CN102086497B

CN102086497B - 一种高Cr高Ni抗氧化耐热钢模壳的制备方法

Info

Publication number: CN102086497B
Application number: CN 200910220419
Authority: CN
Inventors: 石振勇; 石振杰; 石国义
Original assignee: SHENYANG XINHUO CASTING CO Ltd
Current assignee: SHENYANG XINHUO CASTING CO Ltd
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2029-12-04
Also published as: CN102086497A

Abstract

一种高Cr高Ni抗氧化耐热钢模壳的制备方法，其特点是：(1)确定合金成分：在奥氏体不锈钢基础上加入Si、Cr、Ni、Nb，使用温度超过1000℃，显微组织为奥氏体，含有少量的铁素体组织，具有优良抗氧化性能；(2)模壳制备：采用无余量精密铸造一次成型技术，确定其型壳制备工艺；(3)合金高纯度冶炼：炉内加料后升温使炉料熔化，待钢水化清，扒渣、取样化验，根据化验结果补加合金料，升温在1650℃时开始浇注出产品。本发明通过调整合金化学成分，在提高其高温强度的同时明显改善高温抗氧化性能，并采用高质量型壳制备工艺技术制备型壳，还采用高纯度冶炼技术，严格控制微量杂质元素S、P，提高铸件制造的合格率。

Description

一种高Cr高Ni抗氧化耐热钢模壳的制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐热钢部件的制备方法，特别是涉及一种高Cr高Ni抗氧化耐热钢模壳的制备方法，属于国际专利分类表中的C22C38/00(2006.01)I技术领域。

背景技术

国内有关耐热钢的研究起步较晚，但发展迅速，在过去50年里，共开发了热强钢26个牌号、阀门钢14个牌号和抗氧化钢27个牌号。但国内耐热钢普通存在的不足为使用寿命短，主要由于合金在约400～850℃保温或缓慢冷却时，在晶界上析出Cr₂₃C₆，使其周围基体形成贫Cr区，极易发生严重的晶间腐蚀，并随钢中含C量的增加，晶界腐蚀的倾向越大。最为严重的是该耐热钢焊接及热影响区(550～800℃)晶界腐蚀尤为严重，甚至导致晶粒剥落，钢件脆断，从而缩短合金的使用寿命。同时由于Cr-Ni系材料本身缺陷，国内厂家均没有从根本上彻底解决了合金使用过程中开裂、变形等问题。其次，国内一些厂家在耐高温精密铸件生产过程中，由于铸造工艺(如渣系成份调整和控制、浇注温度、浇注速度、模壳的制造、浇注时模壳的预热温度、冒口的位置及数量设置等)、冶炼工艺等方面的限制，很难从冶炼工艺上保证合金微观组织结构，导致其高温性能和抗变形能力得不到明显改善。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述技术问题，通过无余量精密铸造和高纯度冶炼技术，提供一种耐热钢部件--高Cr高Ni抗氧化耐热钢模壳的制备方法。本发明通过适当调整合金的化学成分，在提高其高温强度的同时，明显改善高温抗氧化性能；并采用高质量型壳制备工艺技术制备型壳，以提高型壳高温强度；还采用高纯度冶炼技术，严格控制微量杂质元素S、P，有效预防在铸件的制备过程中的二次污染，提高铸件制造的合格率，增加生产效率，降低制造成本，在生产高质量铸件的前提下，提高产品的市场竞争力。

本发明给出的技术方案是：这种高Cr高Ni抗氧化耐热钢模壳的制备方法，其特点是有以下步骤组成：

(1)确定合金成分：

确定的合金成分是在奥氏体不锈钢基础上加入Si、Cr、Ni、Nb而形成的，使用温度超过~1000℃，显微组织为奥氏体，含有少量的铁素体组织，同时具有优良的抗氧化性能，其组成及添加范围(质量％)是：

C 0.2～0.4，Si 0～1.5，Mn 1.5～2.0，Ni 11.0～14.0，

Cr 24.0～28.0，Nb 0.8～1.2，P＜0.04，S＜0.04，

余量为Fe及不可避免的杂质；

(2)模壳制备：

高质量的型壳是无余量精密铸造一次成型技术的关键技术和关键工艺，为了保证合金的重量、表面光洁度、尺寸等方面的要求，确定其型壳制备工艺的技术指标如下：

第一道工序：首道浆，浆料粘度标准流杯30～60秒，撒砂种类及粒度：锆砂80～100目，干燥温度22～26℃，干燥时的相对湿度≤70％，干燥时间≥4；

第二道工序：次道浆，浆料粘度标准流杯10～20秒，撒砂种类及粒度：煤矸石砂30～60目，干燥温度22～26℃，干燥时的相对湿度≤70％，干燥时间≥6；

第三道工序：次道浆，浆料粘度标准流杯15～25秒，撒砂种类及粒度：煤矸石砂16～30目，干燥温度22～28℃，干燥时的相对湿度≤65％，干燥时间≥8；

第四道工序：次道浆，浆料粘度标准流杯15～25秒，撒砂种类及粒度：煤矸石砂16～30目，干燥温度22～28℃，干燥时的相对湿度≤65％，干燥时间≥11；

第五道工序：次道浆，浆料粘度标准流杯15～25秒，撒砂种类及粒度：煤矸石砂16～30目，干燥温度22～28℃，干燥时的相对湿度≤65％，干燥时间≥12；

第六道工序：次道浆，浆料粘度标准流杯20～30秒，撒砂种类及粒度：煤矸石砂16～30目，干燥温度22～28℃，干燥时的相对湿度≤65％，干燥时间≥14；

其中关键涂料的配比如下：

表面层涂料的配比比例为硅溶胶∶锆英粉＝1∶3.8～4)；

润温剂、消泡剂的加入量为硅溶胶体积的0.1～0.3％；

加固层涂料的配比为硅溶胶∶煤矸石粉＝1∶(1.6～1.8)(wt％)；

末层加固层涂料配比为硅溶胶∶煤矸石粉＝1∶(1.6～1.8)(wt％)；

(3)合金高纯度冶炼：

在加料后送电10分钟左右时，用电功率达到80KW，继续升温到20分钟时功率达到120KW以上，炉料开始溶化，升温到30分钟后，功率达到150KW时钢水化清，开始扒渣、取样化验，根据化验结果补加合金料，升温到48分钟后，开始测温，温度在1650℃时开始浇注。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：具有优良的高温性能、抗高温氧化性能、抗冷、热疲劳性能，且结构简洁、重量轻，几何尺寸稳定并准确、承载量大而不变形，反复使用寿命长等特点。

具体实施方式

实施例

(1)化学成分设计

化学成分设计上，大幅度调整Cr、Ni、Nb和稀土元素含量，改善合金的高温性能和抗氧化性能，从根本上解决国内其他厂家合金寿命短、易变形的不足。

在合金成分设计过程中，重点研究了Cr、Ni和Nb对合金组织结构的影响，热力学计算结果表明，适当增加合金中Cr、Nb等强碳化物形成元素含量，能显著增加高温 -Cr的高温稳定性，进而提高合金的抗氧化性能和热强性。

该合金的成分特点是在奥氏体不锈钢基础上加入Si、Cr、Ni、Nb而形成的，使用温度超过~1000℃，显微组织为奥氏体，含有少量的铁素体组织，同时具有优良的抗氧化性能。

该耐热钢长期工作时，会发生合金元素的重新分配现象，即碳化物形成元素Cr、Mo向碳化物内扩散、富集，而造成固溶体合金元素贫化，导致热强性下降。生产中经常采用加入强碳物形成元素Nb等从而阻止合金元素扩散聚集的再分队提高钢的热强性。故该钢种使用温度可达1050℃，并具有面心立方晶格结构，原子排列比较紧密。固溶原子的扩散速度缓慢。高温强度较高，具有良好的塑性、韧性、可焊性和冷成型等优点。该钢种通常采用复杂合金化，加入大量的Ni，Cr等合金元素，通过固溶强化，时效沉淀强化和晶界强化，使其获得足够的高温强度和其它综合性能。

在热力学计算和实验基础上优化设计出满足各类使用要求的最佳成分，结果见表1，最佳成分见分析测试报告。

表1合金设计化学成分和最佳化学成分(wt％)

化学元素

C

Si

Mn

Ni

Cr

Nb

P

S

化学成分

0.2～0.4

0～1.5

1.5～2.0

11.0~14.0

24.0～28.0

0.8～1.2

＜0.04

最佳成分

0.3

1.2

1.6

12.0

24.5

10.0

-

(2)模壳制备

高质量的型壳是无余量精密铸造一次成型技术的关键技术和关键工艺。为了保证合金的重量、表面光洁度、尺寸等方面的苛刻要求，在大量实践经验基础上，确定其型壳制备工艺技术指标为：

表2型壳制备工艺流程技术指标

其中关键涂料的配比如下：

表面层涂料的配比比例为硅溶胶∶锆英粉＝1∶3.8～4)

润温剂、消泡剂的加入量为硅溶胶体积的0.1～0.3％

加固层涂料的配比为硅溶胶∶煤矸石粉＝1∶(1.6～1.8)(wt％)

末层加固层涂料配比为硅溶胶∶煤矸石粉＝1∶(1.6～1.8)(wt％)

(3)合金高纯度冶炼技术

冶炼高质量的钢是制备高性能合金的前提。耐热钢钢中微量的杂质直接影响合金的成型工艺，特别是工程化需要合金成批生产的情况下，降低钢液中S、P等杂质元素，稳定地控制钢液中Cr、Ni、Nb、Si、Mn等元素的含量是冶炼过程中的技术关键和工艺难点，在大量试验基础上，确定了如下冶炼工艺：在加料后送电10分钟左右时，用电功率达到80KW，继续升温到20分钟时功率达到120KW以上，炉料开始溶化，升温到30分钟后，功率达到150KW时钢水化清，开始扒渣、取样化验，根据化验结果补加合金料，升温到48分钟后，开始测温，温度在1650℃时开始浇注。其中冶炼过程中各金元素烧损率见表3。

表3合金冶炼过程中各合金元素烧损率

元素

C

Si

Mn

Cr

Ti

Al

V

烧损率(％)(碱性炉)

5～10

30～40

20～30

5～10

40～60

30～50

50

本发明的高Cr高Ni抗氧化耐热钢模壳具有足够的耐高温强度，抗高温氧化性能，耐腐蚀性能，抗冷、热抗疲劳性能。产品能够承受1050℃以下，长期反复加热使用而不变形。其技术指标为：温度指标/℃～1150，使用寿命/h24480，变形量/mm/m 0.4。

Claims

1.一种高Cr高Ni抗氧化耐热钢模壳的制备方法，其特点是有以下步骤组成：

(1)确定合金成分：

确定的合金成分是在奥氏体不锈钢基础上加入Si、Cr、Ni、Nb而形成的，使用温度超过1000℃，显微组织为奥氏体，含有少量的铁素体组织，同时具有优良的抗氧化性能，其组成及添加范围以质量％计是：

C 0.2～0.4，Si 0～1.5，Mn 1.5～2.0，Ni 11.0～14.0，

Cr 24.0～28.0，Nb 0.8～1.2，P＜0.04，S＜0.04，

余量为Fe及不可避免的杂质；

(2)模壳制备：

高质量的型壳是无余量精密铸造一次成型技术的关键技术和关键工艺，为了保证合金的重量、表面光洁度、尺寸方面的要求，确定其型壳制备工艺的技术指标如下：

第一道工序：首道浆，浆料粘度标准流杯30～60秒，撒砂种类及粒度：锆砂80～100目，干燥温度22～26℃，干燥时的相对湿度≤70％，干燥时间≥4小时；

第二道工序：次道浆，浆料粘度标准流杯10～20秒，撒砂种类及粒度：煤矸石砂30～60目，干燥温度22～26℃，干燥时的相对湿度≤70％，干燥时间≥6小时；

第三道工序：次道浆，浆料粘度标准流杯15～25秒，撒砂种类及粒度：煤矸石砂16～30目，干燥温度22～28℃，干燥时的相对湿度≤65％，干燥时间≥8小时；

第四道工序：次道浆，浆料粘度标准流杯15～25秒，撒砂种类及粒度：煤矸石砂16～30目，干燥温度22～28℃，干燥时的相对湿度≤65％，干燥时间≥11小时；

第五道工序：次道浆，浆料粘度标准流杯15～25秒，撒砂种类及粒度：煤矸石砂16～30目，干燥温度22～28℃，干燥时的相对湿度≤65％，干燥时间≥12小时；

第六道工序：次道浆，浆料粘度标准流杯20～30秒，撒砂种类及粒度：煤矸石砂16～30目，干燥温度22～28℃，干燥时的相对湿度≤65％，干燥时间≥14小时；

其中关键涂料的配比如下：

表面层涂料的配比比例为硅溶胶∶锆英粉＝1∶(3.8～4)，配比为重量比；

润温剂、消泡剂的加入量为硅溶胶体积的0.1～0.3％；

加固层涂料的配比为硅溶胶∶煤矸石粉＝1∶(1.6～1.8)，配比为重量比；

末层加固层涂料配比为硅溶胶∶煤矸石粉＝1∶(1.6～1.8)，配比为重量比；

(3)合金高纯度冶炼：

在加料后送电10分钟时，用电功率达到80KW，继续升温到20分钟时功率达到120KW以上，炉料开始溶化，升温到30分钟后，功率达到150KW时钢水化清，开始扒渣、取样化验，根据化验结果补加合金料，升温到48分钟后，开始测温，温度在1650℃时开始浇注出合格的高Cr高Ni抗氧化耐热钢模壳产品。