专利名称：一种高铬镍合金钢导板的稀土变质及时效处理方法
技术领域：
本发明属于冶金技术领域，涉及一种高合金钢的稀土变质及时效处理方法。
背景技术：
高铬镍合金钢作为连轧钢管机组入口导板，在使用过程中提前出现粘钢、疲劳裂纹和断裂等现象，导致早期报废或使用过程中出现初期网状裂纹等，在恶劣的使用条件下发生裂纹扩展导致断裂。经解剖分析，主要问题是导板的组织结构不合理，组织中的一次碳化物连成网状，引起导板寿命下降。从高铬镍合金钢的铸态凝固特点来看，由于C和Cr等合金元素偏析，奥氏体枝晶间和晶界的钢液熔池达到共晶成分，在钢液中发生共晶反应，形成的共晶碳化物呈网状分布在晶界上，而共晶碳化物是热疲劳裂纹扩展的主要通道，由于碳化物脆性大，在循环热应力下容易破碎，且一旦出现裂纹即迅速扩展。断裂力学理论指出，脆性断裂包括裂纹的萌生和传播，所以控制钢中碳化物类型、数量、形貌、分布和尺寸是改善钢材性能的有效手段。因此，高铬镍合金钢的热疲劳抗力主要取决于碳化物形态。为了提高导板的性能，需改善碳化物数量和形貌，首先考虑加入稀土进行变质处理改善一次碳化物的形貌，再通过热处理来控制二次碳化物的析出数量与形貌，从而改善材料性能。高铬镍合金钢的冷却凝固过程是首先从液相中析出δ固溶体，然后发生 L+δ - y的包晶反应，进而继续发生L+δ — Y+C1 (—次碳化物)的包共晶反应，然后发生L— Y+C1的共晶反应，同时随着C1的析出，C1将沿着γ晶界连续生长，直到完全凝固， 形成由奥氏体+碳化物组成的共晶产物，其中碳化物呈网状，网络之间为Y相。所以要改变高铬镍合金钢从液相中析出的一次碳化物形貌，可通过加入稀土(RE)进行变质处理。RE 是强过冷元素，在凝固过程中将发生严重偏析，通过溶质再分配而富集在初生奥氏体生长前沿的熔体中，造成较大的成分过冷，有利于奥氏体枝晶的多次分枝及枝晶间距的减小，使钢的枝晶组织得到细化，阻碍奥氏体长大。初晶奥氏体的细化将导致共晶反应时的残留钢液相互被隔开的趋势增强，共晶阶段共晶奥氏体优先在狭窄通道两侧的初晶奥氏体上以离异方式结晶，促使残液进一步被分隔，最后导致碳化物网被断开而孤立化。热处理组织状态对导板的使用寿命有很大的影响，所以热处理应该向着增加高加高寿命的组织状态来进行。高铬镍合金钢导板传统的热处理工艺是将铸态导板机加工后，在煤气炉中将导板加热到1080°C保温30分钟进行正火处理。正火态试样经王水腐蚀后可观察到粗大的网状一次碳化物，二次碳化物大量析出，且二次碳化物颗粒长大 (如图1所示)。大块状的一次碳化物连成网状，这种组织的性能恶劣，大块状的碳化物割裂基体产生早期裂纹，合金钢导板在使用过程中频繁经历骤冷骤热，裂纹将迅速扩展导致开裂。另外，二次碳化物颗粒尺寸对接触疲劳寿命有着明显影响，在相同的累积破坏率下细小碳化物的寿命比粗颗粒寿命要高。因此，通过热处理获得细小弥散的二次碳化物是提高导板使用寿命的有效途径。申请号为200610040275. 3的中国发明专利“穿孔机导板”公开了一种穿孔机导板的化学成分C 0. 65 1. 5%, Si 1. 0 3. 0%, Mn < 2%, Cr 28 32%，Ni 49 52%， W 4 6.5%，其余为!^e及杂质元素。该成分体系设计的特点是Ni元素含量极高，并加入了一定量的W元素，使穿孔机导板的制造成本增加，生产厂家和用户难以接受。申请号为200810166746. 2的中国发明专利“无缝钢管穿孔机用导板”公开的一种穿孔机导板的成分C1. 7 2. 0%,Si0. 6 0. 8%,MnO. 6 0. 8%,Cr27 30%，Ni5. 6 20%,Nb+RE 0. 15 0. 35%，其余为!^e及杂质元素。该专利是在申请号为200710018263. 5 的中国发明专利“一种新型无缝钢管穿孔机用导板”基础上进行改进的，Ni含量从4. 5 5. 5%增加为5. 6 20%。根据实验结果，含镍太高的导板在使用中容易产生粘钢而造成钢管表面划伤，从而影响钢管的质量，而含镍太低的穿孔机导板虽然成本低，但耐磨性能和抗热裂性能差。该专利仅公开了穿孔机导板的化学成分，没有涉及对应成分下的热处理工艺。
发明内容
本发明公开一种高铬镍合金钢稀土变质和时效处理方法。技术方案为从材质成分和热处理两方面进行，来改善高铬镍合金钢导板的碳化物形貌以提高其使用寿命。本发明的成分设计为中等镍含量，并进行变质处理和时效处理，变质剂为稀土丝。本发明要通过热处理获得稳定性好的二次碳化物和均勻分布的球状二次碳化物。本发明高铬镍合金钢，通过冶炼、变质、时效热处理等工艺，达到改善性能、提高寿命的目的。稀土变质处理可以使大块状的网状一次碳化物产生颈缩、球化。时效处理可以使二次碳化物由大量粗大的长条状变为细小弥散的小颗粒析出。实验方法是采用1吨中频炉冶炼，当温度达到1600°c时插铝脱氧出钢，然后进行浇铸，其钢水的化学成分(重量百分比％ )为C 1. 4-1. 5，Si 0. 5-0. 7，Mn 1. 0-1. 1，P < 0. 04，S < 0. 04，Si 0. 5-0. 7，Cr 25-27，Ni 8-10，Mo 0. 5-0. 7，RE 0. 009-0. 02，其余为!^e 和无法检测的微量杂质。加入稀土的方法是当钢水出到1/3时，采用投入法投入稀土丝为总加入量的 50%，当钢水出到2/3时投入另50%的稀土丝。出钢结束后，钢包静止20分钟。将合适温度的钢液冲入浇包，经过搅拌后浇注入已烘干的砂箱中。将变质处理后的试样进行时效处理，时效处理工艺为温度480°C -580°c，保温时间为5-10小时。将铸态试样、时效试样分别加工成无缺口冲击试样，进行冲击功和硬度测试。用显微镜观察试样的碳化物形貌及磨面特征。通过试验和观察发现，变质后的铸造组织中的一次碳化物网要比变质前的铸造组织中的一次碳化物网细小，奥氏体细化明显。变质后的铸造组织中一次碳化物碎化，长条状的一次碳化物变为小颗粒状，铸态组织中无二次碳化物。时效处理后，从高铬镍合金钢的奥氏体中析出了细小弥散的二次碳化物。本发明的优点在于镍含量取中等值，并加入稀土进行变质处理，最后进行时效处理，解决了穿孔机导板在高温工作状态下的耐磨性能差、易断裂、使用寿命低以及制造成本高等问题。经变质和时效处理后的高铬镍合金钢导板的使用寿命提高了 43-50%。小系列导板使用寿命由原来的平均700次/块提高到1000次/块，大系列导板使用寿命由原来的平均1000次/块提高到1500次/ ±夬，节约了钢材，降低了成本。
图1为粗大的一次碳化物金相组织。
图2中(a)为未变质的铸态金相组织；(b)为变质的铸态金相组织；(c)为未变质的铸态金相组织；(d)为变质的铸态金相组织。图3为铸坯经不同时效工艺处理后的金相组织。(a) 480°C保温8小时时效；(b) 530 0C时保温8小时时效；(c)580°C保温8小时时效。图4为正火及时效处理后的微观组织。(a)未变质处理经1080°C正火(SEM的二次电子像)；(b)变质580 V时效(SEM背散射电子像)。
具体实施例方式以下结合实施例对本发明作进一步的描述。实施例1采用1吨中频炉共冶炼两炉高铬镍合金钢，其中一炉加入0. 01%稀土进行变质处理，另一炉不加稀土。当冶炼温度达到1600°C时插铝脱氧出钢，然后进行浇铸，其化学成分及含量(重量百分比％ )为C 1. 4，Si 0. 5，Mn 1. 1，P 0. 01，S 0. 02，Si 0. 6，Cr 26，Ni 9，Mo 0. 6，RE 0. 01，余量为Fe和无法检测的微量元素。当钢水出到1/3时，采用投入法投入稀土丝总加入量的50%，当钢水出到2/3时投入另50%的稀土丝；出钢结束后，钢包静止20分钟。将合适温度的钢液冲入浇包，经过搅拌后浇注入已烘干的砂箱中，铸造出试样毛坯。将铸态试样加工成IOmmX IOmmX 55mm无缺口冲击试样，进行冲击功和硬度测试。试样经过FeCl3溶液及王水腐蚀，用ΝΕ0ΡΗ0Τ 32型光学显微镜和EVO HV50扫描电子显微镜观察碳化物形貌及磨面特征。通过检验和观察发现，变质的铸造组织中的一次碳化物网要比未变质的铸造组织中的一次碳化物网细小(如图2(a) (b))，一次碳化物碎化，大块状的一次碳化物变为颗粒状(如图2(c) (d))。从硬度检测结果看，铸态变质前后硬度值相差不多，说明稀土变质剂的少量加入不影响铸态导板的硬度。从冲击功检验结果看，提高幅度较大，检测结果见表1。实施例2冶炼、浇铸工艺同实施例1。将未进行稀土变质处理的铸态导板机加工后，煤气炉中进行正火处理，正火处理工艺为加热到1080°C保温30分钟，出炉空冷。将变质处理后的铸态试样加热到480°C 保温8小时、530°C保温8小时、580°C保温8小时进行时效处理。正火处理和时效处理后试样取样，磨制抛光后用FeCl3溶液腐蚀，观察其金相组织。将热处理后的试样加工成 IOmmX IOmmX 55mm无缺口冲击试样，测量冲击值后进行硬度测量。试样经FeCl3溶液及王水腐蚀，用ΝΕ0ΡΗ0Τ 32型光学显微镜和EVO HV50扫描电子显微镜观察试样的碳化物形貌及磨面特征。通过检验和观察，变质处理前后的铸坯组织形态发生了明显变化，未经稀土变质处理的正火态组织中粗大的一次碳化物连成网状(如图1所示)，二次碳化物大量析出， 且二次碳化物颗粒长大(见图4(a))。而经稀土变质处理和时效处理的组织中，一次碳化物网细小，一次碳化物碎化，大块状的一次碳化物变为颗粒状，二次碳化物呈细小弥散的小颗粒析出(见图3、图4(b))。从硬度测量结果看，略有下降，但冲击功检验结果大幅提高。检测结果见表1。表1力学性能检测结果
权利要求
1.一种高铬镍合金钢导板的稀土变质及时效处理方法，其特征在于采用1吨中频炉冶炼，当温度达到1600°c时插铝脱氧出钢，然后进行浇铸；当钢水出到1/3时，投入变质剂稀土丝为总加入量的50%，当钢水出到2/3时，投入另50% ；出钢结束后，钢包静止20分钟； 然后将钢液冲入浇包，经过搅拌后浇注入已烘干的砂箱中，铸造出试样毛坯，其化学成分为 (重量百分比％ ) :C 1. 4-1. 5，SiO. 5-0. 75,Mn 1. 0-1. 1，P < 0. 04，S < 0. 04，Si 0. 5-0. 7， Cr 25-27，Ni 8-10, Mo 0. 5-0. 7, RE 0. 009-0. 02，其余为！^ 和无法检测的微量杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高铬镍合金钢导板的稀土变质及时效处理方法，其特征在于将变质处理的铸态试样进行时效处理，时效处理工艺为加热温度为480°C -580°C，保温时间为5-10小时。
全文摘要
一种高铬镍合金钢的稀土变质及时效处理方法，属于冶金技术领域。通过稀土变质处理使大块状的网状一次碳化物产生颈缩、球化；时效处理后的二次碳化物由大量粗大的长条状变为细小弥散的小颗粒析出。一次碳化物及二次碳化物尺寸、形态、数量的改变，提高了高铬镍合金钢导板的使用寿命。导板在进行了变质和时效处理后，使得原来的碎裂情况得到了很大的改善，使用寿命提高了43-50％，小系列导板使用寿命由原来的平均700次/块提高到1000次/块，大系列导板使用寿命由原来的平均1000次/块提高到1500次/块，降低了吨钢消耗，节约了生产成本。
文档编号C22C33/04GK102337473SQ20111029121
公开日2012年2月1日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者冯岩青, 康利明, 高志国 申请人:内蒙古包钢钢联股份有限公司