一種用于高溫工況下的中碳耐磨鋼及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于高溫工況下的中碳耐磨鋼及其制備方法，其化學(xué)成分為(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為主)：0.05～0.2％，S和P≤0.03％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。采用配料→中頻感應(yīng)爐熔煉→鋼包爐精煉→V法鑄造→線切割成型→熱處理的工藝流程制成。與對比材料ZG40Cr25Ni20Si2的在800℃高溫摩擦磨損試驗中，前者與后者的相對耐磨性之比不低于1.6倍，并且具有良好的高溫抗拉性能和高溫抗氧化性能，特別適用于水泥生產(chǎn)用冷卻機設(shè)備的高溫輥式破碎裝置的輥圈。
【專利說明】—種用于高溫工況下的中碳耐磨鋼及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種中碳耐磨鋼，特別涉及一種在高溫工況下(700~800°C )的中碳耐磨鋼及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]水泥作為當今社會生產(chǎn)建設(shè)一種必須的工程材料，其用量不言而喻，帶來的能耗也居高不下。冷卻機作為生產(chǎn)水泥的一種重要的設(shè)備，對熟料起到運輸和冷卻的作用，與熟料交換的熱量用于水泥廠的余熱發(fā)電，綜合利用資源，降低能耗。
[0003]目前，國內(nèi)冷卻機設(shè)備的破碎裝置均在尾部(工況溫度在200°C左右)，很多大塊熟料心部熱量浪費；經(jīng)研究，冷卻機的破碎裝置放置在700~800°C的位置，不僅能夠?qū)⑺嗍炝掀扑榫鶆颍匾氖悄軌蜃钣行У幕厥帐炝蠠崃?。冷卻機設(shè)備的破碎裝置在使用時放置在700~800°C的位置，不僅承受高溫水泥熟料的磨損，同時還得承受一定數(shù)量的水泥大塊熟料的沖擊，這就要求所用材料不僅能夠抗高溫氧化、抗高溫磨損，還得有一定的韌性。
[0004]目前，在700~800°C的高溫耐磨材料僅有少數(shù)歐洲水泥設(shè)備制造商生產(chǎn)和供貨，牌號類似于國標ZG40Cr25Ni20Si2，使用壽命不低于2年，因此研發(fā)一種新型高溫耐磨材料，能夠打破國外對高溫破碎裝置在水泥生產(chǎn)設(shè)備上的壟斷，故而研制高溫耐熱耐磨材料技術(shù)至關(guān)重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠在700~800°C高溫工況下的用于高溫工況下的中碳耐磨鋼及其制備方法。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種用于高溫工況下的中碳耐磨鋼，按質(zhì)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%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0007]優(yōu)選，按質(zhì)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%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0008]更優(yōu)選，按質(zhì)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%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0009]最優(yōu)選，按質(zhì)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%,其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0010]所述稀土元素RE以Y和Ce為主成分。
[0011]所述高溫工況是指700~800°C的工況。
[0012]上述的用于高溫工況下的中碳耐磨鋼的制備方法，包括以下步驟:
[0013]第一步:配料
[0014]按照碳鋼的化學(xué)成分，分別計算并稱取廢鋼、硅鐵、錳鐵、鎳板、鑰鐵、鎢鐵、釩鐵、低碳絡(luò)鐵、聞碳絡(luò)鐵、欽鐵、銀鐵和稀土 ；
[0015]第二步:中頻感應(yīng)爐熔煉
[0016]先將重量30~80%的廢鋼加入到中頻感應(yīng)爐中，待爐中廢鋼開始熔化后，再加入鎳板、鑰鐵、鎢鐵和鈮鐵；再加入余下廢鋼，當爐中金屬全部熔化后，再加入高碳鉻鐵、低碳鉻鐵、硅鐵、錳鐵和釩鐵，化清；加入鋼液重量0.01%的鋁絲脫氧，脫氧后待中頻感應(yīng)爐的爐溫達到1580~1610°C時，出爐；
[0017]第三步:鋼包爐精煉
[0018]將鋼水澆入鋼包爐中，鋼包爐溫度穩(wěn)定在1580±10°C，靜置5~10分鐘后放入稀土和鈦鐵，靜置15分鐘后，出爐澆注；
[0019]第四步:V法鑄造
[0020]采用抽負壓的方式使砂緊實形成型腔，鋼液澆入型腔后，一直保持負壓，澆注時負壓保持在0.06MPa，在澆注的同時微振3~5s，頻率50Hz，振幅不超過0.5mm,澆注完畢后負壓保持在0.04MPa，保壓30~45min，撤負壓，出箱；
[0021]第五步:線切割成型
[0022]根據(jù)設(shè)計圖紙要求，用線切割機機加鑄件成成品；
[0023]第六步:熱處理
[0024]成品件進行固溶+低溫回火熱處理:固溶溫度1100~1120°C，保溫時間根據(jù)壁厚調(diào)整，每15mm保溫I小時，水冷，回火溫度200~220°C，保溫時間根據(jù)壁厚調(diào)整，每1mm保溫1.5~2小時，空冷。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:化學(xué)成分設(shè)計合理，與ZG40Cr25Ni20Si2相比在不增加成本的基礎(chǔ)上，大幅提升在700~800°C高溫工況下的耐磨性能。同時，在不損失耐磨性的前提下盡可能提高材料韌性，保證使用安全可靠性，首先通過添加RE (以Y和Ce為主)元素，提高合金的純度，其次通過T1、Nb合金化法增加晶粒的形核核心，提高合金的形核率，在澆注過程中通過機械振動法破碎凝固前期形成的枝晶，再次增加形核核心，采用上述組合方式達到細化晶粒的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明鋼在800°C的高溫抗氧化性能。

【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明:
[0028]為實現(xiàn)本發(fā)明提供具有高溫抗氧化性能和高溫抗磨損性能的耐磨鋼，本發(fā)明的成分控制如下:
[0029]成分設(shè)計理由或原理:
[0030]碳:在耐熱鋼中是一種強烈形成并穩(wěn)定奧氏體且擴大奧氏體區(qū)的元素，它是一種間隙元素，通過和T1、V、W和Mo等強化元素的結(jié)合保證材料的耐磨性，但碳含量不宜過高，會對晶間腐蝕不力，故對碳含量控制在0.15~0.55%。優(yōu)選地，碳含量為0.15~0.4%，更優(yōu)選為0.2~0.3%。
[0031]錳:在鉻-鎳耐熱鋼中，錳可以提高氮在鋼中的溶解度，錳和硫有較強的親和力形成硫化錳，能夠有效將鋼中硫去除，錳的含量控制在1.0~2.5%能在本發(fā)明鋼中發(fā)揮良好的作用。優(yōu)選地，錳含量為1.0~2.0%，更優(yōu)選為1.2~1.7%。
[0032]硅:是鐵素體形成元素，在鉻-鎳耐熱鋼中，硅含量一般不超過2.5%。硅元素能夠提高鋼在氧化腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性，提高鋼的耐熱性，因此硅元素控制在0.8~2.5%。優(yōu)選地，硅含量為1.0~2.0%，更優(yōu)選為1.0~1.5%。
[0033]鉻:是耐熱鋼抗氧化和抗腐蝕最主要的元素，同時鉻又是強烈形成并穩(wěn)定鐵素體的元素，縮小奧氏體區(qū)。為了保證本發(fā)明鋼的抗氧化性能和抗腐蝕性能，同時又保證鋼在室溫下為奧氏體組織，一般鉻含量控制在20.0~30.0%。優(yōu)選地，鉻含量為25.0~29.0%，更優(yōu)選為26.0~28.5%。
[0034]鎳:是奧氏體耐熱鋼的主要元素，能夠形成并穩(wěn)定奧氏體組織，使鋼獲得完全奧氏體組織,提高鋼的熱強性。鎳元素含量控制在10.0~16.0%。優(yōu)選地,鎳含量為10.0~14.0%，更優(yōu)選為 11.0 ~13.0%o
[0035]鎢、鑰和釩:能夠提高鋼的熱強性，能夠生成碳化物，起到耐磨作用。鎢元素含量控制在1.0~3.0 %，優(yōu)選地為1.5~2.8 %，更優(yōu)選為2.0~2.5 %;鑰元素含量控制在0.5~2.0%，優(yōu)選地為0.6~1.8%，更優(yōu)選地為0.7~1.2% ;釩元素含量控制在0.1~1.0%，優(yōu)選地為0.2~0.6 %，更優(yōu)選地為0.3~0.5 %。
[0036]鈮和鈦:能夠細化鋼的晶粒，并且形成碳化物產(chǎn)生彌散強化，改善抗晶間腐蝕能力，但這兩種元素的加入量不能過大，影響鋼液的流動性。鈮元素含量控制在0.05~0.5%，優(yōu)選地為0.1~0.35%，更優(yōu)選為0.15~0.25% ;鈦元素含量0.05~0.2%，優(yōu)選為 0.1 ~0.2%。
[0037]氮:能夠形成并穩(wěn)定奧氏體組織，能夠替代部分鎳，能夠提高鋼的強度和耐蝕性。氮元素控制在0.05~0.2 %，優(yōu)選地為0.1~0.2 %。
[0038]稀土:添加微量主要是起到凈化鋼液的作用，還可提高鋼的抗氧化性能。稀土元素(主要以鈰和釔為主)含量都控制在0.05~0.2%，優(yōu)選地為0.08~0.15%。
[0039]同時，硫、磷等雜質(zhì)元素在技術(shù)條件允許情況下應(yīng)盡可能降低其含量，減少晶間偏僻，提高韌性。碳元素、氮元素與其它各個元素之間達到理想的最佳配比含量，從而為保證本發(fā)明鋼在700~800°C的高溫抗氧化性能和高溫抗磨損性能。
[0040]上述采用配料一中頻感應(yīng)爐熔煉一鋼包爐精煉一V法鑄造一線切割成型一熱處理的工藝流程制成。
[0041]⑴配料
[0042]按照發(fā)明鋼的化學(xué)成分，分別計算并稱取廢鋼、硅鐵、錳鐵、鎳板、鑰鐵、鎢鐵、釩鐵、低碳絡(luò)鐵、聞碳絡(luò)鐵、欽鐵、銀鐵和稀土 ；
[0043](2)中頻感應(yīng)爐熔煉
[0044]先將30~80%的廢鋼加入到中頻感應(yīng)爐中，待爐中廢鋼開始熔化后，再加入鎳板、鑰鐵、鎢鐵和鈮鐵；再加入余下廢鋼，當爐中金屬全部熔化后，再加入高碳鉻鐵、低碳鉻鐵、硅鐵、錳鐵和釩鐵，化清；加入鋁絲脫氧(鋼液重量的0.01% )，脫氧后待中頻感應(yīng)爐的爐溫達到1580~1610°C時，出爐；
[0045](3)鋼包爐精煉
[0046]將鋼水澆入鋼包爐中，鋼包爐溫度穩(wěn)定在1580±10°C，靜置5~10分鐘后放入稀土和鈦鐵，靜置15分鐘后，出爐澆注；
[0047](4) V 法鑄造
[0048]采用抽負壓的方式使砂緊實形成型腔，鋼液澆入型腔后，一直保持負壓，澆注時負壓保持在0.06MPa，在澆注的同時微振3~5s (頻率50Hz，振幅不超過0.5mm)，澆注完畢后負壓保持在0.04MPa，保壓30~45min，撤負壓，出箱；
[0049](5)線切割成型
[0050]根據(jù)設(shè)計圖紙要求，用線切割機機加鑄件成成品；
[0051](6)熱處理
[0052]輥圈進行固溶+低溫回火熱處理:固溶溫度1100~1120°C，保溫2小時，水冷，回火溫度200~220°C，保溫6小時，空冷。
[0053]本發(fā)明鋼實施的具體化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)％ )見下表1所示。
[0054]表1化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)％ )

【權(quán)利要求】
1.一種用于高溫工況下的中碳耐磨鋼，其特征在于，按質(zhì)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%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高溫工況下的中碳耐磨鋼，其特征在于，按質(zhì)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%，其余為 Fe和不可避免的雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于高溫工況下的中碳耐磨鋼，其特征在于，按質(zhì)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%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于高溫工況下的中碳耐磨鋼，其特征在于，按質(zhì)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%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高溫工況下的中碳耐磨鋼，其特征在于，所述稀土元素RE以Y和Ce為主成分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高溫工況下的中碳耐磨鋼，其特征在于，所述高溫工況是指700~800°C的工況。
7.—種如權(quán)利要求1所述的用于高溫工況下的中碳耐磨鋼的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步:配料 按照碳鋼的化學(xué)成分，分別計算并稱取廢鋼、硅鐵、錳鐵、鎳板、鑰鐵、鎢鐵、釩鐵、低碳絡(luò)鐵、聞碳絡(luò)鐵、欽鐵、銀鐵和稀土 ； 第二步:中頻感應(yīng)爐熔煉 先將重量30~80%的廢鋼加入到中頻感應(yīng)爐中，待爐中廢鋼開始熔化后，再加入鎳板、鑰鐵、鎢鐵和鈮鐵；再加入余下廢鋼，當爐中金屬全部熔化后，再加入高碳鉻鐵、低碳鉻鐵、硅鐵、錳鐵和釩鐵，化清；加入鋼液重量0.01 %的鋁絲脫氧，脫氧后待中頻感應(yīng)爐的爐溫達到1580~1610°C時，出爐； 第三步:鋼包爐精煉 將鋼水澆入鋼包爐中，鋼包爐溫度穩(wěn)定在1580±10°C，靜置5~10分鐘后放入稀土和鈦鐵，靜置15分鐘后，出爐澆注； 第四步:V法鑄造 采用抽負壓的方式使砂緊實形成型腔，鋼液澆入型腔后，一直保持負壓，澆注時負壓保持在0.06MPa，在澆注的同時微振3~5s，頻率50Hz，振幅不超過0.5mm,澆注完畢后負壓保持在0.04MPa，保壓30~45min，撤負壓，出箱；第五步:線切割成型 根據(jù)設(shè)計圖紙要求，用線切割機機加鑄件成成品； 第六步:熱處理成品件進行固溶+低溫回火熱處理:固溶溫度1100~1120°C，保溫時間根據(jù)壁厚調(diào)整，每15mm保溫I小時，水冷，回火溫度200~220°C，保溫時間根據(jù)壁厚調(diào)整，每1mm保溫.1.5~2小時 ，空冷。
【文檔編號】C22C38/58GK104073745SQ201410350897
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】劉旭, 胡斌, 劉智濤, 黃云苓, 陳廷偉, 劉勁松, 王洪霞 申請人:中材裝備集團有限公司