液静置冷却至1450℃，扒渣后浇于钢模铸型中，浇铸成型得到铸锭，随后将所得铸锭置于930℃下保温3小时进行均匀化退火；所述铸模使用前预先于300℃预热1小时。(3)热处理将退火后的铸锭依次进行淬火、回火处理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢。所述淬火处理是在550℃下预热1小时，再加热到1000℃保温0.5小时后进行淬火冷却，淬火冷却采用油冷方式；所述回火处理是将淬火后的铸锭于650℃保温2小时后空冷至室温。实施例8：1、配料按重量百分比的合金成分为：0.40％C、11.0％Cr、1.0％Mo、1.0％W、0.1％RE、1.0％Ti、2.0％Si、2.5％Al、0.035％P、0.035％S，余量为Fe及杂质。2、制备(1)共同熔炼将配比量的各原料置于1600℃下熔炼至所有原料熔化，静置15分钟，得到熔炼液；熔炼时加入Al作为脱模剂，脱模剂的添加量为原料总质量的0.2％。(2)浇铸成型将步骤(1)得到的熔炼液静置冷却至1450℃，扒渣后浇于钢模铸型中，浇铸成型得到铸锭，随后将所得铸锭置于930℃下保温3小时进行均匀化退火；所述铸模使用前预先于300℃预热1小时。(3)热处理将退火后的铸锭依次进行淬火、回火处理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢。所述淬火处理是在550℃下预热1小时，再加热到1020℃保温0.5小时后进行淬火冷却，淬火冷却采用油冷方式；所述回火处理是将淬火后的铸锭于650℃保温2小时后空冷至室温。实施例9：1、配料按重量百分比的合金成分为：0.45％C、11.0％Cr、1.0％Mo、1.5％W、0.1％RE、0.5％Ti、2.5％Si、1.5％Al、0.035％P、0.035％S，余量为Fe及杂质。2、制备(1)共同熔炼将配比量的各原料置于1600℃下熔炼至所有原料熔化，静置15分钟，得到熔炼液；熔炼时加入Al作为脱模剂，脱模剂的添加量为原料总质量的0.2％。(2)浇铸成型将步骤(1)得到的熔炼液静置冷却至1450℃，扒渣后浇于钢模铸型中，浇铸成型得到铸锭，随后将所得铸锭置于930℃下保温3小时进行均匀化退火；所述铸模使用前预先于300℃预热1小时。(3)热处理将退火后的铸锭依次进行淬火、回火处理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉没辊用钢。所述淬火处理是在550℃下预热1小时，再加热到1000℃保温0.5小时后进行淬火冷却，淬火冷却采用油冷方式；所述回火处理是将淬火后的铸锭于650℃保温2小时后空冷至室温。