铬镍铜钒铌氮高温耐热耐磨铸钢.pdf

摘要
申请专利号：	CN201310020801.X	申请日：	2013.01.21
公开号：	CN103938106A	公开日：	2014.07.23
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|专利申请权的转移IPC(主分类):C22C 38/48变更事项:申请人变更前权利人:李东阁变更后权利人:学修机械科技(上海)有限公司变更事项:地址变更前权利人:200127 上海市浦东区茂兴路88号22F座变更后权利人:200127 上海市茂兴路86号22F登记生效日:20141010\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):C22C 38/48申请日:20130121\|\|\|公开
IPC分类号：	C22C38/48; C22C38/56; C22C38/58	主分类号：	C22C38/48
申请人：	李东阁
发明人：	李东阁
地址：	200127 上海市浦东区茂兴路88号22F座
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内容摘要

本发明公开了一种铬镍铜钒铌氮高温耐热耐磨铸钢，其化学成分(重量％)为：C0.3～2.0％，Si1.36～2.50％，Mn0.83～2.50％，Cr20.0～46.0％，Ni7.0～50.0％，Cu0.05～1.50％，V0.05～5.20％，Nb0.04～2.50％，N0.05～0.50％，RE0.05～0.50％，P≤0.06％，S≤0.04％，Fe余量，用本耐热耐磨铸钢制造的发电锅炉燃烧器喷口抗热裂性能好，具有高的红硬性和高温耐磨性，抗煤粉冲刷，使用寿命长，并且不开裂。

权利要求书

权利要求书
1.  一种铬镍铜钒铌氮高温耐热耐磨铸钢，其特征在于其化学成分(重量％)为：
C0.3～2.0％     Si1.36～2.50％   Mn0.83～2.50％   Cr20.0～46.0％
Ni7.0～50.0％   Cu0.05～1.50％   V0.05～5.20％    Nb0.04～2.50％
N0.05～0.50％   RE0.05～0.50％   P≤0.06％   S≤0.04％   Fe余量。

说明书

说明书铬镍铜钒铌氮高温耐热耐磨铸钢
本发明涉及高温耐热耐磨铸钢，特别是铬镍铜钒铌氮高温耐热耐磨铸钢。
在冶金、发电、化工、建材等工厂有许多高温磨损工况，目前火力发电厂锅炉多在高温高压下运行，其燃烧器喷口要在1000～1300℃的高温下工作，同时要承受重惩的煤粉冲蚀磨损。因此，该喷口要求很高的耐热耐磨性能。目前国内多采用1Cr18Ni9Ti、Cr25Ni20、Cr33Ni9N等钢种制作。这些钢的耐高温磨损性能较差，特别是喷口变形开裂，使用寿命较短，表面质量差，抗耐磨性差，影响钢材表面质量，急需一种新的Nb-V复合强化的钢种代替。
本发明的目的是提供一种高温耐热耐磨铸钢，它能在1000～1300℃高温下抗氧化、抗开裂、抗磨损。用来制造火力发电厂燃烧器喷口、轧钢厂导板及其它在该温度范围工作的构件。
本发明铬镍铜钒铌氮高温耐热耐磨铸钢的化学成分(重量％)为：C0.3～2.0％ Si1.36～2.50％ Mn0.83～2.50％ Cr20.0～46.0％Ni7.0～50.0％ Cu0.05～1.50％ V0.05～5.20％ Nb0.04～2.5％N0.05～0.50％ RE0.05～0.50％ P≤0.06％ S≤0.04％
本发明铬镍铜钒铌氮高温耐热耐磨铸钢选择上述化学成分是基于下面的考虑：
碳(C)：碳是支撑本耐热耐磨钢特性的主干元素，是维系合金元素的核心，与铬、钒、铌形成炭化物，生成Cr3C2、Cr23C6、VC、NbC，这些炭化物具有很高的硬度和熔点，因而提高高温耐热耐磨铸钢的强度、硬度，并是稳定奥氏体的主要元素。碳含量高，钢的强度和硬度高，奥氏体组织稳定，但是钢的韧性差，故炭含量设计为0.3～2.0的范围内，根据制造工艺和介质不同，在此范围变动。
铬(Cr)：是影响高温耐热耐磨铸钢抗高温氧化性能和耐磨性能的主要元素，铬含量低，影响Cr2O3钝化膜的形成、降低钢的抗氧化性能，又不利于固溶强化和第二相强化，进而降低钢的高温强度、硬度和耐磨性能，铬含量过高，增加成本，容易开裂，故铬含量选定在20.0～46.0％的范围内。根据介质不同，在此范围变动。
镍(Ni)：是稳定奥氏体基体和提高高温强度的主要元素。适宜的镍含量可防止铸件变形和开裂。镍含量过低，不利于获得稳定的奥氏体基体，而且铸钢的强度和硬度也降低。镍含量过高，增加成本。故镍含量选定在7.0～50.0％的范围内，根据应用介质不同，在此规范内变动。
铜(Cu)：对耐金属粉化材料进行的研究证实，在某些介质中，形成稳定连续的氧化物层以防止渗炭以及金属粉化所需的最低铬含量为28％。高的铬含量影响到相的稳定性，所以又加入了铜，Nb-Cu复合强化铸钢表面质量好，抗起皱性好，耐蚀性好，耐磨性也好，Cu的共格强化提高了抗蠕变强度。加Cu的高温耐热耐磨铸钢抗热裂性能好。这是全国电厂急需解决的问题。
钒(V)：钒是本钢中不可替代的重要合金元素。钒是强碳化物形成元素，高的碳化物含量是构成高温耐热耐磨铸钢特性的基础。加V之后形成MC型碳化物，具有最高的高温硬度和高温组织与性能稳定性。碳化钒VC高温时不溶于奥代体而存在于剩余相中，起细化晶粒的作用；氮化钒(VN)比碳化钒能更有效地强化和细化晶粒，提高本钢的耐磨性、耐高温腐蚀性、韧性、强度、延展性、抗高温蠕变等综合力学性能，并使钢具有良好的可焊接性能，这对高温炉烟管和燃烧器喷口非常重要。当钒碳比超过5.7时，可大大提高抗高温腐蚀能力。本钢的耐磨性随着含钒量的增加而提高，当钒含量超过2％时，耐磨性明显提高。
铌(Nb)：是强烈形成炭化物元素。主要强化晶界，可显著提高铸钢的高温强度、硬度和耐磨性能，并可细化晶粒。本发明铸钢的铌含量选定在0.04～2.5％的范围内。
氮(N)：氮在高温耐热耐磨钢起着重要的、其它元素难以替代的作用。是最有效的镍当量，强烈的稳定奥氏体基体，与炭一起形成炭氮化物强化相。V(C、N)、Nb(C、N)细化晶粒，提高耐高温水腐蚀，Cr、N、V、Nb的复合运用，在本钢中形成大量细小高度弥散分布的CrVN、CrNbN，起沉淀强化作用，氮化钒、氮化铌均是硬质合金，使本钢特别耐磨；随着钢中含氮量的增加，促进了保护膜中Cr2O3含量的增长，并提高了致密度，提高了耐热腐蚀能力。
稀土(RE)：加入微量稀土元素可净化钢水，使氧化膜更加稳定，显著提高铸钢的抗氧化性能。但是，加入过多稀土元素会产生非金属夹杂物，损害铸钢的机械性能，故稀土含量选定至0.05～0.5％的范围内。
硅(Si)：与铬元素一起形成致密的氧化膜，有利于铸钢的抗氧化性能。但是硅易形成显著降低铸钢强度的化合物，故将硅含量控制在1.36～2.50％的范围内。
锰(Mn)：是稳定奥氏体基体的元素，并且具有固溶强化作用，适宜的锰含量使氧化膜稳定。但是，它损害铸钢的抗氧化性能，故将锰含量控制在0.83～2.50％的范围内。
磷(P)和硫(S)：磷和硫为本发明铸钢的有害元素，应尽可能地降低其含量，其控制范围分别为P≤0.06％S≤0.04％。
本发明铸钢与目前使用的高温耐热耐磨钢，特别是用于制造火力发电厂锅炉燃烧器喷口ZG80Cr33Ni9N钢和冶金工厂导板用ZG100Cr35Ni19铸钢相比，具有以下优点：
1、本发明铸钢中加入了V、Nb元素，细化了晶粒，在提高强度的同时，又提高韧性，使其抗时效裂纹，这对喷口用钢起支柱作用。
2、本发明铸钢中，有足够的炭、氮含量，V、Nb、N复合应用既提高了强度又改善了抗晶间腐蚀性能。氮化钒、炭化钒、氮化铌、炭化铌都是硬质合金，所以在高温下耐磨，抗煤粉冲刷性能好。
3、本钢中加入了铜元素，Nb、Cu的复合应用提高了钢的抗蠕变性能，因而抗热裂性能好。加铜也提高了耐磨性能。特别是Cr、Cu的复合应用使本钢提高含铬量成为可能，甚至达到超高铬(46％)的水平，因而更加耐磨。
4、本钢中加入了钒元素，V、N的复合应用生成的氮化钒，使本钢具有良好的可焊性，氮化钒中的氮比碳化钒能够更有效地强化和细化晶粒，提高综合力学性能，而且有去除钢中夹杂物的作用。本钢具有高的红硬性和高的耐磨性。
5、本发明铸钢中Cr含量高，Mn含量低(与ZG80Cr26Ni4Mn3N喷口用钢相比)，同时还加入了硅元素，使Si、Nb复合应用，改善了氧化膜结构，故本发明铸钢具有很高的抗氧化性能。
6、本发明铸钢综合性能好，不仅具有高的高温强度、硬度和抗氧化性能，而且具有高的高温耐磨性能。本发明铸钢的高温强度和抗氧化性能均显著高于Haynes556合金。
7、本发明铸钢不仅可用于制造火力发电厂锅炉燃烧器喷口、高温炉烟管、流化床风帽、波纹板叶片，而且还用于制造轧钢厂导板，冶金烧结篦条等高温耐热耐磨构件，使用寿命可提高2～10倍。
下面用实施例进一步说明本发明高温耐热耐磨铸钢。
实施例：
按照本发明铸钢的化学成分范围进行配料，在150公斤感应炉中进行冶炼，共炼了5炉钢，各种钢的化学成分见表1。综合脱氧，适温浇注。对于1#合金，测定其各项性能，结果列于表2。
表1：本发明耐热耐磨铸钢的化学成分(重量％)

表2：本发明耐热耐磨铸钢的高温力学性能
温度℃σ0.2 MPaσb MPaδ％Ψ％100038.6252.6048.2253.60110067.4280.2061.3057.31120041.2052.4228.3228.63
含钴20％的Haynes556合金在1100°的σb为50MPa，而一号合金为80.2MPa；Haynes556合金其在1200℃，400小时的氧化增重为3.8945克。而一号合金400小时的氧化增重为1.6563克。由此可见本发明耐热耐磨铸钢的高温强度和抗氧化性能均高于Haynes556合金，用1#合金铸造火力发电厂锅炉燃烧器喷口，在双辽电厂的实际使用证明寿命已达12年，达到三个大修期并且在继续运行中。用本钢制作的导板，经钢厂使用，表面质量好，抗起皱性好，提高了钢材的表面质量，寿命提高了五位以上。

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1、(10)申请公布号 CN 103938106 A (43)申请公布日 2014.07.23 CN 103938106 A (21)申请号 201310020801.X (22)申请日 2013.01.21 C22C 38/48(2006.01) C22C 38/56(2006.01) C22C 38/58(2006.01) (71)申请人李东阁地址 200127 上海市浦东区茂兴路88号22F 座 (72)发明人李东阁 (54) 发明名称铬镍铜钒铌氮高温耐热耐磨铸钢 (57) 摘要本发明公开了一种铬镍铜钒铌氮高温耐热耐磨铸钢，其化学成分 ( 重量 ) 为： C0.3 2.0 ，。

2、 Si1.36 2.50 ， Mn0.83 2.50 ， Cr20.0 46.0 ， Ni7.0 50.0 ， Cu0.05 1.50 ， V0.05 5.20 ， Nb0.04 2.50 ， N0.05 0.50， RE0.05 0.50， P 0.06， S0.04， Fe余量，用本耐热耐磨铸钢制造的发电锅炉燃烧器喷口抗热裂性能好，具有高的红硬性和高温耐磨性，抗煤粉冲刷，使用寿命长，并且不开裂。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页说明书 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书1页说明书3页 (10)申请公布号 CN 103。

3、938106 A CN 103938106 A 1/1 页 2 1. 一种铬镍铜钒铌氮高温耐热耐磨铸钢，其特征在于其化学成分 ( 重量 ) 为： C0.3 2.0 Si1.36 2.50 Mn0.83 2.50 Cr20.0 46.0 Ni7.0 50.0 Cu0.05 1.50 V0.05 5.20 Nb0.04 2.50 N0.05 0.50 RE0.05 0.50 P 0.06 S 0.04 Fe 余量。权利要求书 CN 103938106 A 2 1/3 页 3 铬镍铜钒铌氮高温耐热耐磨铸钢 0001 本发明涉及高温耐热耐磨铸钢，特别是铬镍铜钒铌氮高温耐热耐磨铸钢。 0。

4、002 在冶金、发电、化工、建材等工厂有许多高温磨损工况，目前火力发电厂锅炉多在高温高压下运行，其燃烧器喷口要在 1000 1300的高温下工作，同时要承受重惩的煤粉冲蚀磨损。因此，该喷口要求很高的耐热耐磨性能。目前国内多采用1Cr18Ni9Ti、 Cr25Ni20、 Cr33Ni9N 等钢种制作。这些钢的耐高温磨损性能较差，特别是喷口变形开裂，使用寿命较短，表面质量差，抗耐磨性差，影响钢材表面质量，急需一种新的 Nb-V 复合强化的钢种代替。 0003 本发明的目的是提供一种高温耐热耐磨铸钢，它能在 1000 1300高温下抗氧化、抗开裂、抗磨损。

5、。用来制造火力发电厂燃烧器喷口、轧钢厂导板及其它在该温度范围工作的构件。 0004 本发明铬镍铜钒铌氮高温耐热耐磨铸钢的化学成分 ( 重量 ) 为： C0.3 2.0 Si1.36 2.50 Mn0.83 2.50 Cr20.0 46.0 Ni7.0 50.0 Cu0.05 1.50 V0.05 5.20 Nb0.04 2.5 N0.05 0.50 RE0.05 0.50 P 0.06 S 0.04 0005 本发明铬镍铜钒铌氮高温耐热耐磨铸钢选择上述化学成分是基于下面的考虑： 0006 碳 (C) ：碳是支撑本耐热耐磨钢特性的主干元素，是维系合金元素的核心，与铬、钒、铌形成。

6、炭化物，生成 Cr3C2、 Cr23C6、 VC、 NbC，这些炭化物具有很高的硬度和熔点，因而提高高温耐热耐磨铸钢的强度、硬度，并是稳定奥氏体的主要元素。碳含量高，钢的强度和硬度高，奥氏体组织稳定，但是钢的韧性差，故炭含量设计为0.32.0的范围内，根据制造工艺和介质不同，在此范围变动。 0007 铬 (Cr) ：是影响高温耐热耐磨铸钢抗高温氧化性能和耐磨性能的主要元素，铬含量低，影响 Cr2O3钝化膜的形成、降低钢的抗氧化性能，又不利于固溶强化和第二相强化，进而降低钢的高温强度、硬度和耐磨性能，铬含量过高，增加成本，容易开裂，故铬含量选。

7、定在 20.0 46.0的范围内。根据介质不同，在此范围变动。 0008 镍 (Ni) ：是稳定奥氏体基体和提高高温强度的主要元素。适宜的镍含量可防止铸件变形和开裂。镍含量过低，不利于获得稳定的奥氏体基体，而且铸钢的强度和硬度也降低。镍含量过高，增加成本。故镍含量选定在 7.0 50.0的范围内，根据应用介质不同，在此规范内变动。 0009 铜 (Cu) ：对耐金属粉化材料进行的研究证实，在某些介质中，形成稳定连续的氧化物层以防止渗炭以及金属粉化所需的最低铬含量为 28。高的铬含量影响到相的稳定性，所以又加入了铜， Nb-Cu 复合强化铸钢表面质量好，抗起皱性好。

8、，耐蚀性好，耐磨性也好， Cu 的共格强化提高了抗蠕变强度。加 Cu 的高温耐热耐磨铸钢抗热裂性能好。这是全国电厂急需解决的问题。 0010 钒 (V) ：钒是本钢中不可替代的重要合金元素。钒是强碳化物形成元素，高的碳化物含量是构成高温耐热耐磨铸钢特性的基础。加 V 之后形成 MC 型碳化物，具有最高的高温硬度和高温组织与性能稳定性。碳化钒 VC 高温时不溶于奥代体而存在于剩余相中，起细说明书 CN 103938106 A 3 2/3 页 4 化晶粒的作用；氮化钒 (VN) 比碳化钒能更有效地强化和细化晶粒，提高本钢的耐磨性、耐高温腐蚀性、韧性、强度、延。

9、展性、抗高温蠕变等综合力学性能，并使钢具有良好的可焊接性能，这对高温炉烟管和燃烧器喷口非常重要。当钒碳比超过 5.7 时，可大大提高抗高温腐蚀能力。本钢的耐磨性随着含钒量的增加而提高，当钒含量超过 2时，耐磨性明显提高。 0011 铌 (Nb) ：是强烈形成炭化物元素。主要强化晶界，可显著提高铸钢的高温强度、硬度和耐磨性能，并可细化晶粒。本发明铸钢的铌含量选定在 0.04 2.5的范围内。 0012 氮 (N) ：氮在高温耐热耐磨钢起着重要的、其它元素难以替代的作用。是最有效的镍当量，强烈的稳定奥氏体基体，与炭一起形成炭氮化物强化相。V(C、 N)、 Nb(。

10、C、 N) 细化晶粒，提高耐高温水腐蚀， Cr、 N、 V、 Nb 的复合运用，在本钢中形成大量细小高度弥散分布的 CrVN、 CrNbN，起沉淀强化作用，氮化钒、氮化铌均是硬质合金，使本钢特别耐磨；随着钢中含氮量的增加，促进了保护膜中 Cr2O3含量的增长，并提高了致密度，提高了耐热腐蚀能力。 0013 稀土 (RE) ：加入微量稀土元素可净化钢水，使氧化膜更加稳定，显著提高铸钢的抗氧化性能。但是，加入过多稀土元素会产生非金属夹杂物，损害铸钢的机械性能，故稀土含量选定至 0.05 0.5的范围内。 0014 硅 (Si) ：与铬元素一起形成致密的氧。

11、化膜，有利于铸钢的抗氧化性能。但是硅易形成显著降低铸钢强度的化合物，故将硅含量控制在 1.36 2.50的范围内。 0015 锰 (Mn) ：是稳定奥氏体基体的元素，并且具有固溶强化作用，适宜的锰含量使氧化膜稳定。但是，它损害铸钢的抗氧化性能，故将锰含量控制在 0.83 2.50的范围内。 0016 磷 (P) 和硫 (S) ：磷和硫为本发明铸钢的有害元素，应尽可能地降低其含量，其控制范围分别为 P 0.06 S 0.04。 0017 本发明铸钢与目前使用的高温耐热耐磨钢，特别是用于制造火力发电厂锅炉燃烧器喷口 ZG80Cr33Ni9N 钢和冶金工厂导板用 ZG1。

12、00Cr35Ni19 铸钢相比，具有以下优点： 0018 1、本发明铸钢中加入了 V、 Nb 元素，细化了晶粒，在提高强度的同时，又提高韧性，使其抗时效裂纹，这对喷口用钢起支柱作用。 0019 2、本发明铸钢中，有足够的炭、氮含量， V、 Nb、 N 复合应用既提高了强度又改善了抗晶间腐蚀性能。氮化钒、炭化钒、氮化铌、炭化铌都是硬质合金，所以在高温下耐磨，抗煤粉冲刷性能好。 0020 3、本钢中加入了铜元素， Nb、 Cu 的复合应用提高了钢的抗蠕变性能，因而抗热裂性能好。加铜也提高了耐磨性能。特别是 Cr、 Cu 的复合应用使本钢提高含铬量成为可能，。

13、甚至达到超高铬 (46 ) 的水平，因而更加耐磨。 0021 4、本钢中加入了钒元素， V、 N 的复合应用生成的氮化钒，使本钢具有良好的可焊性，氮化钒中的氮比碳化钒能够更有效地强化和细化晶粒，提高综合力学性能，而且有去除钢中夹杂物的作用。本钢具有高的红硬性和高的耐磨性。 0022 5、本发明铸钢中 Cr 含量高， Mn 含量低 ( 与 ZG80Cr26Ni4Mn3N 喷口用钢相比 )，同时还加入了硅元素，使 Si、 Nb 复合应用，改善了氧化膜结构，故本发明铸钢具有很高的抗氧化性能。 0023 6、本发明铸钢综合性能好，不仅具有高的高温强度、硬度和抗氧。

14、化性能，而且具有高的高温耐磨性能。本发明铸钢的高温强度和抗氧化性能均显著高于 Haynes556 合金。 0024 7、本发明铸钢不仅可用于制造火力发电厂锅炉燃烧器喷口、高温炉烟管、流化床说明书 CN 103938106 A 4 3/3 页 5 风帽、波纹板叶片，而且还用于制造轧钢厂导板，冶金烧结篦条等高温耐热耐磨构件，使用寿命可提高 2 10 倍。 0025 下面用实施例进一步说明本发明高温耐热耐磨铸钢。实施例： 0026 按照本发明铸钢的化学成分范围进行配料，在 150 公斤感应炉中进行冶炼，共炼了 5 炉钢，各种钢的化学成分见表 1。综合脱氧，适温。

15、浇注。对于 1# 合金，测定其各项性能，结果列于表 2。 0027 表 1 ：本发明耐热耐磨铸钢的化学成分 ( 重量 ) 0028 0029 表 2 ：本发明耐热耐磨铸钢的高温力学性能 0030 温度0.2 MPab MPa 100038.6252.6048.2253.60 110067.4280.2061.3057.31 120041.2052.4228.3228.63 0031 含钴 20的 Haynes556 合金在 1100的 b 为 50MPa，而一号合金为 80.2MPa ； Haynes556 合金其在 1200， 400 小时的氧化增重为 3.8945 克。而一号合金 400 小时的氧化增重为 1.6563 克。由此可见本发明耐热耐磨铸钢的高温强度和抗氧化性能均高于 Haynes556 合金，用 1# 合金铸造火力发电厂锅炉燃烧器喷口，在双辽电厂的实际使用证明寿命已达 12 年，达到三个大修期并且在继续运行中。用本钢制作的导板，经钢厂使用，表面质量好，抗起皱性好，提高了钢材的表面质量，寿命提高了五位以上。说明书 CN 103938106 A 5 。

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