專利名稱：一種制備碳化物顆粒復(fù)合強(qiáng)化高溫耐熱鋼方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種制備碳化物顆粒復(fù)合強(qiáng)化高溫耐熱鋼方法及設(shè)備，特別是采取液態(tài)反應(yīng)法制備碳化物粒子復(fù)合強(qiáng)化耐熱鋼。
背景技術(shù)：
Fe-Cr-Ni耐熱鋼是在18/8和18/12Cr-Ni不銹鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因其具有耐熱和耐蝕的良好性能，故在石油化工、冶金、機(jī)械及國防軍工等工業(yè)部門中被廣泛應(yīng)用于工業(yè)爐、熱處理爐及其它各種耐熱構(gòu)件。為了提高耐熱鋼的高溫強(qiáng)度和耐磨性，常用的方法是通過合金化或熱處理的方法，使耐熱鋼在結(jié)晶和時效過程中形成碳化物、氮化物和其它金屬間化合物。在這些方法中，為了保證合金基體為奧氏體，合金成分必須在一定的限度范圍內(nèi)，所以各種化合物的體積分?jǐn)?shù)往往很小。為了大大提高了合金基體中的化合物的體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)一步提高Fe基和Ni基合金的力學(xué)性能和耐磨性。近年來，利用反應(yīng)顆粒增強(qiáng)Fe基和Ni基合金的研究十分引人關(guān)注。如Hainisi E，TalvitieM，Ristolainen E O.，Scr.Metall.Mater.，1995，30(10)1333-1336利用熱等靜壓法制備了Fe-Cr-Mn-N+Al2O3復(fù)合材料并詳細(xì)研究了奧氏體與Al2O3間的界面結(jié)構(gòu)。Ajay K M.，Script.Metall.，Mater.，28(1993)10，1189.利用該法制取了Al2O3纖維增強(qiáng)的鎳基高溫合金復(fù)合材料。Pyzalla，Genzel C and Reimers W.，Mater.Sci.Eng.，A212(1996)，130則采用該法制備了NbC顆粒增強(qiáng)的Fe-16Cr-12Ni基復(fù)合材料。熱等靜壓法的優(yōu)點是增強(qiáng)相加入量可以任意調(diào)節(jié)，成分可以準(zhǔn)確控制，同時，這種方法克服了一般熱壓法存在的內(nèi)部不均勻和空隙率較大的缺點。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.通過Fe-Ti-C過飽和熔體冷卻技術(shù)制備了TiC增強(qiáng)的304不銹鋼和IN-100鎳基復(fù)合材料，該法的要點是首先熱力學(xué)和動力學(xué)原理設(shè)計材料的化學(xué)成分，將合金加熱至熔化狀態(tài)，然后將熔體冷卻到一定溫度，保持一定時間；或者使合金以一定速度冷卻。在此過程中，使碳化物、氧化物或氮化物從熔體中沉淀析出。與通常的鑄造方法相比，化合物顆粒相的析出是在固液兩相區(qū)中進(jìn)行的，由于在區(qū)間停留的時間充分，所以顆粒相析出的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般鑄造法在相同成分下得到的化合物的數(shù)量，而且顆粒的尺寸均勻細(xì)小，利用過飽和熔體冷卻技術(shù)制備的Fe基和Ni基復(fù)合材料中顆粒相的體積分?jǐn)?shù)往往可達(dá)20％以上。但是這種方法的難點是必須精確的控制各項凝固參數(shù)，否則，制備出的合金性能無法保證。
本發(fā)明的目的是建立一種利用固態(tài)粉末元素與耐熱鋼熔體中的合金元素直接反應(yīng)，生成均勻細(xì)小的碳化物均勻分布于熔體中，經(jīng)過鑄造后，直接形成碳化物顆粒復(fù)合強(qiáng)化的耐熱鋼，顯著提高耐熱鋼力學(xué)性能的工藝方法及設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
1、耐熱鋼母合金的設(shè)計Cr含量高于常規(guī)規(guī)耐熱鋼，一般為24～28wt％(wt為重量，以下同)，提高Cr含量優(yōu)點在于，一是形成一定數(shù)量的Cr7C3和Cr23C6化合物，二是獲得優(yōu)良的抗氧化性。Ni含量適中，13～18wt％，由于Ni的成本較高，所以如果Ni含量過高，會造成合金成本提高，但是，Ni是奧氏體化最重要的元素，為了保證合金基體為奧氏體，必須使Ni含量與Cr含量保持一定比例。母合金中C含量為0.5～3wt％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通耐熱鋼，高出的這一部分是為了用于在后續(xù)工藝中與固體粉末發(fā)生反應(yīng)形成碳化物顆粒。
2、反應(yīng)用固態(tài)粉末元素的選擇與制備為了提高耐熱鋼的高溫強(qiáng)度，本發(fā)明選用Ti，Nb，Ta，W等粉末作為主要成分，與母合金熔體中的C發(fā)生反應(yīng)，生成TiC，NbC，TaC，WC等化合物，此外，還選用了Al等粉末作為添加劑，以增加粉末的反應(yīng)能力。
各種粉末的混合在高能球蘑機(jī)中進(jìn)行，利用粉末包敷機(jī)將混好的預(yù)制體制成直徑為φ6——20mm的連續(xù)線材備用。
3、碳化物的液態(tài)反應(yīng)合成制備碳化物的液態(tài)反應(yīng)合成制備技術(shù)包括母合金的熔化保溫、固態(tài)粉末與熔體中的C元素連續(xù)反應(yīng)和電磁攪拌等三個主要工藝。用作液態(tài)反應(yīng)合成碳化物的裝置如附圖1所示，主要有(1)鐘罩，(4)電磁攪拌用線圈，(5)澆包，(6)包蓋，(7)包敷線輸送輪，(8)包敷線。
具體步驟是將耐熱鋼母合金首先在中頻感應(yīng)爐內(nèi)熔化，并過熱到合金熔點溫度100——200℃，然后將過熱熔體輸送至澆包，用快速測溫儀表測量熔體溫度，當(dāng)溫度達(dá)到1600——1800℃時，啟動包敷線輸送裝置和電磁攪拌裝置，按照所要求的碳化物體積分?jǐn)?shù)，將包敷線以0.005～0.05m/s的速度送入。在包敷線插入的同時，包敷線中的粉末預(yù)制體與熔體中的碳發(fā)生反應(yīng)，形成碳化物，繼續(xù)攪拌3～5min，澆入鑄型，制成鑄件。
本發(fā)明的優(yōu)點是1、粉末與熔體中C的反應(yīng)是在熔體內(nèi)進(jìn)行的，所以反應(yīng)形成的碳化物表面無污染，形成鑄件后，碳化物與基體合金間界面潔凈。
2、碳化物形成過程中，始終伴隨著電磁攪拌，所以碳化物能夠在熔體中均勻分布，經(jīng)過澆注凝固后，碳化物在基體中均勻分布，避免了由于密度不同而可能產(chǎn)生的顆粒上浮的問題。
3、碳化物形成反應(yīng)是在特定溫度下通過連續(xù)加入定量的粉末預(yù)制體完成的。所以本發(fā)明工藝過程簡單，便于控制，非常容易實現(xiàn)機(jī)械化。
4、本發(fā)明形成的碳化物復(fù)合強(qiáng)化的耐熱鋼中，碳化物顆粒細(xì)小均勻，顆粒的尺寸可以控制5～15μm，體積分?jǐn)?shù)可達(dá)20％，碳化物的存在大大提高了耐熱鋼的機(jī)械性能，與未強(qiáng)化的合金相比，碳化物復(fù)合強(qiáng)化的耐熱鋼室溫強(qiáng)度提高30％以上，高溫強(qiáng)度(750～950℃)可提高20％以上。


圖1是本發(fā)明的一種用作液態(tài)反應(yīng)合成碳化物的裝置，其中(1)為鐘罩，(2)為碳化物顆粒，(3)為液態(tài)合金，(4)為電磁攪拌用線圈，(5)為澆包，(6)為包蓋，(7)為包敷線輸送輪，(8)為包敷線。
圖2為本發(fā)明的基體合金和復(fù)合材料的常溫拉伸性能圖，橫坐標(biāo)為TiC體積百分?jǐn)?shù)，縱坐標(biāo)為壓力，單位為Mpa。
圖3為本發(fā)明基體合金與復(fù)合材料在不同溫度下的拉伸實驗結(jié)果，橫坐標(biāo)為絕對溫度K，縱坐標(biāo)為抗拉強(qiáng)度，單位為Mpa。
具體實施例方式采用生鐵、Cr鐵、電解Ni板、結(jié)晶Si在中頻感應(yīng)電爐熔配母合金，坩堝用MgO材料打結(jié)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。選用Ti粉末作為反應(yīng)體，Ti粉純度為99.4％，顆粒尺寸小于45μm，選用Al粉末作為添加劑。將Ti粉與Al粉按重量比8∶1配料，在高能球磨機(jī)中混合4h，然后在粉末包敷機(jī)將混合好的粉末制成直徑為φ12mm線材備用。將預(yù)先配好的母合金在中頻感應(yīng)電爐中重熔，采用W-Re熱電偶配以STF快速測溫儀測定熔體溫度，待熔體達(dá)到1650℃，倒入澆包，當(dāng)熔體冷卻至1600℃時，啟動包敷線輸送裝置和電磁攪拌裝置，按照所要求的碳化物體積分?jǐn)?shù)，將包敷線以0.01m/s的速度送入。在包敷線插入的同時，包敷線中的粉末預(yù)制體與熔體中的碳發(fā)生反應(yīng)，形成碳化物，繼續(xù)攪拌5min，澆入鑄型，制成φ25×300mm鑄件。最后，將鑄態(tài)試樣進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為1050℃，1h，780℃，4h。
基體合金和復(fù)合材料的常溫拉伸性能如附圖2所示?？梢?，相對于基體合金，含5vol％TiC顆粒復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和比例極限有明顯提高，延伸率明顯下降，但抗拉強(qiáng)度和彈性模量增加很少。一般認(rèn)為，當(dāng)增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)較低時，盡管顆?？梢云鸬揭欢◤?qiáng)化作用，但是此時顆粒對基體的割裂和損傷作用也是很大的，所以，低體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能并沒有明顯提高。當(dāng)TiC的體積分?jǐn)?shù)從5％增加到10％時，強(qiáng)化效果明顯提高，含10vol％TiC復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度由438MPa提高到735MPa，彈性模量由基體合金的86GPa提高到159GPa。TiC的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步提高到16％時，盡管彈性指標(biāo)一直呈上升趨勢，但抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降。
基體合金與復(fù)合材料在不同溫度下的拉伸實驗結(jié)果如附圖3所示?？梢?，在1073～1173K范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度隨TiC體積分?jǐn)?shù)的提高而明顯提高，當(dāng)TiC的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到10％時，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。TiC的含量進(jìn)一步提高，抗拉強(qiáng)度開始下降，但此時仍比基體合金高出許多。當(dāng)測試溫度高于1273K時，TiC的的強(qiáng)化作用有所降低，以含10vol％TiC顆粒復(fù)合材料為例，1073K時該復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度是基體合金的3.38倍，當(dāng)溫度提高到1473K時，僅為1.66倍。
權(quán)利要求
1.一種制備碳化物顆粒復(fù)合強(qiáng)化高溫耐熱鋼方法，其特征在于a、母合金的設(shè)計Cr含量為24～28wt％(wt為重量)，Ni含量為13～18wt％，C含量為0.5～3wt％，b、反應(yīng)用固態(tài)粉末元素選用Ti，Nb，Ta，W粉末作為主要成分，與母合金熔體中的C發(fā)生反應(yīng)，生成TiC，NbC，TaC，WC化合物，選用Al粉末作為添加劑，以增加粉末的反應(yīng)能力，各種粉末的混合在高能球蘑機(jī)中進(jìn)行，利用粉末包敷機(jī)將混好的預(yù)制體制成直徑為φ6-20mm的連續(xù)線材備用c、碳化物的液態(tài)反應(yīng)合成制備包括母合金的熔化保溫、固態(tài)粉末與熔體中的C元素連續(xù)反應(yīng)和電磁攪拌三個主要工藝將耐熱鋼母合金首先在中頻感應(yīng)爐內(nèi)熔化，并過熱到合金熔點溫度100——200℃，然后將過熱熔體輸送至澆包，用快速測溫儀表測量熔體溫度，當(dāng)溫度達(dá)到1600——1800℃，啟動包敷線輸送裝置和電磁攪拌裝置，按照所要求的碳化物體積分?jǐn)?shù)，將包敷線以0.005～0.05m/s的速度送入。在包敷線插入的同時，包敷線中的粉末預(yù)制體與熔體中的碳發(fā)生反應(yīng)，形成碳化物，繼續(xù)攪拌3～5min，澆入鑄型，制成鑄件。
2一種用作液態(tài)反應(yīng)合成碳化物的裝置，其特征在于由鐘罩(1)，電磁攪拌用線圈(4)，澆包(5)，包蓋(6)，包敷線輸送輪(7)，包敷線(8)組成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備碳化物顆粒復(fù)合強(qiáng)化高溫耐熱鋼方法及設(shè)備,其特征在于:母合金中Cr含量為24～28wt%(wt為重量),Ni含量為13～18wt%,C含量為0.5～3wt%。反應(yīng)用固態(tài)粉末元素選用C,Ti,Nb,Ta,W粉末作為主要成分,選用Al粉末作為添加劑。碳化物的液態(tài)反應(yīng)合成制備包括母合金的熔化保溫、固態(tài)粉末在熔體中連續(xù)反應(yīng)生成TiC,NbC,TaC,WC化合物和電磁攪拌工藝。其優(yōu)點在于生成均勻細(xì)小的碳化物均勻分布于熔體中,提高耐熱鋼力學(xué)性能。
文檔編號C22C38/48GK1349001SQ01141980
公開日2002年5月15日 申請日期2001年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月26日
發(fā)明者惠希東, 林均品, 陳俊, 王艷麗, 宋西平, 陳國良 申請人:北京科技大學(xué)