CSP爐底輥用鈷基高溫合金及其抗氧化性能研究.pdf

1、鈷基高溫合金因其優(yōu)異的高溫機械強度和抗氧化性在航空航天及其他國防軍工領域中有著不可替代的地位。在民用領域，鈷基高溫合金因為其昂貴的材料成本，應用還不是十分廣泛。CSP（Compact Strip Production，短流程煉鋼軋鋼）爐底輥輥環(huán)之前使用的進口鈷基高溫合金牌號為 UMCo50，其合金成分主要為鈷48~52wt.％，鉻27~29wt.%，鐵21wt.%和少量其它元素。這種合金具有良好的高溫穩(wěn)定性和一定的高溫強度，能滿足 CS

2、P生產(chǎn)線的基本使用要求。但這種牌號的合金缺點也同樣明顯，該合金中高達50%的鈷含量大大提高了輥環(huán)的成本，而輥環(huán)需要進口又進一步增加了成本。本文針對爐底輥輥環(huán)合金，對其成分進行了重新設計，以達到在不損失高溫性能的前提下降低其鈷含量，研究合金中各種微量元素對于其高溫氧化性能的影響，探討這種合金的高溫氧化機理及各種元素在氧化行為中的作用。
　　開發(fā)了一種新型的鈷基高溫合金，成分為22Co-21Ni-23Fe-29Cr-Nb-Si-Mn（

3、簡稱為 Co22合金），用該合金制備出成套的輥環(huán)零件，并交付某鋼鐵公司試用。使用結果表明，生產(chǎn)的輥環(huán)外形尺寸精度達到了技術要求，所研制的爐底輥上線使用至今超過36個月，大大超過進口 UMCo50輥環(huán)的使用壽命。Co22合金的高溫壓縮性能高于 UMCo50合金，高溫抗氧化性能接近于 UMCo50合金，材料成本遠低于UMCo50合金。
　　研究了加入0.0~0.03wt.%的混合稀土對于 Co22合金高溫氧化性能的影響。結果表明，10

4、50~1250℃下Co22合金未添加稀土元素和添加0.03wt.%的混合稀土元素的試樣在100h氧化試驗中氧化增重均符合二次拋物線規(guī)律。兩種合金氧化后生成的保護性氧化層結構類似，均是最外層為 MnCr2O4尖晶石層，次外層為 Cr2O3層，內(nèi)層為 SiO2不連續(xù)氧化侵入。MnCr2O4尖晶石晶體為亞微米級，直徑在0.9微米左右，保護作用非常顯著。稀土元素的強化作用主要表現(xiàn)在顯著提高了氧化層的抗剝落性，原因是氧化反應初期稀土元素在晶界處生

5、成了稀土氧化物，后續(xù)氧化層以稀土氧化物為基底進行生長，稀土氧化物起到了很好的釘扎作用。
　　系統(tǒng)研究了1050~1250℃下0.0~2.0wt.%Mn元素對于 Co22合金高溫氧化性能的影響。結果表明：含 Mn元素的Co22合金試樣表現(xiàn)出兩段式拋物線規(guī)律，而不含 Mn的Co22合金試樣呈現(xiàn)單段式拋物線規(guī)律。Co22合金的高溫抗氧化性隨著Mn含量加入量的增加逐漸上升。Co22合金在不加入 Mn時，氧化層以 Cr2O3和SiO2為主，

6、有少量的Fe-Cr、Ni-Cr尖晶石瘤分布在表面。加入 Mn后，氧化膜變?yōu)榍逦娜龑咏Y構，即表層的MnCr2O4尖晶石，中間層的Cr2O3和內(nèi)層的SiO2。Mn元素在氧化初期被大量消耗產(chǎn)生的貧 Mn帶是出現(xiàn)不同氧化規(guī)律的主要原因，而致密的MnCr2O4尖晶石層的形成是Mn強化Co22高溫抗氧化性能的主要原因。
　　系統(tǒng)研究了1050~1250℃下0.0~2.0wt.%Si元素對于 Co22合金高溫氧化性能的影響。結果表明：不同溫度

7、下的氧化動力學均符合拋物線規(guī)律，在三種溫度下，氧化反應速率隨 Si含量的增加而降低。表面氧化物剝落程度也隨 Si的增加而降低。不含 Si的試樣，氧化產(chǎn)物主要由 Cr2O3、MnCr2O4和 CrNbO4組成，而含有 Si的試樣，其氧化產(chǎn)物中增加了 SiO2。從氧化物層的形態(tài)來看，不含 Si的試樣其內(nèi)層為Cr2O3層，外層為MnCr2O4尖晶石層，球狀的CrNbO4附著在尖晶石上，也有大塊狀的CrNbO4分布在基體-氧化物界面處；而含有

8、Si的試樣，在原本的Cr2O3層內(nèi)部還有一層 SiO2內(nèi)氧化侵入，為不連續(xù)的針狀結構。SiO2層的形成是氧化速率降低和氧化膜粘附性提高的最主要原因。降低氧化速率得益于 SiO2的擴散阻礙作用以及對Nb的固定作用。氧化膜粘附性的提高得益于針狀 SiO2的釘扎效應，提高了基體-氧化界面的結合力。
　　開發(fā)了一種 Co22合金表面預氧化處理工藝，工藝十分簡單易行，參數(shù)為1200℃下氧化5min。研究了該預氧化處理工藝對于 Co22合金高