一種耐高溫合金材料鑄件及其制備方法

一種耐高溫合金材料鑄件及其制備方法
【專利摘要】一種耐高溫合金材料鑄件及其制備方法，它的化學成分按照質量百分比的配比為：C0.10-0.18%；Si2.0-2.6%；Mn≤1%；P≤0.045%；S≤0.045%；Cr19-23%；Ni36-40%；Mo1.5-2.0%；B0.50-0.65%；W3.5-4.5%；Al1.0-1.4%；Ti2.0-2.6%；Co2-3%；Ce0.05-0.15%；其余為Fe。本發明的制備方法包括蠟模制造、型殼制造、熔煉、澆注工序，所述鑄件的鑄態硬度為HB273-285；鑄態金相組織為細小樹枝狀的奧氏體r+沉淀強化相r′+金屬間化合物+金屬碳化物+金屬硼化物。利用本發明得到的內芯杯鑄件的高溫抗蠕變能力強，耐高溫性能和抗氧化性能強，高溫狀態下的強度大、穩定性高，鑄件的使用壽命長。
【專利說明】一種耐高溫合金材料鑄件及其制備方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種鑄件的材料及制備方法，尤其是一種耐高溫、高硬度的合金材料 鑄件及該鑄件的制備方法，屬金屬材料【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 目前在新型燃燒設備中，內芯杯是其中的核心部件。內芯杯為長方錐臺形薄壁結 構，鑄件壁厚5_，內心杯的側壁開設多個出氣孔。內芯杯在工作時，長期處于60%氣化、40% 碳化、交變高溫、交變熱高氣壓、溫度大于1140° C的環境中。現有內芯杯的材料多為耐熱 鋼ZG40Cr25Ni20。這種材料在高溫環境中，Ni形成主要相面心結構f相對較少，碳化物易 在晶界上析出，造成局部貧鉻，易產生裂紋，一般使用壽命不到一個月就變形爆裂失效。
[0003] 內芯杯工作使用的燃燒介質多為木質顆粒和煤粉等，環境粉塵多。內芯杯燃燒時 氣流由上至下逐漸壓縮，在高溫下內芯杯的底部形成巨大的渦流狀熱高氣壓，導致內芯杯 底部容易發生膨脹變形，同時草木灰、煤灰在高溫、熱高氣壓下加速對內芯杯產生侵蝕氧化 過程。當燃燒介質耗盡，內芯杯停止工作時，溫度迅速下降，內芯杯收縮、產生巨大內應力， 同時燃燒生成的粉塵由于熱高氣壓的歸零而產生負壓進入內芯杯內部。當內心杯再次工作 時，內芯杯底部形成的渦流狀熱高氣壓氣流中夾雜著大量粉塵顆粒，燃燒環境進一步惡化。 內心杯在交變高溫、交變熱高氣壓作用下內芯杯不斷地高溫膨脹、停機冷卻，產生內應力， 從而導致內芯杯發生變形、氧化破損，這樣反反復復、周而復始，加速了內芯杯變形、斷裂的 進程。


【發明內容】

[0004] 本發明的目的在于提供一種耐高溫合金材料鑄件及其制備方法，所述鑄件的膨脹 系數小、耐高溫、抗氧化能力強。
[0005] 本發明所述問題是以下述技術方案實現的： 一種耐高溫合金材料鑄件，它的化學成分按照質量百分比的配比為：C 0. 10-0. 18% ; Si 2. 0-2. 6% ；Mn ^ 1% ；P ^ 0. 045% ；S ^ 0. 045% ；Cr 19-23% ；Ni 36-40% ；Mo 1. 5-2. 0% ；B 0.50-0. 65% ;W 3. 5-4.5% ;A1 1.0-1. 4% ;Ti 2. 0-2.6% ;Co 2-3% ;Ce 0.05-0. 15%;其余為 Fe ； 所述鑄件中w和M的化學成分按照質量百分比配比為：W+Mo彡5%，W和M的比值滿足： W/Mo=2. 0-2. 5 ;所述鑄件中Ti和A1的化學成分按照質量百分比配比為：Ti+Al=3-4%，Ti和 A1 的比值滿足：Ti/Al=l. 7-2. 2。
[0006] 上述耐高溫合金材料鑄件，所述合金材料的化學成分按照質量百分比的配比優 選如下：C 0.12 ?0.17%;Si 2-2·50%;Μη 0·6-0·95%;Ρ < 0.040%;S 彡 0.045%; Cr 19-21% ;Ni 37-40% ;Mo 1.7-2. 0%;B 0.50-0. 6% ;W 3.8-4. 3% ;A1 1.0-1. 2% ;Ti 2. 0-2. 4% ;Co 2. 3-2. 9% ;Ce 0· 07-0. 1% ;其余為 Fe。
[0007] 上述耐高溫合金材料鑄件，所述鑄件中W和M的比值滿足:W/Mo=2. 0-2. 2 ;所述鑄 件中Ti和A1的比值滿足：Ti/Al=l. 9-2. 1。
[0008] 上述耐高溫合金材料鑄件，所述鑄件的物理性能如下：鑄態硬度為：HB273-285 ; 鑄態金相組織為：細小樹枝狀的奧氏體r+沉淀強化相f +金屬間化合物+金屬碳化物+金 屬硼化物。
[0009] -種耐高溫合金材料鑄件的制備方法，它包括蠟模制造、型殼制造、熔煉、澆注工 序，所述熔煉工序中熔煉溫度為1660-1680° C，熔煉時的原料加入順序為：根據合金的熔 點溫度、高溫燒損、脫氧工藝要求依次加入金屬鎢、鑰鐵、金屬鈷、電解鎳、廢鋼、鉻鐵、金屬 錳、鈦鐵、鋁、稀土鈰、三級硅，最后加入非金屬硼脫氧，取樣調整成分后澆注，澆注溫度為 1620-1660° C，澆注工序后保溫、冷卻。
[0010] 上述耐高溫合金材料鑄件的制備方法，所述保溫過程中加鋸末和蠟霄。
[0011] 上述耐高溫合金材料鑄件的制備方法，鑄件澆注后立即外部扣桶，所述冷卻過程 在還原性氣氛中進行。
[0012] 本發明的有益效果在于： 本發明采用殷鋼的鎳基、低碳、高鉻，通過添加與耐高溫相關元素高硼，高量的稀土鈰， 固溶強化難熔金屬鎢，鈷，鑰，固溶沉淀強化元素鈦、鋁，提高了內芯杯鑄件的高溫抗蠕變能 力，通過殷鋼的鎳基提高了高溫環境下鋼的強度，增強了抗滲碳性，降低了鑄件產生裂紋和 高溫變形的趨勢、低碳降低了碳化物的生成傾向。通過間隙原子B大量代替原子半徑較小 的間隙原子C使晶格點陣發生畸變，歪斜，減慢了晶格擴散過程，降低位移錯攀移速度，延 緩了晶界裂紋的產生，改善了晶界能量，同時B有利于改善晶界第二相的形態，使網狀沉淀 相變為斷續沉淀相，形成鏈式網狀排列，使之更易于球化，提高了合金材料的高溫硬度，合 金穿晶轉變為沿晶界斷裂，同時B代替C發生作用，形成間隙化合物，減少和防止熱裂紋的 產生，形成奧氏體，降低蠕變速度，顯著改善持久缺口的敏感性。高硼低碳使鑄件起到了 1+1 大于2的效果。通過高量的稀土 Ce繼續對合金晶界強化、鎢和鑰對固溶強化、鈦和鋁對沉 淀的強化和提高^相數量、鉻元素 Cr對固溶的強化和抗氧化抗腐蝕穩定表面性能的提高， 較大地提高了合金材料的綜合性能。增強了高溫狀態下的強度和穩定性，提高了耐高溫性 能和抗氧化性能，延長了鑄件的使用壽命。
[0013] 鑄件中Ti和A1的化學成分按照質量百分比配比為：Ti+Al=3-4%，Ti/Al=l. 7-2. 2。 Ti、Al通過f在基體內孤散分布，影響位錯行為，從而強化合金。Ni基合金的高溫性能和 Ti、Al加入總量息息相關，增加 Ti、Al總量可明顯提高f固溶溫度和f體積分數，當Ti+Al 總量由3%繼續增加時可提高f固溶溫度110° C，f數量增加近2倍。當Ti+Al總量低 于4%，防止Ti和A1過大時容易出現的粗大片狀η (Ni Ti)相，防止合金脆化導致強度和 韌性急劇下降，在沒有真空爐的情況下，避免了鑄件出現馬蜂窩狀，保證合金的使用性能。
[0014] 當Ti/Al=l. 9-2. 1時，合金材料同時具有良好的高溫強度和抗熱腐蝕性能，隨著 Ti/Al的增加合金抗熱腐蝕性能增加，不會出現組大片狀η (Ni Ti)相，強度和塑性增強。
[0015] 熔煉時原料按順序加入感應電爐中，滿足合金的熔點溫度要求，防止高溫燒損，提 高了原料的利用率，滿足脫氧工藝要求。在保溫過程中添加的鋸末和蠟霄充分燃燒，產生還 原性氣氛，保證鋼液在還原性氣氛冷卻，防止鑄件裂紋和表面氧化。

【具體實施方式】
[0016] 本發明所述鑄件的合金材料采用殷鋼的鎳基、低碳、高鉻，并通過添加與耐高溫相 關元素高硼，高量的稀土鈰、固溶強化難熔金屬鎢、鈷、鑰，固溶沉淀強化元素鈦、鋁。上述主 要化學成分在鋼中的作用分析如下： 1、鎳Ni :鎳在鋼中的質量百分比為36-40%，作為基體材料化學成份，采用殷鋼的鎳的 化學分數作為基體，膨脹系數很小。高Ni的化學成分質量百分比能形成穩定的奧氏體r固 溶體和金屬間化合物，提高了高溫環境下鋼的強度，增強了抗滲碳性，降低了鑄件產生裂紋 的趨勢。
[0017] 2、碳C :碳在鋼中的質量百分比為0. 12-0. 18%，作為間隙原子，含量較低，降低了 碳化物的生成傾向，提高了鑄件的焊接工藝性能。
[0018] 3、硼B :本發明中B作為晶界強化元素，其質量百分比為采取高含量0. 50-0. 65%。 B和Fe可以生成斜方晶格的Fe3B、四方晶格的Fe2B、斜方晶格的FeB，鑄件在冷卻凝固時，B 在奧氏體中最大溶解度僅為〇. 018%，耐高溫性能強。在合金材料的晶界間的殘留液體中富 集B超過0. 5%后，阻礙石墨的析出，保證凝固過程按Fe-Fe3C介穩系方式進行，在晶界處非 金屬間隙硼原子置換間隙非金屬碳原子，形成屬斜方晶格的滲碳體Fe 3 (CB)。在Fe3 (CB) 中硼置換碳原子最高達80%，使碳化物產生晶格點陣發生畸變、歪斜，同時晶界上的硼又能 阻止元素的擴散和晶界遷移。隨硼B的固溶量的增加，增加晶格點陣發生畸變，提高了滲碳 體的硬度。0.5-65%的超高硼含量使硼大量富集在晶界上填滿空位和晶格缺陷，增大了晶格 點陣發生畸變、歪斜的數量，減慢了晶格擴散過程，降低位移錯攀移速度，延緩了晶界裂紋 的產生，改善了晶界能量。同時B有利于改善晶界第二相的形態，使網狀沉淀相變為斷續沉 淀相，形成鏈式網狀排列，使之更易于球化，提高了合金材料的高溫硬度，提高了合金穿晶 轉變為沿晶界斷裂。同時B代替C發生作用，形成間隙化合物，減少和防止熱裂紋的產生， 形成奧氏體，降低蠕變速度，顯著改善持久缺口的敏感性。同時硼還改善了鑄件的焊接工藝 性。
[0019] 4、鎢W和鑰Mo :本發明中W和Mo作為固溶強化元素，W和Μ的化學成分按照質量百 分比配比為W+Mo彡5%，W和Μ的比值滿足W/Mo=2. 0-2. 5,其中W的質量百分比為3. 5-4. 5% ; Mo的質量百分比為1. 5-2. 0%。W和Mo主要是進入固溶體，起到固溶強化作用，顯著增加了 Ni合金f相的穩定溫度，提高f相的溶解度，提高鋼的再結晶溫度，提高鋼的抗蠕變能力， 減慢Al、Ti和Cr的高溫擴散速度，并增加擴散激活能，阻止f相向η相轉變過程，改變r 和^相之間晶格常數的錯配度，影響f相的形態，加強固溶體中原子間的結合力，減慢軟 化速度。W、Mo也可形成碳化物，提高鋼的強度和硬度。
[0020] 5、鉻Cr:本發明中Cr為固溶強化元素和抗氧化抗腐蝕穩定表面使用，其質量百 分比為19-23%。Cr優先進入r相，起固溶強化的作用。同時它還是穩定鋼表面的最重要元 素，在基體的表面形成抗氧化和抗腐蝕保護層，形成富Cr203層，Cr有低的陽離子空位，阻 止金屬元素及〇、N、S元素向外擴散，增強合金材料的抗氧化和抗熱腐蝕性能。
[0021] 6、稀土Ce :本發明中Ce作為晶界強化元素，其質量份數設計百分比為0.05-0. 1%。 Ce細化了初次結晶粒度，改變了硫化物、夾雜物的大小和形狀，消除樹枝晶，減少珠光體的 數量，與鐵形成固溶體。Ce顯著提高了鋼的抗氧化性，改善塑性，提高焊接性；同時促進碳 化物形成，提高鑄件硬度。
[0022] 7、鈦Ti和鋁A1 :本發明的合金材料中Ti、Al均為沉淀強化元素和f相的主要形 成元素，Ti、Al通過f在基體內孤散分布，影響位錯行為，從而強化合金。Ti的質量百分比 為2. 0-2. 6%，A1的質量百分比為1. 0-1. 4%，同時Ti和A1的質量百分比還要求Ti+Al=3-4%， Ti/Al=1.7-2. 2。Ti和A1是f相[Ni3(Al.Ti)]形成的主要元素，通過f相的沉淀析出 提高了鋼的熱強度，提高了鑄件的耐高溫性能。Ti還作為強碳化物元素，在合金材料中形成 細小彌散的碳化物，提高合金材料的高溫強度。
[0023] 8、鈷Co :Co是耐熱鋼的主要化學元素，本發明中Co降低基體的堆垛能，提高了合 金材料的熔點，與Ni形成連續固溶體，發揮固溶強化作用，其質量百分比為2. 0-3. 0%。Co 的加入降低了 Ti和A1在Ni基體材料中的溶解度，增加了強化相的數量，提高了固溶溫度。 同時Co降低了碳化物在晶界上的析出，縮短了晶界貧鉻區的寬度。
[0024] 9、硅Si :本發明中的合金材料為高Si設置，其質量百分比為2. 0-2. 6%。提高了合 金材料的高溫抗氧化性，延長了鑄件的使用壽命。
[0025] 表1提供了本發明鑄件的各元素的化學成分按質量百分比配比的實施例： 表1

【權利要求】
1. 一種耐高溫合金材料鑄件，其特征是，它的化學成分按照質量百分比的配比為：c 0. 10-0. 18% ；Si 2. 0-2. 6% ；Mn ^ 1% ；P ^ 0. 045% ；S ^ 0. 045% ；Cr 19-23% ；Ni 36-40% ； Mo 1. 5-2. 0% ；B 0. 50-0. 65% ；ff 3. 5-4. 5% ；A1 1. 〇-l. 4% ；Ti 2. 0-2. 6% ；Co 2-3% ；Ce 0· 05-0. 15% ;其余為 Fe ; 所述鑄件中W和M的化學成分按照質量百分比配比為：W+Mo彡5%，W和M的比值滿足： W/Mo=2. 0-2. 5 ;所述鑄件中Ti和A1的化學成分按照質量百分比配比為：Ti+Al=3-4%，Ti和 A1 的比值滿足：Ti/Al=l. 7-2. 2。
2. 根據權利要求1所述的一種耐高溫合金材料鑄件，其特征是,所述合金材料的化學 成分按照質量百分比的配比優選如下：C 0. 12?0. 17% ;Si 2-2. 50% ;Mn 0. 6-0. 95% ; P ^ 0. 040 % ；S ^ 0. 0450 % ；Cr 19-21% ；Ni 37-40% ；Mo 1. 7-2. 0% ；B 0. 5〇-〇. 6% ；ff 3. 8-4. 3% ;A1 1. 0-1. 2% ;Ti 2. 0-2. 4% ;Co 2. 3-2. 9% ;Ce 0· 07-0. 1% ;其余為 Fe。
3. 根據權利要求2所述的一種耐高溫合金材料鑄件，其特征是，所述鑄件中W和M的比 值滿足:W/Mo=2. 0-2. 2 ;所述鑄件中Ti和A1的比值滿足：Ti/Al=l. 9-2. 1。
4. 根據權利要求2所述的一種耐高溫合金材料鑄件，其特征是，所述鑄件的物理性能 如下：鑄態硬度為：HB273-285 ;鑄態金相組織為：細小樹枝狀的奧氏體r+沉淀強化相r' + 金屬間化合物+金屬碳化物+金屬硼化物。
5. -種如權利要求1?4任一項所述的耐高溫合金材料鑄件的制備方法，它包括蠟 模制造、型殼制造、熔煉、澆注工序，其特征是，所述熔煉工序中熔煉溫度為1660-1680° C， 熔煉時的原料加入順序為：依次加入金屬鎢、鑰鐵、金屬鈷、電解鎳、廢鋼、鉻鐵、金屬 錳、鈦鐵、鋁、稀土鈰、三級硅最后加入非金屬硼脫氧，取樣調整成分后澆注，澆注溫度為 1620-1660° C，澆注工序后保溫、冷卻。
6. 根據權利要求5所述的一種耐高溫合金材料鑄件的制備方法，其特征是，所述保溫 過程中加鋸末和蠟霄。
7. 根據權利要求5所述的一種耐高溫合金材料鑄件的制備方法，其特征是，鑄件澆注 后立即外部扣桶，所述冷卻過程在還原性氣氛中進行。
【文檔編號】C22C38/54GK104195474SQ201410366956
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】范修謙 申請人:保定風帆精密鑄造制品有限公司