本發(fā)明涉及一種合金鋼及其制備方法，具體地說是一種中碳FeCrSiWMoAl沉沒輥用鋼及其制造方法，用于熱鍍鋅、熱鍍鋁鋅生產(chǎn)線。

背景技術(shù)：
熱鍍鋅、熱鍍鋁鋅生產(chǎn)線沉沒輥裝置最高會在620-650℃的高溫鋁鋅液中服役，對沉沒輥裝置的材質(zhì)要求非常高，既要有耐高溫腐蝕性能，又要兼?zhèn)淠透邷啬p性能。國內(nèi)沉沒輥材料大都選用高鉻鎳合金鋼316L、317L，國外的材質(zhì)也基本都是在316L、317L的基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸，產(chǎn)品耐高溫腐蝕、耐高溫磨損性能一直沒有較大突破，加上高鉻鎳合金成本高、使用周期短，頻繁更換造成了生產(chǎn)企業(yè)的成本二次增加。受沉沒輥裝置材質(zhì)的制約，國內(nèi)生產(chǎn)沉沒輥裝置使用壽命短、出鍍鋁鋅板效率低，導(dǎo)致國內(nèi)高檔鍍鋁鋅板主要依靠進(jìn)口，造成了嚴(yán)重的資源浪費。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明是為了避免高鉻鎳合金鋼316L、317L耐高溫腐蝕、磨損性能較差、使用壽命較短的不足，提供一種中碳FeCrSiWMoAl沉沒輥用鋼及其制造方法，該鋼不僅具有良好的耐高溫腐蝕磨損性能，而且成本較低。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明中碳FeCrSiWMoAl沉沒輥用鋼，其組分按質(zhì)量百分比構(gòu)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％，其他金屬和非金屬元素總量≤3％，余量為Fe。其他金屬和非金屬元素包括N、H、O、Al、Cu、Ni、Nb、Zr、V、W、Co、B、Ta、Mg、Ca、Zn、K、Y、Sn、Pb、Ba中的一種或幾種。本發(fā)明中碳FeCrSiWMoAl沉沒輥用鋼的制造方法，包括配料、共同熔煉、澆鑄成型以及熱處理各單位過程：1、共同熔煉將配比量的各原料置于1550-1650℃下熔煉至所有原料熔化，靜置15分鐘，得到熔煉液；2、澆鑄成型將步驟1得到的熔煉液靜置冷卻至1400-1500℃，扒渣后澆于鑄模中，澆鑄成型得到鑄錠，隨后將所得鑄錠置于900-950℃下保溫2-10小時進(jìn)行均勻化退火；所述鑄模使用前預(yù)先于200-500℃預(yù)熱0.5-2小時。3、熱處理將退火后的鑄錠依次進(jìn)行淬火、回火處理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉沒輥用鋼。所述淬火處理是在450-650℃下預(yù)熱0.5-2小時，再加熱到950-1050℃保溫0.5-1.5小時后進(jìn)行淬火冷卻，淬火冷卻采用油冷方式；所述回火處理是將淬火后的鑄錠于600-700℃保溫1-3小時后空冷至室溫。本發(fā)明方法的設(shè)計依據(jù)是：C:C是鋼中的組元之一。本發(fā)明沉沒輥材料中C量的控制是為了保證合金得到好的強(qiáng)度、硬度、韌性、耐蝕性的配合，尤其是保證其固溶于淬火M中或與W、Cr、Ti等合金元素作用形成高硬度、高穩(wěn)定性的合金碳化物，使合金有足夠的硬度和耐磨性，避免316L、317L鋼由于超低的含碳量導(dǎo)致的合金的硬度、耐磨性明顯偏低。含碳量偏低，材料的韌性和耐蝕性將得以提高，但耐磨性會不夠；含碳量過高，材料的硬度、耐磨性會改善，但韌性和耐蝕性會下降。Cr：鉻是提高鋼的淬透性、使鋼強(qiáng)化的重要元素，同時也是提高鋼的耐蝕性的重要元素。以往的316L、317L沉沒輥材質(zhì)中，含鉻量多高于14％。本發(fā)明沉沒輥選擇鉻含量為9－11％之間。Cr有強(qiáng)烈提高淬透性作用，保證鑄后合金為馬氏體組織，回火后獲得保持有明顯馬氏體針遺跡的細(xì)小索氏體組織，同時Cr與C形成碳化物可強(qiáng)化硬化合金，提高耐磨性，且有提高回火穩(wěn)定性及熱疲勞抗力作用。因為偏低的含鉻量對材料的耐腐蝕性不利；而偏高的鉻含量對韌性不利，且會提高成本。另外含鉻量的選擇還要兼顧鉻量與碳量的合理匹配。Si：有固溶強(qiáng)化、提高淬透性作用，進(jìn)入阻擋層，可增加Zn在其中的擴(kuò)散系數(shù)，阻止Zn的擴(kuò)散，抑制腐蝕。但Si易使合金脆化，量不宜太多，應(yīng)不超過2.5％。W：加入鎢元素可提高鋼的回火穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)硬度，是合金具有較高的高溫耐磨性。進(jìn)入阻擋層，可明顯增加Zn在其中的擴(kuò)散系數(shù)，強(qiáng)烈阻止Zn的擴(kuò)散，抑制腐蝕。。但由于W的價格昂貴，為了控制合金成本，加入量不超過1.5％。Mo：加入少量Mo元素可提高合金淬透性?？商岣咪摰幕鼗鸱€(wěn)定性和高溫強(qiáng)硬度，是合金具有較高的高溫耐磨性。進(jìn)入阻擋層，可明顯增加Zn在其中的擴(kuò)散系數(shù)，強(qiáng)烈阻止Zn的擴(kuò)散，抑制腐蝕。。但由于Mo的價格昂貴，為了控制合金成本，加入量不超過1.5％。Al：由于鋁鋅液中的Al先于Zn與Fe反應(yīng)形成Fe5Al2層，起到抑制鋅原子擴(kuò)散的作用，有利于提高其耐蝕性，但過多，會引起合金強(qiáng)度、耐磨性下降。RE和Ti：加入少量稀土可以凈化、細(xì)化組織，提高耐蝕性。Ti元素能起到強(qiáng)化作用，能阻止Zn在阻擋層中的擴(kuò)散，抑制腐蝕。RE、Ti的加入對阻擋層的細(xì)化、增韌作用，使阻擋層致密、完整、不碎裂。但量不能高，分別控制在0.4％和1.0％以下。P、S及其他金屬與非金屬元素：P會引起熱脆，S易引起冷脆。其他金屬與非金屬元素在本發(fā)明沉沒輥中均作為雜質(zhì)，其量需嚴(yán)格控制。沉沒輥、穩(wěn)定輥工作環(huán)境為接近620-650℃的高溫鋁鋅液，其主要失效形式為高溫腐蝕和磨損，由于輥面所受載荷有限，腐蝕問題顯得更為重要。其中腐蝕來源于Zn、Fe在高溫下的互溶、擴(kuò)散反應(yīng)，而316L等奧氏體型不銹鋼通過加入大量的Cr、Ni等元素形成單相奧氏體組織的抗腐蝕機(jī)理在此環(huán)境下是不適用的，而且由于超低的含碳量，合金的硬度、耐磨性明顯偏低，因此該類合金設(shè)計思想是偏頗的，無法得到高耐鋁鋅磨蝕性能。且其中Ni含量達(dá)到14％，占合金成本的一半以上，明顯提高了成本，造成了資源的浪費。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：1、本發(fā)明沉沒輥用鋼通過合金設(shè)計，使沉沒輥經(jīng)熔煉、鑄造和熱處理后，獲得保持有明顯馬氏體針遺跡的細(xì)小索氏體組織，硬度為58-60HRC，抗拉強(qiáng)度為800-850MPa，沖擊韌性aK為20-50J·cm-2，620-650℃鋁鋅液中均勻腐蝕速率為0.2-0.6g·m-2·h-1，在沉沒輥的工作環(huán)境下具有很好的耐磨、耐蝕性，其壽命是316L、317L沉沒輥的2倍。2、本發(fā)明沉沒輥按照新的合金設(shè)計思路，采用無Ni的合金設(shè)計，以中碳(0.40-0.50％)、中鉻(9-11％)為基礎(chǔ)，加入適量的Si、Mo、W、Al和少量的Ti及稀土。與316L、317L沉沒輥相比，由于含Ni量為0，成本明顯降低。具體實施方式以下通過實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。1、配料本發(fā)明實施例中碳FeCrSiWMoAl沉沒輥用鋼按重量百分比的材料成分如下表1：表1組CCrSiWMoRETiAlFe實施例10.409.01.00.50.5001.0余量實施例20.4510.01.01.01.001.01.0余量實施例30.4510.01.51.01.00.11.02.0余量實施例40.4510.02.01.51.00.11.02.5余量實施例50.4511.02.01.51.00.21.53.0余量實施例60.5011.02.51.51.50.41.53.0余量2、制備(1)共同熔煉將配比量的各原料置于1600℃下熔煉至所有原料熔化，靜置15分鐘，得到熔煉液；(2)澆鑄成型將步驟(1)得到的熔煉液靜置冷卻至1400-1500℃，扒渣后澆于鑄模中，澆鑄成型得到鑄錠，隨后將所得鑄錠置于930℃下保溫3小時進(jìn)行均勻化退火；所述鑄模使用前預(yù)先于300℃預(yù)熱1小時。(3)熱處理將退火后的鑄錠依次進(jìn)行淬火、回火處理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉沒輥用鋼。所述淬火處理是在550℃下預(yù)熱1小時，再加熱到950-1050℃保溫0.5-1.5小時后進(jìn)行淬火冷卻，淬火冷卻采用油冷方式；所述回火處理是將淬火后的鑄錠于650℃保溫2小時后空冷至室溫。實施例1，含碳量為0.40，保證了合金有較高的塑韌性，保證其固溶于淬火后的M中或與W、Cr、Ti等合金元素作用形成高硬度、高穩(wěn)定性的合金碳化物，合金有較高的硬度和耐磨性，避免316L、317L鋼由于超低的含碳量導(dǎo)致的合金的硬度、耐磨性明顯偏低。；Si有固溶強(qiáng)化、提高淬透性和提高耐Zn腐蝕的作用；Cr、W、Mo多元合金化可強(qiáng)烈阻止Zn的擴(kuò)散，保證合金的耐蝕性和耐熱性，其中，Cr、W、Mo與C形成較穩(wěn)定的化合物，具有高硬度，可提高合金的耐熱磨損的能力。Al先于Zn與Fe反應(yīng)形成Fe5Al2層，起到抑制鋅原子擴(kuò)散的作用，有利于提高其耐蝕性.實施例2，較之實施例1，Cr量增加1.0％，W、Mo、Ti增加可提高合金的硬度、耐磨性、耐熱性，提高合金性能和壽命。實施例3，較之實施例2，Si、Al量增加，對Zn在阻擋層中擴(kuò)散的阻礙作用增強(qiáng)；RE量增加，凈化、細(xì)化組織，提高耐蝕性。實施例4，較之實施例3，Si、Al、W量增加，對Zn在阻擋層中擴(kuò)散的阻礙作用增強(qiáng)；W量增加，可進(jìn)一步提高合金的硬度、耐磨性、耐熱性。實施例5，Al、RE增加有利于耐蝕性提高，Ti量增加對提高抗磨性有利。但合金元素增加會增加成本。實施例6，較之實施例5，C、Mo增加對提高耐磨性有利，Si、RE量增加對提高抗Zn液腐蝕有利，但C、Si量增加會降低合金韌性，Mo、RE會增加合金成本。本發(fā)明配料可以是生鐵+廢鋼+合金元素，也可以是廢鋼+合金元素。上述配料、熔煉、澆鑄和熱處理后，所得合金的室溫硬度為HRC58～60，抗拉強(qiáng)度為800～850Mpa，沖擊韌性aK為20～50J·cm-2，620～650℃鋁鋅液中均勻腐蝕速率為0.2～0.6g·m-2·h-1，在沉沒輥的工作環(huán)境下具有很好的耐磨、耐蝕性。實施例7：1、配料按重量百分比的合金成分為：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，余量為Fe及雜質(zhì)。2、制備(1)共同熔煉將配比量的各原料置于1600℃下熔煉至所有原料熔化，靜置15分鐘，得到熔煉液；熔煉時加入Al作為脫模劑，脫模劑的添加量為原料總質(zhì)量的0.2％。(2)澆鑄成型將步驟(1)得到的熔煉液靜置冷卻至1450℃，扒渣后澆于鋼模鑄型中，澆鑄成型得到鑄錠，隨后將所得鑄錠置于930℃下保溫3小時進(jìn)行均勻化退火；所述鑄模使用前預(yù)先于300℃預(yù)熱1小時。(3)熱處理將退火后的鑄錠依次進(jìn)行淬火、回火處理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉沒輥用鋼。所述淬火處理是在550℃下預(yù)熱1小時，再加熱到1000℃保溫0.5小時后進(jìn)行淬火冷卻，淬火冷卻采用油冷方式；所述回火處理是將淬火后的鑄錠于650℃保溫2小時后空冷至室溫。實施例8：1、配料按重量百分比的合金成分為：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，余量為Fe及雜質(zhì)。2、制備(1)共同熔煉將配比量的各原料置于1600℃下熔煉至所有原料熔化，靜置15分鐘，得到熔煉液；熔煉時加入Al作為脫模劑，脫模劑的添加量為原料總質(zhì)量的0.2％。(2)澆鑄成型將步驟(1)得到的熔煉液靜置冷卻至1450℃，扒渣后澆于鋼模鑄型中，澆鑄成型得到鑄錠，隨后將所得鑄錠置于930℃下保溫3小時進(jìn)行均勻化退火；所述鑄模使用前預(yù)先于300℃預(yù)熱1小時。(3)熱處理將退火后的鑄錠依次進(jìn)行淬火、回火處理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉沒輥用鋼。所述淬火處理是在550℃下預(yù)熱1小時，再加熱到1020℃保溫0.5小時后進(jìn)行淬火冷卻，淬火冷卻采用油冷方式；所述回火處理是將淬火后的鑄錠于650℃保溫2小時后空冷至室溫。實施例9：1、配料按重量百分比的合金成分為：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，余量為Fe及雜質(zhì)。2、制備(1)共同熔煉將配比量的各原料置于1600℃下熔煉至所有原料熔化，靜置15分鐘，得到熔煉液；熔煉時加入Al作為脫模劑，脫模劑的添加量為原料總質(zhì)量的0.2％。(2)澆鑄成型將步驟(1)得到的熔煉液靜置冷卻至1450℃，扒渣后澆于鋼模鑄型中，澆鑄成型得到鑄錠，隨后將所得鑄錠置于930℃下保溫3小時進(jìn)行均勻化退火；所述鑄模使用前預(yù)先于300℃預(yù)熱1小時。(3)熱處理將退火后的鑄錠依次進(jìn)行淬火、回火處理，即得中碳FeCrSiWMoAl沉沒輥用鋼。所述淬火處理是在550℃下預(yù)熱1小時，再加熱到1000℃保溫0.5小時后進(jìn)行淬火冷卻，淬火冷卻采用油冷方式；所述回火處理是將淬火后的鑄錠于650℃保溫2小時后空冷至室溫。