專利名稱：高鉻鑄鋼箅條及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種高鉻鑄鋼篦條及其制造方法，屬于高鉻耐熱合金鑄鋼及其鑄造方法。
篦條是燒結機臺車上的主要部件，工作溫度高達800～950℃，處于高溫氧化環境下，同時篦條處在含有CO、CO2、SO2和水蒸汽的氣體介質中，受到氣體的腐蝕作用，篦條還要承受燒結礦的撞擊和摩擦磨損作用，其工作環境十分惡劣。目前我國主要使用中硅耐熱球鐵篦條和高鉻鑄鐵篦條，前者抗氧化性差，使用壽命低，后者脆性大，使用中易出現脆性斷裂。國外采用具有較好的耐熱性和耐磨性的高鉻鎳合金篦條，但由于這類篦條中鎳含量高，造成篦條的成本過高，而我國鎳資源又十分短缺。中國專利ZL88105269．8公開了《一種爐用耐熱鉻鋼》，其化學成分為C0．6～1．0％、Si1．4～2．0％、Mn≤0．6％、S≤0．035％、P≤0．045％、Cr15．0～19．0％、Re0．03～0．1％、余量為Fe。該爐用耐熱鉻鋼采用無鎳配方，解決了高鉻鎳合金篦條的高成本問題，但其抗氧化性和耐磨性明顯降低。
本發明的目的是提供一種多元素、低鎳含量的高鉻鑄鋼篦條及其制造方法，在成本得到控制的同時，大幅度提高篦條的抗氧化性和耐磨性。
本發明的目的是通過以下措施實現的。
一種高鉻鑄鋼篦條，其化學成分組成為(重量％)C1．0～2．2％、Cr22．0～30．0％、Al3．0～7．0％、Si1．0～2．5％、Mn0．5～1．0％、Ni0．2～0．8％、B0．005～0．04％、Zr0．04～0．10％、Y0．08～0．25％、K0．02～0．08％、S＜0．04、P＜0．04，余量為Fe。
一種制造上述高鉻鑄鋼篦條的方法，采用電爐熔煉，其制造工藝步驟如下①將普通廢鋼、碳素鉻鐵、低碳鉻鐵和不銹鋼廢料混合放入爐中加熱熔化，鋼水熔清后加入硅鐵和錳鐵；②爐前調整成分合格后將溫度升至1580～1640℃，加入占鋼水重量4％～7％的Al脫氧和合金化，而后出爐；③將含鉀變質劑、釔基稀土、鋁鋯合金和硼鐵破碎至粒度小于15mm的小塊并烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理；
④鋼水經過濾處理，在其溫度為1420～1480℃時，澆注入濕砂型鑄造篦條；⑤澆鑄8～12分鐘后開箱空冷篦條；⑥對篦條進行退火處理，退火處理工藝為300～420℃、3～6)小時，空冷或爐冷。
鋼水入鑄型前的過濾處理，是采用耐火纖維過濾網進行的，過濾網的網孔1．5～2．0mm×1．5～2．0mm，網厚0．20～0．40mm，空隙率40～60％，過濾網安放于澆口杯下面。
C是影響高鉻耐熱鋼硬度和韌性的主要元素，C含量高時，組織中碳化物數量多，基體硬度高，耐磨性好。C含量對韌性有雙重影響，一方面隨著C含量增加，碳化物顯著增加，且多分布在晶界上，故沖擊韌性下降，另一方面，所形成的碳化物阻礙高鉻耐熱鋼的高溫晶粒長大，使晶粒顯著細化。此外高鉻鋼C量高時，高溫發生α→γ轉變，而γ相對高溫晶粒長大不敏感，因此高鉻耐熱鋼韌性隨C量增加出現極大值，為兼顧鋼的耐磨性和韌性，將C含量控制在1．0％～2．2％。
Cr是高鉻鑄鋼中最主要的合金元素，高鉻鑄鋼之所以有較高的耐熱性能，主要是Cr的加入使合金外表層在高溫作用下能生成一層致密的Cr2O3保護層，阻止或延緩了合金的氧化過程由外部氧化轉向內部氧化。在高溫工況下，由于受應力等的作用，使氧化膜及下表層產生裂紋，裂紋的出現為合金的內部氧化提供了供氧通道。高鉻鑄鋼本身對裂紋有修復能力，Cr含量越高，對裂紋修復能力越強，但Cr含量超過30％時，有脆性化合物σ相析出，損害材料的韌性，此外Cr含量過高，材質熔煉困難，鑄造性能惡化，成本顯著升高，因此Cr含量以22％～30％為宜。
Al也是耐熱合金中常用的抗氧化元素，耐熱合金在高溫下的破壞形式有氧化與生長或變形開裂。Al能在金屬表面于高溫下迅速氧化，同時生成連續致密的保護膜，牢固地覆蓋于金屬表面，從而有效地阻礙氧及金屬(原子或離子)在高溫下擴散，使合金具有高溫抗氧化能力。同時Al還能使α→γ相變溫度提高，穩定珠光體，或提高珠光體分解溫度，使合金具有抗高溫生長的能力。Al加入量過多，材質鑄造性能惡化，成本增大，因此將Al含量控制在3．0％～7．0％。
Si在高溫時對氧化有抑制作用，在溫度較高(大于900℃)時，能夠形成較致密的氧化層。在高鉻鑄鋼中加入適量的Si可明顯改善其抗氧化性，但Si增大高鉻鑄鋼的脆性，加入量過多，會使高鉻鑄鋼的沖擊韌性明顯降低，為兼顧沖擊韌性和抗氧化性，將Si含量控制在1．0％～2．5％。
Mn不是抗氧化元素，其分子量大，氧化物又不足以形成鈍化保護膜，所以盡量降低其含量，但Mn可起脫氧作用，因此將其含量控制在0．5％～1．0％。
Ni是一種非碳化物形成元素，它固溶于基體能夠提高基體的高溫強度和熱疲勞強度。而基體組織的高溫強度對發揮碳化物抵抗高溫磨料磨損可起到重要作用，因為它直接關系到能否對碳化物提供良好的支撐條件，Ni還能在一定程度上提高合金抗氧化能力，但其價格較高，綜合考慮將Ni含量控制在0．2％～0．8％。
高鉻鑄鋼中加入微量B，可促使共晶碳化物粒化，有利于提高合金的沖擊韌性。此外B在高鉻鑄鋼中主要以硼化物形式存在，而硼化物可減少合金氧化時氧化劑的擴散通道，提高氧化膜粘附力，硼化物還可顯著減小氧化膜的生長應力，使氧化膜不易引起應力集中，減弱甚至抑制氧化膜產生裂紋，對提高高鉻鑄鋼的抗氧化性是有利的，但加入量過多，使合金脆性增大，因此將B含量控制在0．005％～0．04％。
Zr既可細化晶粒，提高合金強韌性，還降低氧在氧化膜中的擴散率和合金氧化膜生長率，提高合金耐熱性，加入量過多，使合金變脆，因此將Zr含量控制在0．04％～0．10％。
Y具有凈化晶界的作用，而晶界是合金高溫工作時的薄弱部位，晶界凈化能提高抗晶界氧化能力，從而提高合金的高溫強度和蠕變強度。Y還能促進Cr和Al的優先氧化，使合金表面很快形成完整均勻的Cr2O3膜或Al2O3膜，并能減小Cr2O3膜和Al2O3膜的生長速率，提高合金氧化膜的抗剝落性，從而提高合金的抗氧化性和抗高溫生長性。但過量Y將導致夾雜物增多，反而降低高鉻鑄鋼的強韌性，因此將Y含量控制在0．08％～0．25％。
K可降低高鉻鑄鋼的初晶結晶溫度和共晶結晶溫度，有助于鋼水在液相線和共晶區過冷，而合金的結晶過冷度增大，會使形核率大大增加，因此，K使初晶奧氏體晶核增多，初晶奧氏體得以細化，初晶奧氏體的細化導致共晶反應時殘留鋼液相互被隔開的趨勢增強，進而導致共晶組織的細化。此外，K在共晶結晶時選擇性地偏聚在共晶碳化物擇優長大方向前沿鋼液中，阻礙鋼液中的Fe、Cr、C等原子正常長入共晶碳化物晶體，降低了共晶領先相碳化物
擇優長大方向的長大速度，導致
方向長大減慢，而
、[100]方向長大速度增大，導致共晶碳化物變成不規則的團塊狀。初晶奧氏體的細化和共晶碳化物形態的改善，有利于高鉻鑄鋼機械性能，特別是沖擊韌性的大幅度提高，但加入量過多，導致鋼中夾雜物數量增多，對機械性能反而帶來不良影響，綜合考慮，將K含量控制在0．02％～0．08％。
P和S是原料中帶入的不可避免的微量雜質，均是有害元素，為了保證篦條的強度、韌性和耐磨性，我們將P和S的含量均控制在0．04％以下。
鑄造和熱處理工藝也能夠使合金材質的性能得到改善，本發明中篦條制造工藝的制訂依據是由于夾雜物的存在降低合金的常溫力學性能和高溫力學性能，因此在冶煉過程中采用鋼液高溫出爐，入澆包時用沖入法進行變質處理等措施。此外我們還采用了過濾處理工藝對鋼液進行過濾處理，以進一步減少鋼液中夾雜物含量，提高高鉻鑄鋼的力學性能。可用于鋼液過濾的過濾器有泡沫陶瓷過濾器、直孔陶瓷過濾器、多孔陶瓷過濾器、過濾網、縫隙式過濾器等，選用過濾器時首先要考慮鋼液成分、鑄鋼熔鑄條件、熔體與過濾器的浸潤性等合金特性和鑄件結構。同時還要考慮過濾器的耐火度、化學穩定性等。綜合考慮上述因素后，選用了使用靈活、過濾效果良好、價格低廉的耐火纖維過濾網對篦條進行過濾處理。與不過濾處理相比，過濾處理后篦條中夾雜物減少15．8％～24．6％，可使沖擊韌性提高8．8％～12．5％。過濾處理因減少了鋼液中夾雜物含量，使鋼液粘度降低，流動性提高，可明顯提高鋼液在鑄造中的充型能力，有利于降低篦條鑄造廢品率，經過濾處理后，篦條鑄造廢品率由過濾處理前的5．3％～6．2％降至1．7％以下。
為消除篦條內應力和穩定組織，篦條需要進行退火處理。退火加熱溫度過高，篦條易變形，退火加熱溫度過低，篦條內應力不易消除，選用退火加熱溫度為300～420℃，可確保內應力的消除，篦條變形量小于0．2％。保溫時間過短，篦條內應力消除不完全，保溫時間過長，浪費能源，保溫時間選擇為3～6小時可確保篦條內應力的消除，又不會使能源浪費。因篦條形狀簡單，退火加熱溫度不高，篦條保溫后的冷卻方式選用空氣冷卻或爐內冷卻均可。篦條熱處理后的金相組織為共晶碳化物+二次碳化物+奧氏體+鐵素體。
本發明與現有技術相比所具有的優點在于
①該篦條金相組織中含有13．2％～17．9％高硬度共晶碳化物，導致篦條硬度高，達到HBS420～480，耐磨性好。用于燒結機臺車上，其消耗量為9～12g／t燒結礦，而爐用耐熱鉻鋼篦條為17g／t燒結礦，高鉻鎳合金篦條為10．5g／t燒結礦。
②篦條組織中含有較多的抗氧化和抗生長元素，因此具有良好的抗氧化性和抗生長性，見表1。在900℃連續加熱500小時后的氧化速度為10．5～14．3(mg／m2·h)，在950℃連續加熱150小時后的生長率為0．008％～0．015％，其抗氧化性和抗生長性明顯優于爐用耐熱鉻鋼，與高鉻鎳合金相當。表1本發明篦條和其它篦條的抗氧化性和抗生長性對比 ③本發明篦條鑄造中采用過濾處理，可使夾雜物減少15．8％～24．6％，篦條沖擊韌性提高8．8％～12．5％。篦條鑄造廢品率由過濾處理前的5．3％～6．2％降至1．7％以下。
④本發明用多元微合金對高鉻鑄鋼進行復合變質處理，可使共晶碳化物由條、帶狀分布變為塊狀、球狀分布，分布均勻性提高，使鑄鋼強度提高，沖擊韌性大幅度提高，抗拉強度達到930～1025MPa，沖擊韌性達到10．5～12．8J／cm2，完全能夠滿足蓖條用鋼的要求。
下面對本發明的實施例進行詳述。
實施例11、配料各種原料的用量(重量％)普通廢鋼42．46％， 碳素鉻鐵21．3％，低碳鉻鐵20．8％， 錳鐵0．5％，硅鐵0．8％，鋁錠5．7％，不銹鋼廢料6．7％， 含鉀物質0．84％，釔基稀土0．59％， 硼鐵0．07％，鋁鋯合金0．24％。
2、熔煉用500公斤酸性中頻感應電爐熔煉①將212．3公斤普通廢鋼、106．5公斤碳素鉻鐵、104公斤低碳鉻鐵和33．5公斤不銹鋼廢料按上述成分要求混合放入爐中加熱熔化，鋼水熔清后，加入4公斤硅鐵、2．5公斤錳鐵；②爐前調整成分合格后將溫度升至1620℃，加入28．5公斤鋁錠脫氧和合金化，而后出爐；③將4．2公斤含鉀變質劑、2．95公斤釔基稀土、1．2公斤鋁鋯合金和0．35公斤硼鐵破碎至粒度11～14mm的小塊，經180℃烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理。
3、篦條的鑄造①用濕石英砂鑄型鑄造篦條，鋼水澆注溫度為1440℃，鋼水入鑄型前用耐火纖維過濾網進行過濾處理，過濾網的網孔1．66mm×1．66mm，網厚0．25mm，空隙率55％，過濾網安放于澆口杯下面；②澆注10分鐘后開箱空冷篦條。
4、篦條熱處理篦條退火處理工藝為350℃×5．5小時，空冷，篦條退火處理在箱式電阻爐內進行。
從篦條上取樣進行化學分析，其成分如下(重量％)C1．82，Cr25．83，Al4．87，Si1．23，Mn0．64，Ni0．62，B0．012，Zr0．06，K0．05，Y0．11，S0．012，P0．037，余量為Fe。
篦條鑄造中廢品率1．23％。篦條退火熱處理后的變形量0．08％。
在篦條實體上切取20mm薄片測試硬度為456HBS。
在篦條實體上切取10mm×10mm×55mm的無缺口試樣，測試合金的沖擊韌性為11．2J／cm2。
在與篦條同爐澆注的Y型試塊上切取φ20mm×320mm試樣，測試合金的抗拉強度為985MPa。
實施例21、配料各種原料的用量(重量％)普通廢鋼49．71％， 碳素鉻鐵18．3％，低碳鉻鐵17．5％， 錳鐵0．3％，硅鐵1．5％，鋁錠6．9％，不銹鋼廢料3．8％， 含鉀物質0．68％，釔基稀土0．90％， 硼鐵0．06％，鋁鋯合金0．35％。
2、熔煉用250公斤堿性中頻感應電爐熔煉①將124．275公斤普通廢鋼、45．75公斤碳素鉻鐵、43．75公斤低碳鉻鐵和9．5公斤不銹鋼廢料按上述成分要求混合放入爐中加熱熔化，鋼水熔清后，加入3．75公斤硅鐵、0．75公斤錳鐵；
②爐前調整成分合格后將溫度升至1630℃，加入17．25公斤鋁錠脫氧和合金化，而后出爐；③將1．7公斤含鉀變質劑、2．25公斤釔基稀土、0．875公斤鋁鋯合金和0．15公斤硼鐵破碎至粒度10～12mm的小塊，經175℃烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理。
3、篦條的鑄造①用濕石英砂鑄型鑄造篦條，鋼水澆注溫度為1450℃，鋼水入鑄型前用耐火纖維過濾網進行過濾處理，過濾網的網孔1．66mm×1．66mm，網厚0．25mm，空隙率55％，過濾網安放于澆口杯下面；②澆注11分鐘后開箱空冷篦條。
4、篦條熱處理篦條退火處理工藝為380℃×5小時，爐冷，篦條退火處理在箱式電阻爐內進行。
從篦條上取樣進行化學分析，其成分如下(重量％)C1．61，Cr23．27，Al6．23，Si1．78，Mn0．52，Ni0．33，B0．009，Zr0．08，K0．04，Y0．17，S0．011，P0．034，余量為Fe。
篦條鑄造中廢品率1．15％。篦條退火熱處理后的變形量0．07％。
在篦條實體上切取20mm薄片測試硬度為439HBS。
在篦條實體上切取10mm×10mm×55mm的無缺口試樣，測試合金的沖擊韌性為12．5J／cm2。
在與篦條同爐澆注的Y型試塊上切取φ20mm×320mm試樣，測試合金的抗拉強度為948MPa。
將本發明篦條在50m2的小型燒結機臺車和450m2的大型燒結機臺車上進行裝機試驗，連續使用達到36個月，使用安全、可靠，使用中從未發生斷裂事故。
權利要求
1．一種高鉻鑄鋼篦條，其特征在于它的化學成分組成為(重量％)C1．0～2．2％、Cr22．0～30．0％、Al3．0～7．0％、Si1．0～2．5％、Mn0．5～1．0％、Ni0．2～0．8％、B0．005～0．04％、Zr0．04～0．10％、Y0．08～0．25％、K0．02～0．08％、S＜0．04、P＜0．04，余量為Fe。
2．一種制造權利要求1所述的高鉻鑄鋼篦條的方法，采用電爐熔煉，其特征在于它的制造工藝步驟如下①將普通廢鋼、碳素鉻鐵、低碳鉻鐵和不銹鋼廢料混合放入爐中加熱熔化，鋼水熔清后加入硅鐵和錳鐵；②爐前調整成分合格后將溫度升至1580～1640℃，加入占鋼水重量4％～7％的Al脫氧和合金化，而后出爐；③將含鉀變質劑、釔基稀土、鋁鋯合金和硼鐵破碎至粒度小于15mm的小塊并烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理；④鋼水經過濾處理，在其溫度為1420～1480℃時，澆注入濕砂型鑄造篦條；⑤澆鑄8～12分鐘后開箱空冷篦條；⑥對篦條進行退火處理，退火處理工藝為300～420℃、3～6小時，空冷或爐冷。
3．根據權利要求2所述的方法，其特征在于所述的鋼水入鑄型前的過濾處理，是采用耐火纖維過濾網進行的，過濾網的網孔1．5～2．0mm×1．5～2．0mm，網厚0．20～0．40mm，空隙率40～60％，過濾網安放于澆口杯下面。
全文摘要
本發明公開了一種高鉻鑄鋼箅條及其制造方法,箅條的化學成分組成為(重量%):C1.0～2.2%、Cr22.0～30.0%、Al3.0～7.0%、Si1.0～2.5%、Mn0.5～1.0%、Ni0.2～0.8%、B0.005～0.04%、Zr0.04～0.10%、Y0.08～0.25%、K0.02～0.08%、S<0.04、P>0.04,余量為Fe。與現有技術相比,本發明高鉻鑄鋼箅條在成本得到控制的同時,大幅度提高了箅條的抗氧化性和耐磨性,使用壽命長,可降低燒結礦的生產成本。
文檔編號C22C38/56GK1282799SQ0012369
公開日2001年2月7日 申請日期2000年8月29日 優先權日2000年8月29日
發明者洪桃生, 符寒光 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司, 冶金工業部北京冶金設備研究院