本發(fā)明屬于高溫合金材料領(lǐng)域，特別涉及一種用于制造耐熱墊塊的高溫合金以及采用該合金制成的軋鋼加熱爐用耐熱墊塊。

背景技術(shù)：

鋼坯在軋制前必須使用連續(xù)式軋鋼加熱爐加熱，使得鋼坯依次進(jìn)行預(yù)熱、加熱、均熱（等溫）三個(gè)過程，將鋼坯加熱至特定的工藝溫度，且要求鋼坯的內(nèi)外溫度趨于一致。連續(xù)式軋鋼加熱爐包括有步進(jìn)式加熱爐和推鋼式加熱爐，連續(xù)式軋鋼加熱爐內(nèi)均設(shè)置有水冷梁，在鋼坯的加熱過程中，爐內(nèi)水冷梁上布置有耐熱墊塊，被加熱的鋼坯直接布置在耐熱墊塊上，耐熱墊塊是連續(xù)式軋鋼加熱爐的關(guān)鍵部件，其長期處于高溫、高負(fù)載以及腐蝕氣氛的惡劣工況下，對(duì)耐熱墊塊的材質(zhì)要求非常嚴(yán)格。

1944年西屋公司的yankeel9a發(fā)動(dòng)機(jī)采用了鈷基合金hs23精密鑄造葉片，自此以后鈷基高溫合金開始廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及一些防腐蝕性能要求很高的零件。1963年德國posemarre公司開發(fā)umco-50合金用于制造軋鋼加熱爐的耐熱墊塊，該合金比30cr-25ni-fe系列高溫合金的使用溫度提高300℃，不僅具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能及化學(xué)性能，而且在高溫下具有自潤滑功能。1983年日本開發(fā)出了采用khr40cm合金的耐熱墊塊，與umco-50合金耐熱墊塊相比，khr40cm合金工作溫度提高，抗氧化性能得到增強(qiáng)，耐熱墊塊的極限高度進(jìn)一步提升，減小了耐熱墊塊頂部與鋼坯的溫差，使被加熱鋼坯因加熱溫差導(dǎo)致出現(xiàn)“黑印”的可能性有效降低?，F(xiàn)在鈷基高溫合金已廣泛應(yīng)用于全世界范圍內(nèi)的軋鋼用步進(jìn)式加熱爐和推鋼式加熱爐。

隨著對(duì)鈷合金材料研究的進(jìn)一步深入，材料工作者發(fā)現(xiàn)鈷合金在高溫下仍有一些不足之處：umco-50在600～900℃長期使用時(shí)，會(huì)析出有害的σ相，在1000℃以上長期使用時(shí)，會(huì)析出（cr，fe）2n片狀相，導(dǎo)致耐熱墊塊的損耗量較大，容易產(chǎn)生嚴(yán)重變形，影響使用壽命。

近年來，軋鋼用步進(jìn)式大型板坯加熱爐中開始廣泛采用高效節(jié)能的汽化冷卻技術(shù)，耐熱墊塊的使用溫度也隨之增加，耐熱墊塊上表面工作溫度較水冷梁高出100℃～150℃，普遍工作在1300℃～1350℃，umco-50、khr40cm合金長期工作在這樣惡劣的工況條件下時(shí)，容易發(fā)生腐蝕、氧化、壓縮、磨損和積瘤的問題，使用壽命無法得到有效保證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一是提供一種耐熱墊塊用高溫合金，采用本合金制成的耐熱墊塊，可實(shí)現(xiàn)在1300℃～1350℃的軋鋼加熱爐爐溫下使用，布置在汽化冷卻水冷梁上支撐鋼坯，具有較好的抗高溫壓縮蠕變性能、抗高溫氧化性能，防止出現(xiàn)腐蝕、磨損和積瘤的問題，能夠延長耐熱墊塊的使用壽命。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種耐熱墊塊用高溫合金，該合金包括如下重量百分比的化學(xué)成分：

c0.05%～0.30%，si0.5%～1.5%，mn0.5%～1.5%，cr26%～31%，ni13%～18%，w1.5%～3.5%，mo1%～2%，nb0.5%～1.5%，ce0.02%～0.2%，zr0.02%～0.1%，fe0.01%～10%，其余為co和不可避免的雜質(zhì)。

本合金以co作為基體元素，是因?yàn)閏o在一定的高溫和應(yīng)力條件下，具有相對(duì)平坦的應(yīng)變量和時(shí)間關(guān)系曲線，能夠保證本合金的抗高溫蠕變性能，耐熱墊塊是處在高溫、低應(yīng)力的工作環(huán)境下的靜止部件，采用本合金制成的耐熱墊塊在高溫、低應(yīng)力的作用下，有效減少了壓縮變形，具有抗高溫壓縮蠕變性能，高鈷還使本合金具有良好的抗熱腐蝕、抗熱沖擊的性能，有利于延長耐熱墊塊的使用壽命。同鎳基合金相比，鈷基合金在高溫下摩擦系數(shù)較小，與被加熱的鋼坯的“親和性”較低，用其制作的耐熱墊塊在高溫環(huán)境下不易劃傷鋼坯，能夠提高鋼坯的加熱質(zhì)量。

本合金含有26wt%～31wt%的cr，能夠形成穩(wěn)定、致密的cr2o3層，降低合金的氧化速率，提高合金的抗高溫氧化性能，特別是抗高溫氧化性能。

本合金含有8wt%～15wt%的ni，可以在固溶一定合金元素的同時(shí)，用于抑制有害σ相的析出從而改善合金的綜合性能，以保證合金在高溫下具有足夠的強(qiáng)度和韌性。

本合金含有1.5wt%～3.5wt%的w和1wt%～2wt%的mo，起固溶強(qiáng)化作用，能夠提高合金再結(jié)晶溫度和原子間結(jié)合力，增加γ′-γ″錯(cuò)配度，阻礙擴(kuò)散形變，有利于降低合金層錯(cuò)能，從而提高本合金的高溫持久強(qiáng)度。

本合金含有0.5wt%～1.5wt%的nb，能夠形成起時(shí)效析出沉淀強(qiáng)化作用的γ′及γ″相，并增加γ′-γ″錯(cuò)配度，提高合金的高溫力學(xué)性能，同時(shí)結(jié)合co元素及難熔元素mo，可獲得更穩(wěn)定的高度合金化的γ′相，使固溶強(qiáng)化作用和鑄造第二相骨架強(qiáng)化作用得到更佳配合。

本合金含有0.05wt～0.30wt%的c，可配合co、nb、zr等元素在鑄造合金的枝晶界及晶界上形成帶狀、塊狀分布的mc和m23c6型碳化物，同時(shí)串聯(lián)成為各晶粒的“骨架”，增加晶界和枝晶間的形變阻力，可提高合金的高溫強(qiáng)度。

本合金加入適量稀土元素ce，在冶煉時(shí)做為純凈劑去除氣體和雜質(zhì)，提高合金的純凈度，能夠減少雜質(zhì)元素在晶界發(fā)生偏析的傾向，改善晶界組織，增加雜質(zhì)的分散度，有助于提高合金的高溫力學(xué)性能。ce還能夠減少合金cr2o3層中三價(jià)cr離子在氧化膜層中的遷移速率，有利于提高氧化膜和鈷合金基體的結(jié)合強(qiáng)度，從而增強(qiáng)本合金在1000℃以上的抗氧化性能。

本合金加入了0.02wt%～0.1wt%的zr，由于zr與c、s具有很強(qiáng)的親和力，利用zr原子偏聚于晶界的特性，可以凈化晶界處自由態(tài)的s雜質(zhì)，減少由于s偏聚在晶界所造成的裂紋傾向；同時(shí)zr還可以促使連續(xù)帶狀和塊狀mc的形成，改善碳化物的形貌和分布狀態(tài)，進(jìn)一步提高合金的晶界強(qiáng)度，從而延遲高溫狀態(tài)下裂紋的形成和擴(kuò)展，延長合金的使用壽命。同時(shí)，本合金所加入的zr和稀土元素ce可以細(xì)化合金晶粒尺寸，提高鈷基合金在高溫下的耐磨性，但過多的加入量（大于0.5wt%，指最終的化學(xué)分析含量）則無法起到細(xì)化晶粒的效果，同時(shí)產(chǎn)生新的有害相增加合金脆性。

本合金加入了適量的si、mn，有助于增加合金的流動(dòng)性，si、mn作為脫氧劑，起到了一定的固溶強(qiáng)化作用，其濃度應(yīng)足夠高，以便能在合金內(nèi)實(shí)現(xiàn)這些有利的影響，但不應(yīng)過高以致降低合金的韌性。本發(fā)明中si含量控制在0.5wt%～1.5wt%。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，本發(fā)明的耐熱墊塊用高溫合金的合金進(jìn)一步包括如下重量百分比的化學(xué)成分：c0.11%～0.15%，si0.8%～1.1%，mn0.5%～0.8%，cr27.5%～29%，ni13.5%～17%，w1.8%～2.3%，mo1.1%～1.6%，nb0.6%～1.1%，ce0.07%～0.12%，zr0.05%～0.1%，fe0.01%～5%，其余為co和不可避免的雜質(zhì)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，本發(fā)明的耐熱墊塊用高溫合金具體包括如下重量百分比的化學(xué)成分：c0.12%，si0.9%，mn0.6%，cr28.5%，ni14.5%，w1.9%，mo1.3%，nb0.8%，ce0.08%，zr0.06%，fe4%，其余為co和不可避免的雜質(zhì)。

本發(fā)明的目的之二是提供一種采用上述合金材料制成的軋鋼加熱爐用耐熱墊塊。該耐熱墊塊主要適用于軋鋼加熱爐，宜采用真空感應(yīng)爐或中頻爐將母合金熔煉后澆注成型，再將成型的母合金快速重熔后澆鑄成型。本耐熱墊塊與目前廣泛使用的umco-50合金制成的墊塊相比，具有更好的組織穩(wěn)定性和抗高溫壓縮蠕變性能，提高了抗高溫氧化性能和抗高溫積瘤性能，防止出現(xiàn)腐蝕或者磨損的問題，能夠延長制成的耐熱墊塊的使用壽命。

具體實(shí)施方式

下面以具體實(shí)施方式詳細(xì)說明本發(fā)明。

實(shí)施例1

一種軋鋼加熱爐用耐熱墊塊，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的耐熱墊塊用高溫合金的化學(xué)成分，它包括如下重量百分比成分：c0.05%，si0.5%，mn0.5%，cr26%，ni13%，w1.5%，mo1%，nb0.5%，ce0.02%，zr0.02%，fe0.01%，其余為co和不可避免的雜質(zhì)。將上述配比的合金材料采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，其中zr和ce在第二次合金化處理時(shí)加入，再澆注到錠模，冷卻后得到母合金錠。然后將母合金錠放入真空感應(yīng)爐進(jìn)行快速重熔，澆注到型殼內(nèi)，最終破真空取出鑄型，得到1#試件。

實(shí)施例2

一種軋鋼加熱爐用耐熱墊塊，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的耐熱墊塊用高溫合金的化學(xué)成分，它包括如下重量百分比成分：c0.12%，si0.9%，mn0.6%，cr28.5%，ni14.5%，w1.9%，mo1.3%，nb0.8%，ce0.08%，zr0.06%，fe4%，其余為co和不可避免的雜質(zhì)。將上述配比的合金材料采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，其中zr和ce在第二次合金化處理時(shí)加入，再澆注到錠模，冷卻后得到母合金錠。然后將母合金錠放入真空感應(yīng)爐進(jìn)行快速重熔，澆注到型殼內(nèi)，最終破真空取出鑄型，得到2#試件。

實(shí)施例3

一種軋鋼加熱爐用耐熱墊塊，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的耐熱墊塊用高溫合金的化學(xué)成分，它包括如下重量百分比成分：c0.16%，si1.2%，mn0.9%，cr29.5%，ni15%，w2.4%，mo1.5%，nb1.1%，ce0.12%，zr0.04%，fe2%，其余為co和不可避免的雜質(zhì)。將上述配比的合金材料采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，其中zr和ce在第二次合金化處理時(shí)加入，再澆注到錠模，冷卻后得到母合金錠。然后將母合金錠放入真空感應(yīng)爐進(jìn)行快速重熔，澆注到型殼內(nèi)，最終破真空取出鑄型，得到3#試件。

實(shí)施例4

一種軋鋼加熱爐用耐熱墊塊，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的耐熱墊塊用高溫合金的化學(xué)成分，它包括如下重量百分比成分：c0.24%，si1.35%，mn1.2%，cr30%，ni16.5%，w3.1%，mo1.7%，nb1.3%，ce0.16%，zr0.08%，fe7%，其余為co和不可避免的雜質(zhì)。將上述配比的合金材料采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，其中zr和ce在第二次合金化處理時(shí)加入，再澆注到錠模，冷卻后得到母合金錠。然后將母合金錠放入真空感應(yīng)爐進(jìn)行快速重熔，澆注到型殼內(nèi)，最終破真空取出鑄型，得到4#試件。

實(shí)施例5

一種軋鋼加熱爐用耐熱墊塊，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的耐熱墊塊用高溫合金的化學(xué)成分，它包括如下重量百分比成分：c0.30%，si1.5%，mn1.5%，cr31%，ni18%，w3.5%，mo2%，nb1.5%，ce0.2%，zr0.1%，fe10%，其余為co和不可避免的雜質(zhì)。將上述配比的合金材料采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，其中zr和ce在第二次合金化處理時(shí)加入，再澆注到錠模，冷卻后得到母合金錠。然后將母合金錠放入真空感應(yīng)爐進(jìn)行快速重熔，澆注到型殼內(nèi)，最終破真空取出鑄型，得到5#試件。

比較例1

一種采用umco-50合金制成的耐熱墊塊，將umco-50合金按成分配比采用真空感應(yīng)爐熔煉后澆注到錠模，冷卻后得到母合金錠，然后將母合金錠放入真空感應(yīng)爐進(jìn)行快速重熔，澆注到型殼內(nèi)，最終破真空取出鑄型，制得與1#試件同尺寸的6#試件五件。

比較例2

一種軋鋼加熱爐用耐熱墊塊，它的合金包括如下重量百分比的化學(xué)成分：c0.30%，si1.5%，mn1.5%，cr31%，ni18%，w3.5%，mo2%，nb1.5%，ce0.2%，fe10%，其余為co和不可避免的雜質(zhì)。將上述配比的合金材料采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，其中ce在第二次合金化處理時(shí)加入，再澆注到錠模，冷卻后得到母合金錠。然后將母合金錠放入真空感應(yīng)爐進(jìn)行快速重熔，澆注到型殼內(nèi)，最終破真空取出鑄型，得到與1#試件同尺寸的7#試件五件。7#試件的合金中不含zr。

將上述1#～7#試件在高溫壓縮試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫壓縮試驗(yàn)，并分別在軋鋼加熱爐中進(jìn)行實(shí)際試用的對(duì)比試驗(yàn)。

在高溫拉伸對(duì)比試驗(yàn)中，在各實(shí)施例和比較例的耐熱墊塊的相同部位分別取樣并用電火花線切割加工成規(guī)格為?12.7mm×38mm的試樣，然后按美國astm標(biāo)準(zhǔn)e209-00《金屬材料在常規(guī)或快速升溫速率及應(yīng)變率下的壓縮試驗(yàn)規(guī)范》分別勻速加熱至1100℃和1200℃（1000℃以下升溫速率不超過3℃/min，1000℃以上升溫速率不超過5℃/min），測(cè)定各試件的變形量達(dá)10%時(shí)的壓縮應(yīng)力，最后取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1高溫壓縮試驗(yàn)表

在實(shí)際試用對(duì)比試驗(yàn)中，將上述實(shí)施例中制得的各耐熱墊塊試件與比較例1、比較例2中制得的耐熱墊塊試件分別沿爐長方向交替依次布置在同一軋鋼加熱爐的均熱段汽化水冷梁上，并控制該區(qū)段爐溫在1320±10℃，使用一年后，每隔6個(gè)月測(cè)量耐熱墊塊的平均磨損量，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2實(shí)際試用結(jié)果表

從表1和表2的數(shù)據(jù)可以明顯得出：采用本發(fā)明制造的耐熱墊塊較目前廣泛使用的umco-50合金制成的耐熱墊塊相比，具有更好的抗高溫壓縮性能和耐磨損性能，高溫力學(xué)性能更好，具有較長的使用壽命；采用本發(fā)明的各合金材料制造的耐熱墊塊較不加zr制造的耐熱墊塊，抗高溫壓縮性能和耐磨損性能更好，zr的加入使得本發(fā)明的合金制成的耐熱墊塊高溫力學(xué)性能更好，使用壽命更長。

本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，在本發(fā)明公開的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開的技術(shù)內(nèi)容，不需要?jiǎng)?chuàng)造性的勞動(dòng)就可以對(duì)其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。