CN107267810A - 一种耐热垫块用高温合金及轧钢加热炉用耐热垫块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高温合金材料领域内的一种耐热垫块用高温合金及轧钢加热炉用耐热垫块，该高温合金包括如下重量百分比的化学成分：C 0.05%～0.30%，Si 0.5%～1.5%，Mn 0.5%～1.5%，Cr 26%～31%，Ni 13%～18%，W 1.5%～3.5%，Mo 1%～2%，Nb 0.5%～1.5%，Ce 0.02%～0.2%，Zr 0.02%～0.1%，Fe 0.01%～10%，其余为Co和不可避免的杂质。本发明的高温合金制成的耐热垫块，可实现在1300℃～1350℃的轧钢加热炉炉温下使用，布置在汽化冷却水冷梁上支撑钢坯，具有较好的抗高温压缩蠕变性能、抗高温氧化性能，防止出现腐蚀、磨损和积瘤的问题，能够延长耐热垫块的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于高温合金材料领域，特别涉及一种用于制造耐热垫块的高温合金以及采用该合金制成的轧钢加热炉用耐热垫块。
背景技术
钢坯在轧制前必须使用连续式轧钢加热炉加热，使得钢坯依次进行预热、加热、均热（等温）三个过程，将钢坯加热至特定的工艺温度，且要求钢坯的内外温度趋于一致。连续式轧钢加热炉包括有步进式加热炉和推钢式加热炉，连续式轧钢加热炉内均设置有水冷梁，在钢坯的加热过程中，炉内水冷梁上布置有耐热垫块，被加热的钢坯直接布置在耐热垫块上，耐热垫块是连续式轧钢加热炉的关键部件，其长期处于高温、高负载以及腐蚀气氛的恶劣工况下，对耐热垫块的材质要求非常严格。
1944年西屋公司的Yan Keel9A发动机采用了钴基合金HS 23精密铸造叶片，自此以后钴基高温合金开始广泛用于制造航空发动机叶片及一些防腐蚀性能要求很高的零件。1963年德国Pose marre公司开发UMCo-50合金用于制造轧钢加热炉的耐热垫块，该合金比30Cr-25Ni-Fe系列高温合金的使用温度提高300℃，不仅具有优良的高温力学性能及化学性能，而且在高温下具有自润滑功能。1983年日本开发出了采用KHR40CM合金的耐热垫块，与UMCo-50合金耐热垫块相比，KHR40CM合金工作温度提高，抗氧化性能得到增强，耐热垫块的极限高度进一步提升，减小了耐热垫块顶部与钢坯的温差，使被加热钢坯因加热温差导致出现“黑印”的可能性有效降低。现在钴基高温合金已广泛应用于全世界范围内的轧钢用步进式加热炉和推钢式加热炉。
随着对钴合金材料研究的进一步深入，材料工作者发现钴合金在高温下仍有一些不足之处：UMCo-50在600～900℃长期使用时，会析出有害的σ相，在1000℃以上长期使用时，会析出（Cr，Fe）2N片状相，导致耐热垫块的损耗量较大，容易产生严重变形，影响使用寿命。
近年来，轧钢用步进式大型板坯加热炉中开始广泛采用高效节能的汽化冷却技术，耐热垫块的使用温度也随之增加，耐热垫块上表面工作温度较水冷梁高出100℃～150℃，普遍工作在1300℃～1350℃，UMCo-50、KHR40CM合金长期工作在这样恶劣的工况条件下时，容易发生腐蚀、氧化、压缩、磨损和积瘤的问题，使用寿命无法得到有效保证。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种耐热垫块用高温合金，采用本合金制成的耐热垫块，可实现在1300℃～1350℃的轧钢加热炉炉温下使用，布置在汽化冷却水冷梁上支撑钢坯，具有较好的抗高温压缩蠕变性能、抗高温氧化性能，防止出现腐蚀、磨损和积瘤的问题，能够延长耐热垫块的使用寿命。
本发明的目的是这样实现的：一种耐热垫块用高温合金，该合金包括如下重量百分比的化学成分：
C 0.05%～0.30%，Si 0.5%～1.5%，Mn 0.5%～1.5%，Cr 26%～31%，Ni 13%～18%，W 1.5%～3.5%，Mo 1%～2%，Nb 0.5%～1.5%，Ce 0.02%～0.2%，Zr 0.02%～0.1%，Fe 0.01%～10%，其余为Co和不可避免的杂质。
本合金以Co作为基体元素，是因为Co在一定的高温和应力条件下，具有相对平坦的应变量和时间关系曲线，能够保证本合金的抗高温蠕变性能，耐热垫块是处在高温、低应力的工作环境下的静止部件，采用本合金制成的耐热垫块在高温、低应力的作用下，有效减少了压缩变形，具有抗高温压缩蠕变性能，高钴还使本合金具有良好的抗热腐蚀、抗热冲击的性能，有利于延长耐热垫块的使用寿命。同镍基合金相比，钴基合金在高温下摩擦系数较小，与被加热的钢坯的“亲和性”较低，用其制作的耐热垫块在高温环境下不易划伤钢坯，能够提高钢坯的加热质量。
本合金含有26 wt%～31 wt%的Cr，能够形成稳定、致密的Cr2O3层，降低合金的氧化速率，提高合金的抗高温氧化性能，特别是抗高温氧化性能。
本合金含有8 wt%～15 wt%的Ni，可以在固溶一定合金元素的同时，用于抑制有害σ相的析出从而改善合金的综合性能，以保证合金在高温下具有足够的强度和韧性。
本合金含有1.5 wt%～3.5 wt%的W和1 wt%～2 wt%的Mo，起固溶强化作用，能够提高合金再结晶温度和原子间结合力，增加γ′-γ″错配度，阻碍扩散形变，有利于降低合金层错能，从而提高本合金的高温持久强度。
本合金含有0.5 wt%～1.5 wt%的Nb，能够形成起时效析出沉淀强化作用的γ′及γ″相，并增加γ′-γ″错配度，提高合金的高温力学性能，同时结合Co元素及难熔元素Mo，可获得更稳定的高度合金化的γ′相，使固溶强化作用和铸造第二相骨架强化作用得到更佳配合。
本合金含有0.05 wt～0.30 wt%的C，可配合Co、Nb、Zr等元素在铸造合金的枝晶界及晶界上形成带状、块状分布的MC和M23C6型碳化物，同时串联成为各晶粒的“骨架”，增加晶界和枝晶间的形变阻力，可提高合金的高温强度。
本合金加入适量稀土元素Ce，在冶炼时做为纯净剂去除气体和杂质，提高合金的纯净度，能够减少杂质元素在晶界发生偏析的倾向，改善晶界组织，增加杂质的分散度，有助于提高合金的高温力学性能。Ce还能够减少合金Cr2O3层中三价Cr离子在氧化膜层中的迁移速率，有利于提高氧化膜和钴合金基体的结合强度，从而增强本合金在1000℃以上的抗氧化性能。
本合金加入了0.02 wt%～0.1 wt%的Zr，由于Zr与C、S具有很强的亲和力，利用Zr原子偏聚于晶界的特性，可以净化晶界处自由态的S杂质，减少由于S偏聚在晶界所造成的裂纹倾向；同时Zr还可以促使连续带状和块状MC的形成，改善碳化物的形貌和分布状态，进一步提高合金的晶界强度，从而延迟高温状态下裂纹的形成和扩展，延长合金的使用寿命。同时，本合金所加入的Zr和稀土元素Ce可以细化合金晶粒尺寸，提高钴基合金在高温下的耐磨性，但过多的加入量（大于0.5wt%，指最终的化学分析含量）则无法起到细化晶粒的效果，同时产生新的有害相增加合金脆性。
本合金加入了适量的Si、Mn，有助于增加合金的流动性，Si、Mn作为脱氧剂，起到了一定的固溶强化作用，其浓度应足够高，以便能在合金内实现这些有利的影响，但不应过高以致降低合金的韧性。本发明中Si含量控制在0.5 wt%～1.5 wt%。
作为本发明的进一步改进，本发明的耐热垫块用高温合金的合金进一步包括如下重量百分比的化学成分：C 0.11%～0.15%，Si 0.8%～1.1%，Mn 0.5%～0.8%，Cr 27.5%～29%，Ni 13.5%～17%，W 1.8%～2.3%，Mo 1.1%～1.6%，Nb 0.6%～1.1%，Ce 0.07%～0.12%，Zr0.05%～0.1%，Fe 0.01%～5%，其余为Co和不可避免的杂质。
作为本发明的一种优选方案，本发明的耐热垫块用高温合金具体包括如下重量百分比的化学成分：C 0.12%，Si 0.9%，Mn 0.6%，Cr 28.5%，Ni 14.5%，W 1.9%，Mo 1.3%，Nb0.8%，Ce 0.08%，Zr 0.06%，Fe 4%，其余为Co和不可避免的杂质。
本发明的目的之二是提供一种采用上述合金材料制成的轧钢加热炉用耐热垫块。该耐热垫块主要适用于轧钢加热炉，宜采用真空感应炉或中频炉将母合金熔炼后浇注成型，再将成型的母合金快速重熔后浇铸成型。本耐热垫块与目前广泛使用的UMCo-50合金制成的垫块相比，具有更好的组织稳定性和抗高温压缩蠕变性能，提高了抗高温氧化性能和抗高温积瘤性能，防止出现腐蚀或者磨损的问题，能够延长制成的耐热垫块的使用寿命。
具体实施方式
下面以具体实施方式详细说明本发明。
实施例1
一种轧钢加热炉用耐热垫块，根据本发明设计的耐热垫块用高温合金的化学成分，它包括如下重量百分比成分：C 0.05%，Si 0.5%，Mn 0.5%，Cr 26%，Ni 13%，W 1.5%，Mo 1%，Nb0.5%，Ce 0.02%，Zr 0.02%，Fe 0.01%，其余为Co和不可避免的杂质。将上述配比的合金材料采用真空感应炉熔炼母合金，其中Zr和Ce在第二次合金化处理时加入，再浇注到锭模，冷却后得到母合金锭。然后将母合金锭放入真空感应炉进行快速重熔，浇注到型壳内，最终破真空取出铸型，得到1#试件。
实施例2
一种轧钢加热炉用耐热垫块，根据本发明设计的耐热垫块用高温合金的化学成分，它包括如下重量百分比成分：C 0.12%，Si 0.9%，Mn 0.6%，Cr 28.5%，Ni 14.5%，W 1.9%，Mo1.3%，Nb 0.8%，Ce 0.08%，Zr 0.06%，Fe 4%，其余为Co和不可避免的杂质。将上述配比的合金材料采用真空感应炉熔炼母合金，其中Zr和Ce在第二次合金化处理时加入，再浇注到锭模，冷却后得到母合金锭。然后将母合金锭放入真空感应炉进行快速重熔，浇注到型壳内，最终破真空取出铸型，得到2#试件。
实施例3
一种轧钢加热炉用耐热垫块，根据本发明设计的耐热垫块用高温合金的化学成分，它包括如下重量百分比成分：C 0.16%，Si 1.2%，Mn 0.9%，Cr 29.5%，Ni 15%，W 2.4%，Mo1.5%，Nb 1.1%，Ce 0.12%，Zr 0.04%，Fe 2%，其余为Co和不可避免的杂质。将上述配比的合金材料采用真空感应炉熔炼母合金，其中Zr和Ce在第二次合金化处理时加入，再浇注到锭模，冷却后得到母合金锭。然后将母合金锭放入真空感应炉进行快速重熔，浇注到型壳内，最终破真空取出铸型，得到3#试件。
实施例4
一种轧钢加热炉用耐热垫块，根据本发明设计的耐热垫块用高温合金的化学成分，它包括如下重量百分比成分：C 0.24%，Si 1.35%，Mn 1.2%，Cr 30%，Ni 16.5%，W 3.1%，Mo1.7%，Nb 1.3%，Ce 0.16%，Zr 0.08%，Fe 7%，其余为Co和不可避免的杂质。将上述配比的合金材料采用真空感应炉熔炼母合金，其中Zr和Ce在第二次合金化处理时加入，再浇注到锭模，冷却后得到母合金锭。然后将母合金锭放入真空感应炉进行快速重熔，浇注到型壳内，最终破真空取出铸型，得到4#试件。
实施例5
一种轧钢加热炉用耐热垫块，根据本发明设计的耐热垫块用高温合金的化学成分，它包括如下重量百分比成分：C 0.30%，Si 1.5%，Mn 1.5%，Cr 31%，Ni 18%，W 3.5%，Mo 2%，Nb1.5%，Ce 0.2%，Zr 0.1%，Fe 10%，其余为Co和不可避免的杂质。将上述配比的合金材料采用真空感应炉熔炼母合金，其中Zr和Ce在第二次合金化处理时加入，再浇注到锭模，冷却后得到母合金锭。然后将母合金锭放入真空感应炉进行快速重熔，浇注到型壳内，最终破真空取出铸型，得到5#试件。
比较例1
一种采用UMCo-50合金制成的耐热垫块，将UMCo-50合金按成分配比采用真空感应炉熔炼后浇注到锭模，冷却后得到母合金锭，然后将母合金锭放入真空感应炉进行快速重熔，浇注到型壳内，最终破真空取出铸型，制得与1#试件同尺寸的6#试件五件。
比较例2
一种轧钢加热炉用耐热垫块，它的合金包括如下重量百分比的化学成分：C 0.30%，Si1.5%，Mn 1.5%，Cr 31%，Ni 18%，W 3.5%，Mo 2%，Nb 1.5%，Ce 0.2%，Fe 10%，其余为Co和不可避免的杂质。将上述配比的合金材料采用真空感应炉熔炼母合金，其中Ce在第二次合金化处理时加入，再浇注到锭模，冷却后得到母合金锭。然后将母合金锭放入真空感应炉进行快速重熔，浇注到型壳内，最终破真空取出铸型，得到与1#试件同尺寸的7#试件五件。7#试件的合金中不含Zr。
将上述1#～7#试件在高温压缩试验机上进行高温压缩试验，并分别在轧钢加热炉中进行实际试用的对比试验。
在高温拉伸对比试验中，在各实施例和比较例的耐热垫块的相同部位分别取样并用电火花线切割加工成规格为Ø12.7mm×38mm的试样，然后按美国ASTM标准E209-00《金属材料在常规或快速升温速率及应变率下的压缩试验规范》分别匀速加热至1100℃和1200℃（1000℃以下升温速率不超过3℃/min，1000℃以上升温速率不超过5℃/min），测定各试件的变形量达10%时的压缩应力，最后取平均值作为试验结果，具体数据见表1。
表1 高温压缩试验表
在实际试用对比试验中，将上述实施例中制得的各耐热垫块试件与比较例1、比较例2中制得的耐热垫块试件分别沿炉长方向交替依次布置在同一轧钢加热炉的均热段汽化水冷梁上，并控制该区段炉温在1320±10℃，使用一年后，每隔6个月测量耐热垫块的平均磨损量，具体数据见表2。
表2 实际试用结果表
从表1和表2的数据可以明显得出：采用本发明制造的耐热垫块较目前广泛使用的UMCo-50合金制成的耐热垫块相比，具有更好的抗高温压缩性能和耐磨损性能，高温力学性能更好，具有较长的使用寿命；采用本发明的各合金材料制造的耐热垫块较不加Zr制造的耐热垫块，抗高温压缩性能和耐磨损性能更好，Zr的加入使得本发明的合金制成的耐热垫块高温力学性能更好，使用寿命更长。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种耐热垫块用高温合金，其特征在于，该合金包括如下重量百分比的化学成分：
C 0.05%～0.30%，Si 0.5%～1.5%，Mn 0.5%～1.5%，Cr 26%～31%，Ni 13%～18%，W 1.5%～3.5%，Mo 1%～2%，Nb 0.5%～1.5%，Ce 0.02%～0.2%，Zr 0.02%～0.1%，Fe 0.01%～10%，其余为Co和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种耐热垫块用高温合金，其特征在于，该合金包括如下重量百分比的化学成分：
C 0.11%～0.15%，Si 0.8%～1.1%，Mn 0.5%～0.8%，Cr 27.5%～29%，Ni 13.5%～17%，W1.8%～2.3%，Mo 1.1%～1.6%，Nb 0.6%～1.1%，Ce 0.07%～0.12%，Zr 0.05%～0.1%，Fe0.01%～5%，其余为Co和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的一种耐热垫块用高温合金，其特征在于，该合金包括如下重量百分比的化学成分：
C 0.12%，Si 0.9%，Mn 0.6%，Cr 28.5%，Ni 14.5%，W 1.9%，Mo 1.3%，Nb 0.8%，Ce0.08%，Zr 0.06%，Fe 4%，其余为Co和不可避免的杂质。
4.一种轧钢加热炉用耐热垫块，其特征在于，所述垫块采用权利要求1-3任意一项所述的耐热垫块用高温合金制成。
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|---|---|---|---|---|
| CN118028660A (zh) * | 2024-04-11 | 2024-05-14 | 四川航大新材料有限公司 | 一种抗氧化耐腐蚀钴基高温合金及其制备方法和应用 |
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2017
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