CN103668002B - 一种新型的铁素体耐热铸钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的铁素体耐热铸钢，它由以下元素按重量百分比（wt%）组成：C：0.15-0.55%，Si：0.3-1.5%，Mn：0.5-2.0%，P：≤0.05%，S：0.05-0.15%，Cr：12-18%，Ni：0-1.8%，N：0.01-0.1%，Re:0.1-1.0%，Mo：0-2%，Nb：0-4%，Fe余量。本发明铁素体耐热铸钢其常温抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥400MPa，伸长率≥1%，由该材料浇注的零部件的耐高温温度达到850℃以上。本发明铁素体耐热铸钢可以替代铬镍奥氏体耐热铸钢，具有高性能低成本特点，适合制作涡轮排气歧管、锅炉、热阀体等零部件。
Description
技术领域
本发明属于合金钢领域，尤其涉及一种新型铁素体耐热铸钢及其生产方法，此耐热铸钢在850℃以上具有较好的高温抗氧化、高温抗疲劳性及抗裂纹性的，这种材料尤其适合制造汽车发动机涡轮排气歧管、锅炉、热阀体等零部件，具有显著的高性能、成本低的特点，具有广阔的应用前景。
背景技术
耐热铸钢中耐热性能较好的主要有奥氏体耐热铸钢和铁素体耐热铸钢：奥氏体耐热铸钢耐热性能较好，主要是通过加入较多的铬、镍等贵金属来提高耐热性能，因此生产成本较高，而铁素体耐热铸钢在贵金属镍方面加入量较少，生产成本大大降低，但是其耐热性能较差。而随着全球对节能减排要求的日益苛刻，耐热铸件的质量要求越来越高，同时生产成本也在增加。因此，为了提高产品竞争力和企业经济效益，同时满足客户对耐热铸钢的质量要求，迫切需要开发一种新型的高性能低成本的耐热铸钢材料。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种新型的铁素体耐热铸钢及其生产方法，由该材料浇注的铸件具有较好的高温抗氧化性、高温热疲劳性及高温抗裂纹性等特点，同时具有低成本、铸造性好等优点。
本发明一种新型的铁素体耐热铸钢，它由以下元素按重量百分比（wt%）组成：C：0.15-0.55%，Si：0.3-1.5%，Mn：0.5-2.0%，P：≤0.05%，S：0.05-0.15%，Cr：12-18%，Ni：0-1.8%，N：0.01-0.1%，Re: 0.1-1.0%，Mo：0-2%，Nb：0-4%，Fe余量。
本发明铁素体耐热铸钢的生产方法为：（1）配料：按铁素体耐热铸钢的化学成分，称取所需重量的废钢、增碳剂、铬铁、镍板、氮化铬铁、稀土合金、钼铁、铌铁、硫铁、锰铁、硅铁等炉料；（2）熔炼：中频感应电炉冷炉启动前，先装入废钢、增碳剂、铬铁、钼铁等炉料、待钢水熔化后扒渣加入镍板、铌铁，当钢液温度达到1500℃时加入氮化铬铁、硫铁、稀土合金，快速升温至1600℃以上时，快速炉前金相后加入硅铁、锰铁、硅钙进行脱氧，当钢水温度达到1660℃时迅速出钢；（3）出钢、浇注：出钢前浇包包衬要烘烤透彻，浇包内加入少许铝块进行终脱氧；钢水出完后迅速扒渣并在浇注过程中挡渣；浇注结束后，待铸型冷却后，开箱即获得铁素体耐热铸钢。
本发明铁素体耐热铸钢采用中频感应电炉熔炼获得，通过合理的熔炼工艺生产得到。本发明铁素体耐热铸钢优化了传统铁素体耐热铸钢的化学成分，通过少加铬、少加镍或不加镍合金，采用微量的氮、稀土、铌、钼等元素取代，提高铁素体耐热铸钢的高温性能，从而获得一种新型的铁素体耐热铸钢新材料，其常温抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥400MPa，伸长率≥1%，由该材料浇注的零部件的耐高温温度达到850℃以上。本发明铁素体耐热铸钢可以替代铬镍奥氏体耐热铸钢，具有高性能低成本特点，适合制作涡轮排气歧管、锅炉、热阀体等零部件。
附图说明
图1为本发明实施例1的金相组织图；
图2为本发明实施例2的金相组织图；
图3为本发明实施例3的金相组织图；
图4为本发明实施例4的金相组织图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体内容做进一步详细的说明。
本发明一种新型的铁素体耐热铸钢，它由以下元素按重量百分比（wt%）组成：C：0.15-0.55%，Si：0.3-1.5%，Mn：0.5-2.0%，P：≤0.05%，S：0.05-0.15%，Cr：12-18%，Ni：0-1.8%，N：0.01-0.1%，Re: 0.1-1.0%，Mo：0-2%，Nb：0-4%，余量为Fe。
本发明铁素体耐热铸钢的生产方法为：（1）配料：按铁素体耐热铸钢的化学成分，称取所需重量的废钢、增碳剂、铬铁、镍板、氮化铬铁、稀土合金、钼铁、铌铁、硫铁、锰铁、硅铁、硅钙等炉料；（2）熔炼：中频感应电炉冷炉启动前，先装入废钢、增碳剂、铬铁、钼铁等炉料、待钢水熔化后扒渣加入镍板、铌铁，当钢液温度达到1500℃时加入氮化铬铁、硫铁、稀土合金，快速升温至1600℃以上时，快速炉前金相后加入硅铁、锰铁、硅钙进行脱氧，当钢水温度达到1660℃时迅速出钢；（3）出钢、浇注：出钢前浇包包衬要烘烤透彻，浇包内加入少许铝块进行终脱氧；钢水出完后迅速扒渣并在浇注过程中挡渣；浇注结束后，待铸型冷却后，开箱即获得铁素体耐热铸钢。
其中，硅钙、硅铁、锰铁和铝为脱氧剂，其中硅钙合金的成分：硅60-75%，钙2-4%，钡3-6%，铝小于1%，余为铁；硅铁合金成分：硅71-75%，钙0.8-1.5%，铝0.7-1.2%，余为铁；锰铁合金成分：锰72-78%，碳1.5-2.5%，余为铁，或锰铁为金属锰，锰含量＞99%；铝为纯铝。
稀土合金为普通稀土硅铁，成分：稀土15-30%，钙1-4%，钡2-5%，硅30-60%，余量为铁。
废钢选用普通的废钢板，其中：C：0.8-0.15%，Si：0.15-0.25%，Mn：0.2-0.6%，P＜O.01%，S＜O.01%。
实施例1：在中频感应电炉熔炼，（1）配料：按新型铁素体耐热铸钢的化学成分，称取所需重量的68.14%废钢、增碳剂0.06%、27.9%铬铁、0.2%镍板、0.3%氮化铬铁、0.9%稀土合金、0.9%钼铁、0.3%铌铁、0.4%硫铁、0.6%硅铁、0.3%锰铁等炉料。（2）熔炼：中频感应电炉冷炉启动前，先装入废钢、增碳剂、铬铁、钼铁等炉料、待钢水熔化后扒渣加入镍板、铌铁，当钢液温度达到1500℃时加入氮化铬铁、硫铁、稀土合金，快速升温至1600℃以上时，快速炉前金相后加入硅铁、锰铁、硅钙进行脱氧，当钢水温度达到1660℃时迅速出钢。（3）出钢、浇注：出钢前浇包包衬要烘烤透切，浇包内加入少许铝块进行终脱氧。钢水出完后迅速扒渣并在浇注过程中挡渣。浇注结束后，待铸型冷却后、开箱即获得得新型铁素体耐热铸钢，其化学成分、力学性能、金相组织分别见表1、表2、图1。
实施例2：在中频感应电炉熔炼，（1）配料：按新型铁素体耐热铸钢的化学成分，称取所需重量的66.82%废钢、增碳剂0.18%、29.6%铬铁、0.5%镍板、0.3%氮化铬铁、0.64%稀土合金、0.4%钼铁，0.26%铌铁、0.4%硫铁、0.6%硅铁、0.3%锰铁等炉料。（2）熔炼：中频感应电炉冷炉启动前，先装入废钢、增碳剂、铬铁、钼铁等炉料、待钢水熔化后扒渣加入镍板、铌铁，当钢液温度达到1500℃时加入氮化铬铁、硫铁、稀土合金，快速升温至1600℃以上时，快速炉前金相后加入硅铁、锰铁、硅钙进行脱氧，当钢水温度达到1660℃时迅速出钢。（3）出钢、浇注：出钢前浇包包衬要烘烤透切，浇包内加入少许铝块进行终脱氧。钢水出完后迅速扒渣并在浇注过程中挡渣。浇注结束后，待铸型冷却后、开箱即获得得新型铁素体耐热铸钢，其化学成分、力学性能、金相组织分别见表1、表2、图2。
实施例3：在中频感应电炉熔炼，（1）配料：按新型铁素体耐热铸钢的化学成分，称取所需重量的64.12%废钢、增碳剂0.08%、31.1%铬铁、1.9%镍板、0.3%氮化铬铁、0.64%稀土合金、0.3%钼铁、0.26%铌铁、0.4%硫铁、0.6%硅铁、0.3%锰铁等炉料。（2）熔炼：中频感应电炉冷炉启动前，先装入废钢、增碳剂、铬铁、钼铁等炉料、待钢水熔化后扒渣加入镍板、铌铁，当钢液温度达到1500℃时加入氮化铬铁、硫铁、稀土合金，快速升温至1600℃以上时，快速炉前金相后加入硅铁、锰铁、硅钙进行脱氧，当钢水温度达到1660℃时迅速出钢。（3）出钢、浇注：出钢前浇包包衬要烘烤透切，浇包内加入少许铝块进行终脱氧。钢水出完后迅速扒渣并在浇注过程中挡渣。浇注结束后，待铸型冷却后、开箱即获得得新型铁素体耐热铸钢，其化学成分、力学性能、金相组织分别见表1、表2、图3。
实施例4：在中频感应电炉熔炼，（1）配料：按新型铁素体耐热铸钢的化学成分，称取所需重量的62.23%废钢、增碳剂0.42%、33.6%铬铁、1.1%镍板、0.3%氮化铬铁、0.64%稀土合金、0.15%钼铁、0.26%铌铁、0.4%硫铁、0.6%硅铁、0.3%锰铁等炉料。（2）熔炼：中频感应电炉冷炉启动前，先装入废钢、增碳剂、铬铁、钼铁等炉料、待钢水熔化后扒渣加入镍板、铌铁，当钢液温度达到1500℃时加入氮化铬铁、硫铁、稀土合金，快速升温至1600℃以上时，快速炉前金相后加入硅铁、锰铁、硅钙进行脱氧，当钢水温度达到1660℃时迅速出钢。（3）出钢、浇注：出钢前浇包包衬要烘烤透切，浇包内加入少许铝块进行终脱氧。钢水出完后迅速扒渣并在浇注过程中挡渣。浇注结束后，待铸型冷却后、开箱即获得得新型铁素体耐热铸钢，其化学成分、力学性能、金相组织分别见表1、表2、图4。
在本发明铁素体耐热铸钢中，所用稀土为稀土硅铁合金，其中铈/镧≥4，铈的含量＞20%，该稀土硅铁同时含有少量的钙、钡元素，与稀土合用，具有以下作用：稀土可净化钢液，使钢水中的氧含量大大降低，同时改善氧化皮的结构，使氧化皮变得致密，在冷热循环的使用环境里，氧化皮不易脱落，从而大大提高了钢的高温抗疲劳性和高温抗氧化性；铌添加在钢液中，能形成稳定的铌碳化物，细化晶粒，大大增加高温强度；钼添加在钢液中，能细化晶粒，降低碳化物在晶界形成连续网状的倾向，降低低温脆性；氮添加在钢液中，虽是强奥氏体化元素，但少量的氮能细化晶粒，提高高温强度，降低热脆倾向；稀土、铌、钼、氮的组合可以有效的发挥各元素的作用，净化钢液、细化晶粒、提高高温耐氧化性、高温强度、冷热疲劳性及降低脆性。本发明铁素体耐热铸钢能在850℃以上的高温环境里下使用，具有较好的高温抗氧化性、高温抗疲劳性能以及抗裂纹性能，可以替代铬镍奥氏体耐热铸钢，具有高性能低成本特点，适合制造涡轮排气歧管、锅炉、热阀体等零部件。
表1 新型铁素体耐热铸钢的化学成分
表2新型铁素体耐热铸钢的力学性能
Claims (4)
1. 一种铁素体耐热铸钢的生产方法为：
（1）配料：按铁素体耐热铸钢的化学成分：C：0.15-0.55%，Si：0.3-1.5%，Mn：0.5-2.0%，P：≤0.05%，S：0.05-0.15%，Cr：12-18%，Ni：0-1.8%，N：0.01-0.1%，Re: 0.1-1.0%，Mo：0-2%，Nb：0-4%，余量为Fe（上述为重量百分比wt%）；称取所需重量的废钢、增碳剂、铬铁、镍板、氮化铬铁、稀土合金、钼铁、铌铁、硫铁、锰铁、硅铁炉料；
（2）熔炼：中频感应电炉冷炉启动前，先装入废钢、增碳剂、铬铁、钼铁炉料，待钢水熔化后扒渣加入镍板、铌铁，当钢液温度达到1500℃时加入氮化铬铁、硫铁、稀土合金，快速升温至1600℃以上时，快速炉前金相后加入硅铁、锰铁、硅钙进行脱氧，当钢水温度达到1660℃时迅速出钢；
（3）出钢、浇注：出钢前浇包包衬要烘烤透彻，浇包内加入少许铝块进行终脱氧；钢水出完后迅速扒渣并在浇注过程中挡渣；浇注结束后，待铸型冷却后，开箱即获得铁素体耐热铸钢。
2. 根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于：所述的硅钙、硅铁、锰铁和铝为脱氧剂，其中硅钙合金的成分：硅60-75%，钙2-4%，钡3-6%，铝小于1%，余为铁；硅铁合金成分：硅71-75%，钙0.8-1.5%，铝0.7-1.2%，余为铁；锰铁合金成分：锰72-78%，碳1.5-2.5%，余为铁，或锰铁为金属锰，锰含量＞99%；铝为纯铝。
3.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于：所述的稀土合金为普通稀土硅铁，成分：稀土15-30%，钙1-4%，钡2-5%，硅30-60%，余量为铁。
4.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于：所述的废钢选用普通的废钢板，其中：C：0.8-0.15%，Si：0.15-0.25%，Mn：0.2-0.6%，P＜0.01%，S＜0.01%。
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