專利名稱：一種高鉻鎳合金鋼導(dǎo)板的稀土變質(zhì)及時(shí)效處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高合金鋼的稀土變質(zhì)及時(shí)效處理方法。
背景技術(shù)：
高鉻鎳合金鋼作為連軋鋼管機(jī)組入口導(dǎo)板，在使用過(guò)程中提前出現(xiàn)粘鋼、疲勞裂紋和斷裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致早期報(bào)廢或使用過(guò)程中出現(xiàn)初期網(wǎng)狀裂紋等，在惡劣的使用條件下發(fā)生裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。經(jīng)解剖分析，主要問(wèn)題是導(dǎo)板的組織結(jié)構(gòu)不合理，組織中的一次碳化物連成網(wǎng)狀，引起導(dǎo)板壽命下降。從高鉻鎳合金鋼的鑄態(tài)凝固特點(diǎn)來(lái)看，由于C和Cr等合金元素偏析，奧氏體枝晶間和晶界的鋼液熔池達(dá)到共晶成分，在鋼液中發(fā)生共晶反應(yīng)，形成的共晶碳化物呈網(wǎng)狀分布在晶界上，而共晶碳化物是熱疲勞裂紋擴(kuò)展的主要通道，由于碳化物脆性大，在循環(huán)熱應(yīng)力下容易破碎，且一旦出現(xiàn)裂紋即迅速擴(kuò)展。斷裂力學(xué)理論指出，脆性斷裂包括裂紋的萌生和傳播，所以控制鋼中碳化物類型、數(shù)量、形貌、分布和尺寸是改善鋼材性能的有效手段。因此，高鉻鎳合金鋼的熱疲勞抗力主要取決于碳化物形態(tài)。為了提高導(dǎo)板的性能，需改善碳化物數(shù)量和形貌，首先考慮加入稀土進(jìn)行變質(zhì)處理改善一次碳化物的形貌，再通過(guò)熱處理來(lái)控制二次碳化物的析出數(shù)量與形貌，從而改善材料性能。高鉻鎳合金鋼的冷卻凝固過(guò)程是首先從液相中析出δ固溶體，然后發(fā)生 L+δ - y的包晶反應(yīng)，進(jìn)而繼續(xù)發(fā)生L+δ — Y+C1 (—次碳化物)的包共晶反應(yīng)，然后發(fā)生L— Y+C1的共晶反應(yīng)，同時(shí)隨著C1的析出，C1將沿著γ晶界連續(xù)生長(zhǎng)，直到完全凝固， 形成由奧氏體+碳化物組成的共晶產(chǎn)物，其中碳化物呈網(wǎng)狀，網(wǎng)絡(luò)之間為Y相。所以要改變高鉻鎳合金鋼從液相中析出的一次碳化物形貌，可通過(guò)加入稀土(RE)進(jìn)行變質(zhì)處理。RE 是強(qiáng)過(guò)冷元素，在凝固過(guò)程中將發(fā)生嚴(yán)重偏析，通過(guò)溶質(zhì)再分配而富集在初生奧氏體生長(zhǎng)前沿的熔體中，造成較大的成分過(guò)冷，有利于奧氏體枝晶的多次分枝及枝晶間距的減小，使鋼的枝晶組織得到細(xì)化，阻礙奧氏體長(zhǎng)大。初晶奧氏體的細(xì)化將導(dǎo)致共晶反應(yīng)時(shí)的殘留鋼液相互被隔開的趨勢(shì)增強(qiáng)，共晶階段共晶奧氏體優(yōu)先在狹窄通道兩側(cè)的初晶奧氏體上以離異方式結(jié)晶，促使殘液進(jìn)一步被分隔，最后導(dǎo)致碳化物網(wǎng)被斷開而孤立化。熱處理組織狀態(tài)對(duì)導(dǎo)板的使用壽命有很大的影響，所以熱處理應(yīng)該向著增加高加高壽命的組織狀態(tài)來(lái)進(jìn)行。高鉻鎳合金鋼導(dǎo)板傳統(tǒng)的熱處理工藝是將鑄態(tài)導(dǎo)板機(jī)加工后，在煤氣爐中將導(dǎo)板加熱到1080°C保溫30分鐘進(jìn)行正火處理。正火態(tài)試樣經(jīng)王水腐蝕后可觀察到粗大的網(wǎng)狀一次碳化物，二次碳化物大量析出，且二次碳化物顆粒長(zhǎng)大 (如圖1所示)。大塊狀的一次碳化物連成網(wǎng)狀，這種組織的性能惡劣，大塊狀的碳化物割裂基體產(chǎn)生早期裂紋，合金鋼導(dǎo)板在使用過(guò)程中頻繁經(jīng)歷驟冷驟熱，裂紋將迅速擴(kuò)展導(dǎo)致開裂。另外，二次碳化物顆粒尺寸對(duì)接觸疲勞壽命有著明顯影響，在相同的累積破壞率下細(xì)小碳化物的壽命比粗顆粒壽命要高。因此，通過(guò)熱處理獲得細(xì)小彌散的二次碳化物是提高導(dǎo)板使用壽命的有效途徑。申請(qǐng)?zhí)枮?00610040275. 3的中國(guó)發(fā)明專利“穿孔機(jī)導(dǎo)板”公開了一種穿孔機(jī)導(dǎo)板的化學(xué)成分C 0. 65 1. 5%, Si 1. 0 3. 0%, Mn < 2%, Cr 28 32%，Ni 49 52%， W 4 6.5%，其余為!^e及雜質(zhì)元素。該成分體系設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是Ni元素含量極高，并加入了一定量的W元素，使穿孔機(jī)導(dǎo)板的制造成本增加，生產(chǎn)廠家和用戶難以接受。申請(qǐng)?zhí)枮?00810166746. 2的中國(guó)發(fā)明專利“無(wú)縫鋼管穿孔機(jī)用導(dǎo)板”公開的一種穿孔機(jī)導(dǎo)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%，其余為!^e及雜質(zhì)元素。該專利是在申請(qǐng)?zhí)枮?00710018263. 5 的中國(guó)發(fā)明專利“一種新型無(wú)縫鋼管穿孔機(jī)用導(dǎo)板”基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，Ni含量從4. 5 5. 5%增加為5. 6 20%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，含鎳太高的導(dǎo)板在使用中容易產(chǎn)生粘鋼而造成鋼管表面劃傷，從而影響鋼管的質(zhì)量，而含鎳太低的穿孔機(jī)導(dǎo)板雖然成本低，但耐磨性能和抗熱裂性能差。該專利僅公開了穿孔機(jī)導(dǎo)板的化學(xué)成分，沒(méi)有涉及對(duì)應(yīng)成分下的熱處理工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種高鉻鎳合金鋼稀土變質(zhì)和時(shí)效處理方法。技術(shù)方案為從材質(zhì)成分和熱處理兩方面進(jìn)行，來(lái)改善高鉻鎳合金鋼導(dǎo)板的碳化物形貌以提高其使用壽命。本發(fā)明的成分設(shè)計(jì)為中等鎳含量，并進(jìn)行變質(zhì)處理和時(shí)效處理，變質(zhì)劑為稀土絲。本發(fā)明要通過(guò)熱處理獲得穩(wěn)定性好的二次碳化物和均勻分布的球狀二次碳化物。本發(fā)明高鉻鎳合金鋼，通過(guò)冶煉、變質(zhì)、時(shí)效熱處理等工藝，達(dá)到改善性能、提高壽命的目的。稀土變質(zhì)處理可以使大塊狀的網(wǎng)狀一次碳化物產(chǎn)生頸縮、球化。時(shí)效處理可以使二次碳化物由大量粗大的長(zhǎng)條狀變?yōu)榧?xì)小彌散的小顆粒析出。實(shí)驗(yàn)方法是采用1噸中頻爐冶煉，當(dāng)溫度達(dá)到1600°c時(shí)插鋁脫氧出鋼，然后進(jìn)行澆鑄，其鋼水的化學(xué)成分(重量百分比％ )為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，其余為!^e 和無(wú)法檢測(cè)的微量雜質(zhì)。加入稀土的方法是當(dāng)鋼水出到1/3時(shí)，采用投入法投入稀土絲為總加入量的 50%，當(dāng)鋼水出到2/3時(shí)投入另50%的稀土絲。出鋼結(jié)束后，鋼包靜止20分鐘。將合適溫度的鋼液沖入澆包，經(jīng)過(guò)攪拌后澆注入已烘干的砂箱中。將變質(zhì)處理后的試樣進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理工藝為溫度480°C -580°c，保溫時(shí)間為5-10小時(shí)。將鑄態(tài)試樣、時(shí)效試樣分別加工成無(wú)缺口沖擊試樣，進(jìn)行沖擊功和硬度測(cè)試。用顯微鏡觀察試樣的碳化物形貌及磨面特征。通過(guò)試驗(yàn)和觀察發(fā)現(xiàn)，變質(zhì)后的鑄造組織中的一次碳化物網(wǎng)要比變質(zhì)前的鑄造組織中的一次碳化物網(wǎng)細(xì)小，奧氏體細(xì)化明顯。變質(zhì)后的鑄造組織中一次碳化物碎化，長(zhǎng)條狀的一次碳化物變?yōu)樾☆w粒狀，鑄態(tài)組織中無(wú)二次碳化物。時(shí)效處理后，從高鉻鎳合金鋼的奧氏體中析出了細(xì)小彌散的二次碳化物。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于鎳含量取中等值，并加入稀土進(jìn)行變質(zhì)處理，最后進(jìn)行時(shí)效處理，解決了穿孔機(jī)導(dǎo)板在高溫工作狀態(tài)下的耐磨性能差、易斷裂、使用壽命低以及制造成本高等問(wèn)題。經(jīng)變質(zhì)和時(shí)效處理后的高鉻鎳合金鋼導(dǎo)板的使用壽命提高了 43-50%。小系列導(dǎo)板使用壽命由原來(lái)的平均700次/塊提高到1000次/塊，大系列導(dǎo)板使用壽命由原來(lái)的平均1000次/塊提高到1500次/ ±夬，節(jié)約了鋼材，降低了成本。


圖1為粗大的一次碳化物金相組織。
圖2中(a)為未變質(zhì)的鑄態(tài)金相組織；(b)為變質(zhì)的鑄態(tài)金相組織；(c)為未變質(zhì)的鑄態(tài)金相組織；(d)為變質(zhì)的鑄態(tài)金相組織。圖3為鑄坯經(jīng)不同時(shí)效工藝處理后的金相組織。(a) 480°C保溫8小時(shí)時(shí)效；(b) 530 0C時(shí)保溫8小時(shí)時(shí)效；(c)580°C保溫8小時(shí)時(shí)效。圖4為正火及時(shí)效處理后的微觀組織。(a)未變質(zhì)處理經(jīng)1080°C正火(SEM的二次電子像)；(b)變質(zhì)580 V時(shí)效(SEM背散射電子像)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。實(shí)施例1采用1噸中頻爐共冶煉兩爐高鉻鎳合金鋼，其中一爐加入0. 01%稀土進(jìn)行變質(zhì)處理，另一爐不加稀土。當(dāng)冶煉溫度達(dá)到1600°C時(shí)插鋁脫氧出鋼，然后進(jìn)行澆鑄，其化學(xué)成分及含量(重量百分比％ )為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，余量為Fe和無(wú)法檢測(cè)的微量元素。當(dāng)鋼水出到1/3時(shí)，采用投入法投入稀土絲總加入量的50%，當(dāng)鋼水出到2/3時(shí)投入另50%的稀土絲；出鋼結(jié)束后，鋼包靜止20分鐘。將合適溫度的鋼液沖入澆包，經(jīng)過(guò)攪拌后澆注入已烘干的砂箱中，鑄造出試樣毛坯。將鑄態(tài)試樣加工成IOmmX IOmmX 55mm無(wú)缺口沖擊試樣，進(jìn)行沖擊功和硬度測(cè)試。試樣經(jīng)過(guò)FeCl3溶液及王水腐蝕，用ΝΕ0ΡΗ0Τ 32型光學(xué)顯微鏡和EVO HV50掃描電子顯微鏡觀察碳化物形貌及磨面特征。通過(guò)檢驗(yàn)和觀察發(fā)現(xiàn)，變質(zhì)的鑄造組織中的一次碳化物網(wǎng)要比未變質(zhì)的鑄造組織中的一次碳化物網(wǎng)細(xì)小(如圖2(a) (b))，一次碳化物碎化，大塊狀的一次碳化物變?yōu)轭w粒狀(如圖2(c) (d))。從硬度檢測(cè)結(jié)果看，鑄態(tài)變質(zhì)前后硬度值相差不多，說(shuō)明稀土變質(zhì)劑的少量加入不影響鑄態(tài)導(dǎo)板的硬度。從沖擊功檢驗(yàn)結(jié)果看，提高幅度較大，檢測(cè)結(jié)果見表1。實(shí)施例2冶煉、澆鑄工藝同實(shí)施例1。將未進(jìn)行稀土變質(zhì)處理的鑄態(tài)導(dǎo)板機(jī)加工后，煤氣爐中進(jìn)行正火處理，正火處理工藝為加熱到1080°C保溫30分鐘，出爐空冷。將變質(zhì)處理后的鑄態(tài)試樣加熱到480°C 保溫8小時(shí)、530°C保溫8小時(shí)、580°C保溫8小時(shí)進(jìn)行時(shí)效處理。正火處理和時(shí)效處理后試樣取樣，磨制拋光后用FeCl3溶液腐蝕，觀察其金相組織。將熱處理后的試樣加工成 IOmmX IOmmX 55mm無(wú)缺口沖擊試樣，測(cè)量沖擊值后進(jìn)行硬度測(cè)量。試樣經(jīng)FeCl3溶液及王水腐蝕，用ΝΕ0ΡΗ0Τ 32型光學(xué)顯微鏡和EVO HV50掃描電子顯微鏡觀察試樣的碳化物形貌及磨面特征。通過(guò)檢驗(yàn)和觀察，變質(zhì)處理前后的鑄坯組織形態(tài)發(fā)生了明顯變化，未經(jīng)稀土變質(zhì)處理的正火態(tài)組織中粗大的一次碳化物連成網(wǎng)狀(如圖1所示)，二次碳化物大量析出， 且二次碳化物顆粒長(zhǎng)大(見圖4(a))。而經(jīng)稀土變質(zhì)處理和時(shí)效處理的組織中，一次碳化物網(wǎng)細(xì)小，一次碳化物碎化，大塊狀的一次碳化物變?yōu)轭w粒狀，二次碳化物呈細(xì)小彌散的小顆粒析出(見圖3、圖4(b))。從硬度測(cè)量結(jié)果看，略有下降，但沖擊功檢驗(yàn)結(jié)果大幅提高。檢測(cè)結(jié)果見表1。表1力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種高鉻鎳合金鋼導(dǎo)板的稀土變質(zhì)及時(shí)效處理方法，其特征在于采用1噸中頻爐冶煉，當(dāng)溫度達(dá)到1600°c時(shí)插鋁脫氧出鋼，然后進(jìn)行澆鑄；當(dāng)鋼水出到1/3時(shí)，投入變質(zhì)劑稀土絲為總加入量的50%，當(dāng)鋼水出到2/3時(shí)，投入另50% ；出鋼結(jié)束后，鋼包靜止20分鐘； 然后將鋼液沖入澆包，經(jīng)過(guò)攪拌后澆注入已烘干的砂箱中，鑄造出試樣毛坯，其化學(xué)成分為 (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，其余為！^ 和無(wú)法檢測(cè)的微量雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高鉻鎳合金鋼導(dǎo)板的稀土變質(zhì)及時(shí)效處理方法，其特征在于將變質(zhì)處理的鑄態(tài)試樣進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理工藝為加熱溫度為480°C -580°C，保溫時(shí)間為5-10小時(shí)。
全文摘要
一種高鉻鎳合金鋼的稀土變質(zhì)及時(shí)效處理方法，屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域。通過(guò)稀土變質(zhì)處理使大塊狀的網(wǎng)狀一次碳化物產(chǎn)生頸縮、球化；時(shí)效處理后的二次碳化物由大量粗大的長(zhǎng)條狀變?yōu)榧?xì)小彌散的小顆粒析出。一次碳化物及二次碳化物尺寸、形態(tài)、數(shù)量的改變，提高了高鉻鎳合金鋼導(dǎo)板的使用壽命。導(dǎo)板在進(jìn)行了變質(zhì)和時(shí)效處理后，使得原來(lái)的碎裂情況得到了很大的改善，使用壽命提高了43-50％，小系列導(dǎo)板使用壽命由原來(lái)的平均700次/塊提高到1000次/塊，大系列導(dǎo)板使用壽命由原來(lái)的平均1000次/塊提高到1500次/塊，降低了噸鋼消耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)C22C33/04GK102337473SQ20111029121
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者馮巖青, 康利明, 高志國(guó) 申請(qǐng)人:內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司