專利名稱：原位TiC彌散強化奧氏體耐熱鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的原位合成TiC彌散強化奧氏體耐熱鋼材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)在冶金、航天、石油和化工等行業(yè)中，許多在高溫下工作的設(shè)備和零部件都需要好的耐熱性能，如火電廠的蒸汽鍋爐、蒸汽渦輪，航空工業(yè)的噴氣發(fā)動機等。這些在高溫下服役的材料，需要承受各種載荷，如拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、疲勞和沖擊等，這就需要它們具有一定的高溫強度及與之適應(yīng)的塑性。此外，它們還與高溫蒸氣、空氣或燃氣相接觸， 這就需要它們具有足夠高的化學(xué)穩(wěn)定性。奧氏體耐熱具有良好韌性和塑性、耐高溫性能和機加工性能，在實際工業(yè)中已得到廣泛的應(yīng)用。但與其他耐熱鋼相比，奧氏體耐熱鋼不但強度低，耐磨性差且不能通過熱處理來提高其強度，從而限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。目前常用的TiC彌散強化鋼的制備工藝通常采用原位熔鑄法。原位熔鑄法根據(jù)熱力學(xué)原理借助于傳統(tǒng)的鑄造工藝，通過向熔體中添加含有Ti和C組分的預(yù)制塊，通過原位反應(yīng)生成TiC顆粒增強相。原位合成的TiC增強顆粒具有熱力學(xué)穩(wěn)定、尺寸細小、分布均勻且與基體界面潔凈和結(jié)合良好等特點。原位熔鑄法制備TiC顆粒彌散強化鋼具有制備工藝相對簡單、制造成本低，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和實際應(yīng)用等特點，因而極具發(fā)展?jié)摿Σ⒌玫綇V泛應(yīng)用。但是由于TiC密度和鋼鐵熔體的密度差別較大(TiC為4. 93g · cm-3,鋼為7. 8g · cm_3)，這會引起TiC顆粒的上浮和團聚，導(dǎo)致 TiC顆粒在基體中的分布不均。另外，TiC顆粒含量的增加會使熔體粘度的增加而降低熔體的流動性，最終導(dǎo)致鑄錠中易出現(xiàn)疏松，氣孔等冶金問題，這些鑄造缺陷在一定程度上制約了 TiC彌散強化鋼的發(fā)展與應(yīng)用。電渣重熔是一種二次精煉技術(shù)，集鋼水二次精煉與定向凝固相結(jié)合的綜合冶金鑄造過程。由于高溫渣液的去除夾雜作用和水冷結(jié)晶器的良好的結(jié)晶條件，電渣重熔所制備的鋼錠具有良好的純凈度，鑄態(tài)組織細致均勻，非金屬夾雜物細小彌散等優(yōu)良性能。因此，電渣重熔在優(yōu)質(zhì)合金鋼、模具鋼、高速鋼、耐熱鋼和高溫合金等鋼種上已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種原位合成顆粒細小、分布均勻TiC彌散強化奧氏體耐熱鋼材料及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種TiC顆粒彌散強化奧氏體耐熱鋼，成分質(zhì)量百分數(shù)為=Cr 18. 0 25. 0%,Ni :8· 0 30. 0%,C 0. 05 3. 0%,Ti :1· 0 12. 0%，F(xiàn)e 余量。 本發(fā)明所述奧氏體耐熱鋼可以進一步包括，Mo、Al、Nb和V，且各組份的質(zhì)量百分比為Cr 18. 0 25. 0%，Ni :8· 0 30. 0%，C :0· 05 3. 0%，Ti :1· 0 12. 0%，Mo :< 3. 0%，Al < 1. 0%, Nb < 1. 0%, V < 1. 0%, Fe 余量。一種制備上述TiC顆粒彌散強化奧氏體耐熱鋼的方法，制備步驟為，制備含鈦和碳的預(yù)制塊，這種預(yù)制塊由100 200目之間的鐵粉、鈦粉和碳粉混合壓實而成；在中頻感應(yīng)電爐加入Cr、Ni、C、Fe等合金爐料，待上述爐料完全熔化后，加熱至1550-1700°C，將所需預(yù)制塊加入爐中，待預(yù)制塊反應(yīng)、熔化完成后，靜置保溫5min，將爐中的金屬液澆注入預(yù)先做好的砂模中獲得用于電渣重熔處理的自耗電極，然后在電渣爐中進行電渣重熔處理，電渣重熔工藝為采用(25% 30% )Α1203+(55% 65% )CaF2+(20% 5% )1102渣系，設(shè)定填充比=0. 4 0. 6設(shè)定電壓20-30伏，設(shè)定電流5000-6500安培；最終得到的電渣錠用熱形變方法加工成型材，加工的溫度為950-1150°C。本項發(fā)明采用原位熔鑄法和電渣重熔相結(jié)合的新工藝制備了一種性能好、成本低、強度高、耐熱性能好的奧氏體耐熱鋼材料。這種含TiC奧氏體耐熱鋼的力學(xué)材料性能、 高溫抗氧化性能和蠕變性能均優(yōu)于基體耐熱鋼，這種含TiC耐熱鋼可用于冶金、機械、汽車和石油化工等工業(yè)產(chǎn)品和設(shè)備上的需要在高溫下服役的零部件。有益效果本發(fā)明具有下列性能特點1.材料合金成分準確，鋼錠質(zhì)量好、致密度好、純度高、無疏松等鑄造缺陷，后繼熱加工成材率高；2.原位TiC顆粒分布均勻，顆粒細小，與基體結(jié)合力強；3.性能的可調(diào)性，即可以根據(jù)使用要求，改變基體，形成不同性能(強度、硬度、塑性及耐熱性能)的材料；5.力學(xué)強度高、耐磨損，抗氧化和抗蠕變，綜合性能優(yōu)于基體耐熱鋼。本發(fā)明可用于冶金、機械、汽車和石油化工等工業(yè)產(chǎn)品和設(shè)備上的需要在高溫下服役的零部件。


圖1本發(fā)明所制備的TiC強化鋼金相組織。圖2為本發(fā)明電渣前的TiC彌散強化奧氏體耐熱鋼中TiC顆粒分布和形貌。圖3為本發(fā)明所制備的TiC強化鋼中TiC顆粒分布和形貌圖。圖4為本發(fā)明所制備的TiC強化鋼與基體耐熱鋼抗氧化性能對比圖。圖5為本發(fā)明所制備的TiC強化鋼與基體耐熱鋼抗蠕變性能對比圖。
具體實施例方式表為了說明本項發(fā)明的材料的性能特點，下面的各表中列出了一些材料的力學(xué)性能，耐磨損，抗氧化和抗蠕變性能表1中列出了兩種合金的成分，第一個合金是一種典型的奧氏體耐熱合金，第二個合金則是通過本發(fā)明制備的TiC彌散強化奧氏體耐熱鋼，其含量都在本項發(fā)明規(guī)定的成分范圍之內(nèi)。表1兩種合金的化學(xué)成分(wt % )
權(quán)利要求
1.一種原位TiC彌散強化奧氏體耐熱鋼，其特征在于，質(zhì)量百分數(shù)為，Cr 18. 0 25· 0%, Ni 8. 0 30· 0%, C 0. 05 3. 0%, Ti 1. 0 12· 0%, Fe 余量。
2.如權(quán)利要求1所述的TiC顆粒彌散強化奧氏體耐熱鋼，其特征在于，所述奧氏體耐熱鋼還包括，Mo、Al、Nb和V，且各組份的質(zhì)量百分比為Cr 18. 0^25.0%, Ni 8. 0^30.0%, C 0. 05 3. 0%,Ti 1. 0 12· 0%,Mo < 3. 0%, Al < 1. 0%, Nb < 1. 0%, V < 1. 0%, Fe ^fio
3.—種權(quán)利要求1所述的TiC顆粒彌散強化奧氏體耐熱鋼的制備方法，其特征在于，步驟為a.制備含鐵鈦碳的預(yù)制塊按照鈦、碳質(zhì)量比為4:(0. 8 1)，在其中加入鈦碳粉總質(zhì)量 10 60%的鐵粉混合均勻并壓實成塊，所用粉體的粒度均為100 200目；b.以步驟a中Ti的含量為基準，按照Cr、Ni質(zhì)量比為18.0 25· 0 8. 0 30· 0的比例， 計算出顆粒彌散強化奧氏體耐熱鋼中的Cr、Ni最終含量，作為制備奧氏體耐熱鋼基體合金爐料Cr、Ni的加入量，根據(jù)C質(zhì)量百分數(shù)0. 2^2. 0%范圍，確定顆粒彌散強化奧氏體耐熱鋼中C的最終含量，并計算出顆粒彌散強化奧氏體耐熱鋼所需Fe最終含量，由上述計算得到的顆粒彌散強化奧氏體耐熱鋼中C和Fe最終含量減去步驟a中用于制備含鐵鈦碳的預(yù)制塊中的C和Fe的加入量，即得到中頻冶煉制備奧氏體耐熱鋼基體合金爐料的C和Fe加入量；c.在中頻感應(yīng)電爐加入基體合金爐料，待上述爐料完全熔化后，加熱至1550-1700°C， 加入步驟a所得預(yù)制塊，待預(yù)制塊反應(yīng)、熔化完成后，靜置并在1550-170(TC下保溫5min，將爐中的金屬液澆注入預(yù)先做好的砂模中；d.將步驟c得到的鋼錠進行電渣重熔，所述的電渣渣料由A1203、CaF2及TiO2組成， 電渣渣料組份的質(zhì)量百分數(shù)為25°/Γ30% Α1203、55°/Γ65% CaF2、20°/T5% TiO2，設(shè)定填充比 =0. 4 0. 6，設(shè)定電壓20-30伏，設(shè)定電流5000-6500安培；e.將步驟d得到的電渣錠用熱形變方法鍛造加工成型材，熱加工溫度950-1150°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型的原位合成TiC彌散強化奧氏體耐熱鋼材料及其制備方法。一種含TiC耐熱鋼，其合金成分質(zhì)量百分數(shù)為Cr18.0~25.0％，Ni8.0~30.0％，C0.05~3.0％，Ti1.0~12.0%，F(xiàn)e余量。合金成分中還可以有Mo＜3.0％，Al＜1.0％，Nb＜1.0％，V＜1.0％。采用原位熔鑄法和電渣重熔相結(jié)合的新工藝制備了含TiC的奧氏體耐熱鋼。與電渣重熔前相比，本發(fā)明中的TiC顆粒分布更均勻、尺寸更小。經(jīng)電渣重熔后的含TiC奧氏體耐熱鋼具有良好的強度，優(yōu)異的耐熱性能和耐磨損性能，可用于冶金、機械、汽車和石油化工等工業(yè)產(chǎn)品和設(shè)備上的需要在高溫下服役的零部件。
文檔編號C22C38/50GK102181791SQ201110075639
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月28日
發(fā)明者倪自飛, 周健, 孫揚善, 白晶, 薛烽, 陸月嬌 申請人:東南大學(xué)