專利名稱：一種高鉻鎳合金鋼導板的稀土變質及時效處理方法
技術領域：
本發明屬于冶金技術領域，涉及一種高合金鋼的稀土變質及時效處理方法。
背景技術：
高鉻鎳合金鋼作為連軋鋼管機組入口導板，在使用過程中提前出現粘鋼、疲勞裂紋和斷裂等現象，導致早期報廢或使用過程中出現初期網狀裂紋等，在惡劣的使用條件下發生裂紋擴展導致斷裂。經解剖分析，主要問題是導板的組織結構不合理，組織中的一次碳化物連成網狀，引起導板壽命下降。從高鉻鎳合金鋼的鑄態凝固特點來看，由于C和Cr等合金元素偏析，奧氏體枝晶間和晶界的鋼液熔池達到共晶成分，在鋼液中發生共晶反應，形成的共晶碳化物呈網狀分布在晶界上，而共晶碳化物是熱疲勞裂紋擴展的主要通道，由于碳化物脆性大，在循環熱應力下容易破碎，且一旦出現裂紋即迅速擴展。斷裂力學理論指出，脆性斷裂包括裂紋的萌生和傳播，所以控制鋼中碳化物類型、數量、形貌、分布和尺寸是改善鋼材性能的有效手段。因此，高鉻鎳合金鋼的熱疲勞抗力主要取決于碳化物形態。為了提高導板的性能，需改善碳化物數量和形貌，首先考慮加入稀土進行變質處理改善一次碳化物的形貌，再通過熱處理來控制二次碳化物的析出數量與形貌，從而改善材料性能。高鉻鎳合金鋼的冷卻凝固過程是首先從液相中析出δ固溶體，然后發生 L+δ - y的包晶反應，進而繼續發生L+δ — Y+C1 (—次碳化物)的包共晶反應，然后發生L— Y+C1的共晶反應，同時隨著C1的析出，C1將沿著γ晶界連續生長，直到完全凝固， 形成由奧氏體+碳化物組成的共晶產物，其中碳化物呈網狀，網絡之間為Y相。所以要改變高鉻鎳合金鋼從液相中析出的一次碳化物形貌，可通過加入稀土(RE)進行變質處理。RE 是強過冷元素，在凝固過程中將發生嚴重偏析，通過溶質再分配而富集在初生奧氏體生長前沿的熔體中，造成較大的成分過冷，有利于奧氏體枝晶的多次分枝及枝晶間距的減小，使鋼的枝晶組織得到細化，阻礙奧氏體長大。初晶奧氏體的細化將導致共晶反應時的殘留鋼液相互被隔開的趨勢增強，共晶階段共晶奧氏體優先在狹窄通道兩側的初晶奧氏體上以離異方式結晶，促使殘液進一步被分隔，最后導致碳化物網被斷開而孤立化。熱處理組織狀態對導板的使用壽命有很大的影響，所以熱處理應該向著增加高加高壽命的組織狀態來進行。高鉻鎳合金鋼導板傳統的熱處理工藝是將鑄態導板機加工后，在煤氣爐中將導板加熱到1080°C保溫30分鐘進行正火處理。正火態試樣經王水腐蝕后可觀察到粗大的網狀一次碳化物，二次碳化物大量析出，且二次碳化物顆粒長大 (如圖1所示)。大塊狀的一次碳化物連成網狀，這種組織的性能惡劣，大塊狀的碳化物割裂基體產生早期裂紋，合金鋼導板在使用過程中頻繁經歷驟冷驟熱，裂紋將迅速擴展導致開裂。另外，二次碳化物顆粒尺寸對接觸疲勞壽命有著明顯影響，在相同的累積破壞率下細小碳化物的壽命比粗顆粒壽命要高。因此，通過熱處理獲得細小彌散的二次碳化物是提高導板使用壽命的有效途徑。申請號為200610040275. 3的中國發明專利“穿孔機導板”公開了一種穿孔機導板的化學成分C 0. 65 1. 5%, Si 1. 0 3. 0%, Mn < 2%, Cr 28 32%，Ni 49 52%， W 4 6.5%，其余為!^e及雜質元素。該成分體系設計的特點是Ni元素含量極高，并加入了一定量的W元素，使穿孔機導板的制造成本增加，生產廠家和用戶難以接受。申請號為200810166746. 2的中國發明專利“無縫鋼管穿孔機用導板”公開的一種穿孔機導板的成分C1. 7 2. 0%,Si0. 6 0. 8%,MnO. 6 0. 8%,Cr27 30%，Ni5. 6 20%,Nb+RE 0. 15 0. 35%，其余為!^e及雜質元素。該專利是在申請號為200710018263. 5 的中國發明專利“一種新型無縫鋼管穿孔機用導板”基礎上進行改進的，Ni含量從4. 5 5. 5%增加為5. 6 20%。根據實驗結果，含鎳太高的導板在使用中容易產生粘鋼而造成鋼管表面劃傷，從而影響鋼管的質量，而含鎳太低的穿孔機導板雖然成本低，但耐磨性能和抗熱裂性能差。該專利僅公開了穿孔機導板的化學成分，沒有涉及對應成分下的熱處理工藝。

發明內容
本發明公開一種高鉻鎳合金鋼稀土變質和時效處理方法。技術方案為從材質成分和熱處理兩方面進行，來改善高鉻鎳合金鋼導板的碳化物形貌以提高其使用壽命。本發明的成分設計為中等鎳含量，并進行變質處理和時效處理，變質劑為稀土絲。本發明要通過熱處理獲得穩定性好的二次碳化物和均勻分布的球狀二次碳化物。本發明高鉻鎳合金鋼，通過冶煉、變質、時效熱處理等工藝，達到改善性能、提高壽命的目的。稀土變質處理可以使大塊狀的網狀一次碳化物產生頸縮、球化。時效處理可以使二次碳化物由大量粗大的長條狀變為細小彌散的小顆粒析出。實驗方法是采用1噸中頻爐冶煉，當溫度達到1600°c時插鋁脫氧出鋼，然后進行澆鑄，其鋼水的化學成分(重量百分比％ )為C 1. 4-1. 5，Si 0. 5-0. 7，Mn 1. 0-1. 1，P < 0. 04，S < 0. 04，Si 0. 5-0. 7，Cr 25-27，Ni 8-10，Mo 0. 5-0. 7，RE 0. 009-0. 02，其余為!^e 和無法檢測的微量雜質。加入稀土的方法是當鋼水出到1/3時，采用投入法投入稀土絲為總加入量的 50%，當鋼水出到2/3時投入另50%的稀土絲。出鋼結束后，鋼包靜止20分鐘。將合適溫度的鋼液沖入澆包，經過攪拌后澆注入已烘干的砂箱中。將變質處理后的試樣進行時效處理，時效處理工藝為溫度480°C -580°c，保溫時間為5-10小時。將鑄態試樣、時效試樣分別加工成無缺口沖擊試樣，進行沖擊功和硬度測試。用顯微鏡觀察試樣的碳化物形貌及磨面特征。通過試驗和觀察發現，變質后的鑄造組織中的一次碳化物網要比變質前的鑄造組織中的一次碳化物網細小，奧氏體細化明顯。變質后的鑄造組織中一次碳化物碎化，長條狀的一次碳化物變為小顆粒狀，鑄態組織中無二次碳化物。時效處理后，從高鉻鎳合金鋼的奧氏體中析出了細小彌散的二次碳化物。本發明的優點在于鎳含量取中等值，并加入稀土進行變質處理，最后進行時效處理，解決了穿孔機導板在高溫工作狀態下的耐磨性能差、易斷裂、使用壽命低以及制造成本高等問題。經變質和時效處理后的高鉻鎳合金鋼導板的使用壽命提高了 43-50%。小系列導板使用壽命由原來的平均700次/塊提高到1000次/塊，大系列導板使用壽命由原來的平均1000次/塊提高到1500次/ ±夬，節約了鋼材，降低了成本。


圖1為粗大的一次碳化物金相組織。
圖2中(a)為未變質的鑄態金相組織；(b)為變質的鑄態金相組織；(c)為未變質的鑄態金相組織；(d)為變質的鑄態金相組織。圖3為鑄坯經不同時效工藝處理后的金相組織。(a) 480°C保溫8小時時效；(b) 530 0C時保溫8小時時效；(c)580°C保溫8小時時效。圖4為正火及時效處理后的微觀組織。(a)未變質處理經1080°C正火(SEM的二次電子像)；(b)變質580 V時效(SEM背散射電子像)。
具體實施例方式以下結合實施例對本發明作進一步的描述。實施例1采用1噸中頻爐共冶煉兩爐高鉻鎳合金鋼，其中一爐加入0. 01%稀土進行變質處理，另一爐不加稀土。當冶煉溫度達到1600°C時插鋁脫氧出鋼，然后進行澆鑄，其化學成分及含量(重量百分比％ )為C 1. 4，Si 0. 5，Mn 1. 1，P 0. 01，S 0. 02，Si 0. 6，Cr 26，Ni 9，Mo 0. 6，RE 0. 01，余量為Fe和無法檢測的微量元素。當鋼水出到1/3時，采用投入法投入稀土絲總加入量的50%，當鋼水出到2/3時投入另50%的稀土絲；出鋼結束后，鋼包靜止20分鐘。將合適溫度的鋼液沖入澆包，經過攪拌后澆注入已烘干的砂箱中，鑄造出試樣毛坯。將鑄態試樣加工成IOmmX IOmmX 55mm無缺口沖擊試樣，進行沖擊功和硬度測試。試樣經過FeCl3溶液及王水腐蝕，用ΝΕ0ΡΗ0Τ 32型光學顯微鏡和EVO HV50掃描電子顯微鏡觀察碳化物形貌及磨面特征。通過檢驗和觀察發現，變質的鑄造組織中的一次碳化物網要比未變質的鑄造組織中的一次碳化物網細小(如圖2(a) (b))，一次碳化物碎化，大塊狀的一次碳化物變為顆粒狀(如圖2(c) (d))。從硬度檢測結果看，鑄態變質前后硬度值相差不多，說明稀土變質劑的少量加入不影響鑄態導板的硬度。從沖擊功檢驗結果看，提高幅度較大，檢測結果見表1。實施例2冶煉、澆鑄工藝同實施例1。將未進行稀土變質處理的鑄態導板機加工后，煤氣爐中進行正火處理，正火處理工藝為加熱到1080°C保溫30分鐘，出爐空冷。將變質處理后的鑄態試樣加熱到480°C 保溫8小時、530°C保溫8小時、580°C保溫8小時進行時效處理。正火處理和時效處理后試樣取樣，磨制拋光后用FeCl3溶液腐蝕，觀察其金相組織。將熱處理后的試樣加工成 IOmmX IOmmX 55mm無缺口沖擊試樣，測量沖擊值后進行硬度測量。試樣經FeCl3溶液及王水腐蝕，用ΝΕ0ΡΗ0Τ 32型光學顯微鏡和EVO HV50掃描電子顯微鏡觀察試樣的碳化物形貌及磨面特征。通過檢驗和觀察，變質處理前后的鑄坯組織形態發生了明顯變化，未經稀土變質處理的正火態組織中粗大的一次碳化物連成網狀(如圖1所示)，二次碳化物大量析出， 且二次碳化物顆粒長大(見圖4(a))。而經稀土變質處理和時效處理的組織中，一次碳化物網細小，一次碳化物碎化，大塊狀的一次碳化物變為顆粒狀，二次碳化物呈細小彌散的小顆粒析出(見圖3、圖4(b))。從硬度測量結果看，略有下降，但沖擊功檢驗結果大幅提高。檢測結果見表1。表1力學性能檢測結果
權利要求
1.一種高鉻鎳合金鋼導板的稀土變質及時效處理方法，其特征在于采用1噸中頻爐冶煉，當溫度達到1600°c時插鋁脫氧出鋼，然后進行澆鑄；當鋼水出到1/3時，投入變質劑稀土絲為總加入量的50%，當鋼水出到2/3時，投入另50% ；出鋼結束后，鋼包靜止20分鐘； 然后將鋼液沖入澆包，經過攪拌后澆注入已烘干的砂箱中，鑄造出試樣毛坯，其化學成分為 (重量百分比％ ) :C 1. 4-1. 5，SiO. 5-0. 75,Mn 1. 0-1. 1，P < 0. 04，S < 0. 04，Si 0. 5-0. 7， Cr 25-27，Ni 8-10, Mo 0. 5-0. 7, RE 0. 009-0. 02，其余為！^ 和無法檢測的微量雜質。
2.根據權利要求1所述的一種高鉻鎳合金鋼導板的稀土變質及時效處理方法，其特征在于將變質處理的鑄態試樣進行時效處理，時效處理工藝為加熱溫度為480°C -580°C，保溫時間為5-10小時。
全文摘要
一種高鉻鎳合金鋼的稀土變質及時效處理方法，屬于冶金技術領域。通過稀土變質處理使大塊狀的網狀一次碳化物產生頸縮、球化；時效處理后的二次碳化物由大量粗大的長條狀變為細小彌散的小顆粒析出。一次碳化物及二次碳化物尺寸、形態、數量的改變，提高了高鉻鎳合金鋼導板的使用壽命。導板在進行了變質和時效處理后，使得原來的碎裂情況得到了很大的改善，使用壽命提高了43-50％，小系列導板使用壽命由原來的平均700次/塊提高到1000次/塊，大系列導板使用壽命由原來的平均1000次/塊提高到1500次/塊，降低了噸鋼消耗，節約了生產成本。
文檔編號C22C33/04GK102337473SQ20111029121
公開日2012年2月1日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者馮巖青, 康利明, 高志國 申請人:內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司