CN101210304A - 用于压缩机叶轮的马氏体沉淀硬化不锈钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压缩机叶轮材料领域，具体为一种用于压缩机叶轮的马氏体沉淀硬化不锈钢及其制备方法，解决现有技术中存在的综合力学性能不够以及叶轮铣制加工后热处理的变形导致叶型变化从而影响产品气动性能等问题，进一步提高了压缩机叶轮强度，利于铣削加工。按重量百分比计，其化学成分为：C≤0.10％；Cr 10～18％；Ni 4～8％；Mo 0.3～2.5％；Cu 1～5％；Nb 0.1～0.5％；Si≤1.0％；Mn≤1.0％； S≤0.03％；P≤0.03％；Fe余量；经过熔炼锻轧后，进行固溶处理和时效处理相结合的热处理。本发明通过对钢的化学成分、显微组织和材料性能的研究，选定钢的化学成分，研究钢的制造工艺，以达到其金相组织、力学性能及耐蚀性能的要求。

Description

用于压缩机叶轮的马氏体沉淀硬化不锈钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及压缩机叶轮材料领域，具体为一种用于压缩机叶轮的马氏体沉淀硬化不锈钢及其制备方法。

背景技术

根据1976年引进的意大利新比隆公司的离心压缩机制造专利，离心压缩机叶轮材料为FV520(B)，当时未引进叶轮材料技术。申请人从1980年制定了FV520(B)钢的化学成分控制范围并与齐齐哈尔钢厂共同研究了其冶炼、锻造、焊接及热处理等工艺，开始用该钢制造离心压缩机叶轮并取得了成功。随着产品的发展，尤其是半开式铣制叶轮及整体铣制叶轮的发展，该钢的缺点就表现出来。首先该钢经固溶、调整及时效处理后只能保证σ_0.2≥1029MPa，σ_b≥1078MPa强度级综合力学性能要求。第二，对铣制叶轮FV520(B)钢需经固溶化并两次过时效处理才能进行铣削加工，铣削加工后需经调整及时效处理后，强度方可达到技术要求，在调整处理时易导致叶轮叶型变化，影响了产品的气动性能，进而影响了新产品的开发及应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于压缩机叶轮的马氏体沉淀硬化不锈钢及其制备方法，解决现有技术中存在的综合力学性能不够以及叶轮铣制加工后热处理的变形导致叶型变化从而影响产品气动性能等问题，进一步提高了压缩机叶轮强度，利于铣削加工。

本发明的技术方案是：

一种用于压缩机叶轮的马氏体沉淀硬化不锈钢，按重量百分比计，其化学成分为：

C≤0.10％；Cr 10～18％；Ni 4～8％；Mo 0.3～2.5％；Cu 1～5％；Nb 0.1～0.5％；Si≤1.0％；Mn≤1.0％；S≤0.03％；P≤0.03％；Fe余量。

所述的马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，包括熔炼、热处理工艺，所述热处理工艺如下：

(1)在1050℃±10℃下，按工件有效厚度每100mm保温2.5～3小时，水冷、油冷或风冷至室温；

(2)根据叶轮力学性能要求，在470-630℃范围内选取时效温度，叶轮保温4～6小时，空冷。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过对钢的化学成分、显微组织和材料性能的研究，选定钢的化学成分，研究钢的制造工艺，以达到其金相组织、力学性能及耐蚀性能的要求，可达到σ_0.2≥1175MPa，σ_b≥1220MPa强度级综合力学性能要求。

2、本发明钢种在固溶处理后即可进行铣削加工，铣削加工后只需进行低温时效就可达到强度要求。既节约了三道热处理工序，节约了电能，更重要的是解决叶轮铣制加工后热处理的变形导致叶型变化从而影响产品气动性能。

3、本发明钢种克服了FV520(B)钢的缺点又继承了其高强韧性、可焊接、可锻轧、可铸造的优点，且易于铣削加工和时效硬化，并能满足新产品发展的需要，不断地为石化、冶金、环保等工业部门提供体积小、重量轻、效率高、节能好、长期安全运转的透平压缩机。

具体实施方式

本发明钢种命名为S520(B)，按重量百分比计，其化学成分为：C≤0.10％；Cr 10～18％；Ni 4～8％；Mo 0.3～2.5％；Cu 1～5％；Nb 0.1～0.5％；Si≤1.0％；Mn≤1.0％；S≤0.03％；P≤0.03％；Fe余量。S520(B)钢可根据不同的服役条件，经不同热处理后达到不同强度级别和抗蚀性能的技术要求，并按表1规定选取强度级别。

本发明钢种的化学成分优化及应用实例如下：

碳：碳在沉淀硬化不锈钢和在其它钢种一样也是奥氏体形成元素，调整铬不锈钢的碳含量，可使不锈钢的铁素体基体组织为马氏体所代替：碳还可使沉淀硬化不锈钢中的马氏体基体上产生碳化物的时效沉淀，出现第二相的沉淀强化效应。这对钢的强度、硬度和耐磨性的提高无疑是有利的；同时，当形成碳化物时要消耗一定数量的铬，这有害于钢的耐蚀性；而且碳化物沿晶界析出，义是引起钢产生晶间腐蚀的主要因素，并有可能导致晶间性应力腐蚀开裂。此外，为改善钢种的塑性形变成形性和可焊性，将碳含量控制在0.10％以下是适宜的。

铬：铬是马氏体沉淀硬化不锈钢中的主要合金元素，对钢的耐蚀性起着决定性作用。当铬含量达到和超过10％时，钢的耐蚀性发生突变性的改善；此外，铬是强烈铁索体形成元素和缩小r-区元素，铬含量高固溶处理后得不到全马氏体组织，部份铁素体的存在将影响钢的力学性能；铬还降低马氏体转变温度，右移TTT曲线，提高钢的淬透性，增加钢的475C脆性。综上所述，铬含量控制在10～18％。

镍：镍是马氏体沉淀硬化不锈钢中不可缺少的重要元素之一。镍是奥氏体形成元素，扩大r-相区，随着钢中镍含量的增加，奥氏体相区向高铬方向移动，能保证沉淀硬化不锈钢在固溶处理后得到马氏体组织。和铬一样，镍也降低马氏体转变温度且其作用更强，镍含量过高，钢冷至室温会形成更多的残余奥氏体，从而导致材料强度降低。故考虑沉淀硬化不锈钢中其它合金元素的综合作用结果，确定含镍量控制在4～8％为宜。

铜：铜是一种较弱的奥氏体形成元素，其形成奥氏体的能力约为镍的30％。铜对相变温度无明显的影响，仅使马氏体开始转变的温度和转变终了温度略有降低。铜在沉淀硬化不锈钢中是强时效硬化元素，随着强化效应的增强，也导致材料塑性的降低。同时，铜在沉淀硬化不锈钢中能提高钢在盐酸和硫酸中的耐蚀性能，也提高钢的应力腐蚀抗力。一般控制在1.0～5.0％之间。

钼：钼是铁素体形成元素，产生固溶强化，低钼量形成M2X相增加时效硬化效果，高钼量时形成Laves相或Chi相等，引起沉淀强化；钼对马氏体沉淀硬化不锈钢中马氏体转变温度(Ms点)的影响较镍要小，只有钢中镍和钴高时才强烈降低Ms点。2％Mo使不同固溶处理状态的17Cr-4Ni钢保持较高的硬度，钼含量超过一定值后，由于铁素体数量的增加，硬度急剧降低。钼对沉淀硬化不锈钢塑性的影响与其它时效硬化元素相比塑性降低的影响较为缓和。钼促进Fe-Cr合金钝化以及钼形成钼酸盐后的缓蚀作用，故钼能提高铬镍钢在硫酸、盐酸、磷酸及有机酸中的耐蚀性，并能有效地抑制氯离子的点腐蚀倾向，提高钢的抗晶间腐蚀能力。钼含量一般控制在0.3～2.5％。

铌：铌是一种较弱的铁素体形成元素，也是一种强碳化物形成元素。在马氏体沉淀硬化不锈钢中与碳结合形成稳定的碳化物，减少了固溶体中的碳含量而降低了碳的平衡-铁素体的作用，并引起沉淀硬化效应，使马氏体沉淀硬化不锈钢的强度及硬度提高，同时增加了钢的抗回火性能。铌是强碳化物形成元素，在钢中优先形成铌的碳化物而减少有害的碳化物(Cr₂₃C₆)的形成，提高了钢中有效铬含量和减轻了因Cr₂₃C₆析出而引起的铬的贫化程度，因而改进了不锈钢的耐蚀性。铌控制在0.10～0.50％之间。

综合上述，加入不锈钢中的合金元素基本上分成两类，一类以镍为代表的奥氏体形成元素还有碳、氮、锰、铜等；另一类以铬为代表的铁素体形成元素还有钼、硅、铌和钛等。分别以镍当量和铬当量来表示；从上面分析，这种分类在很大程度上只考虑到化学成分对-铁素体数量的影响，而没有考虑化学成分对马氏体转变温度的影响。实践证明，重视前者或后者忽略任何一方都是不妥的，结果必然导致钢的性能恶化，不是韧性降低就是强度降低。为保证马氏体沉淀硬化不锈钢高强韧性的技术要求，在钢种范围内必须严格控制钢的具体成分范围，即要全面控制形成铁素体的铬当量和形成马氏体的铬当量的要求。如表1所示，为保证高强韧性的技术要求，钢的化学成分必须保证Cr^F≤4.6～5.2和-9≤Cr^M≤-5.5～-6.2，如表1中序号7～14所述。而当Cr^F≥4.6～5.2和Cr^M≥-5.5～-6.2时，钢中易出现δ-F造成材料冲击韧性的降低，如表1中序号3～5所示。当Cr^M≤-9时易出现过量的Ar而导致强度降低，如表1中序号1～2所示。

表1本发明钢种形成铁素体的铬当量和形成马氏体的铬当量对性能的影响

序号	CrF	CrM	σ0.2/MPa	σb/MPa	δ5/％	ψ/％	AKV2(AKU2)/J
								1	5.211	-9.586	315	650	40	75	262，240
2	5.211	-9.586	330	720	23	62	116，120
								3	5.695	-4.683	1120	1160	11	50	(26.4，30.4)
4	6.39	-4.636	1110	1160	10	49	(20，16)
								5	6.39	-4.636	1045	1075	14	62	(14.4，22.4)
6	5.689	-6.060	1175	1210	7	40	(20，24)
								7	4.817	-7.490	1177.9	1211.4	13	59.5	(80，84)
8	4.817	-7.490	1180	1230	13.3	60.6	(74，74)
								9	4.052	-6.482	1171	1195	15	65.4	(130，140)
10	4.383	-7.674	1290	1340	12	54	(57，57)
								11	4.508	-6.926	1194.5	1235.6	13.3	60.2	94，98
12	4.383	-7.674	1200	1280	16.5	57.5	(49，56)
								13	4.508	-6.926	1295.1	1329.5	13.3	56.7	58，53
14	4.383	-7.674	1240	1310	15	56	(54，60)

表中，Cr^F表示形成铁素体的铬当量；Cr^M为形成马氏体的铬当量；A_KV2、A_KU2分别表示V型、U型缺口试样的冲击功，括号内的数据为A_KU2。

表2本发明钢种化学成分实例

钢号及强度级别	C	Cr	Ni	Mo	Cu	Nb	Si	Mn	S	P	Fe
												S520(B)-1	0.035	14.45	6.43	0.70	1.45	0.420	0.62	0.68	0.019	0.023	余量
S520(B)-2	0.03	14.31	6.32	0.68	1.30	0.383	0.567	0.641	0.001	0.01	余量
												S520(B)-3	0.045	15.5	4.00	0.30	3.05	0.26	0.37	0.53	0.005	0.025	余量
S520(B)-4	0.065	13.84	5.20	1.43	1.48	0.28	0.40	0.42	0.012	0.013	余量
												S520(B)-S1	0.057	13.63	5.36	1.32	1.33	0.25	0.32	0.45	0.015	0.012	余量
S520(B)-S2	0.05	13.79	5.36	1.52	1.63	0.42	0.40	0.58	0.011	0.023	余量
												S520(B)-S3	0.05	13.35	5.74	1.33	1.58	0.34	0.37	0.79	0.001	0.023	余量

表3本发明叶轮锻件本体试样的力学性能(切向)

表中，A_KV表示平均冲击功(三个试样取平均值)，其括号中的数值为三个试样中最低值；a_ku表示冲击韧性。

本发明钢种的材料规范及热处理过程如下：

本发明钢种的熔炼采用电炉冶炼加氩氧精炼加电渣重熔，经过上述常规的冶炼以及锻轧后，本发明S520(B)钢经不同热处理后可满足叶轮在不同工况下服役的要求。根据叶轮服役条件按表3具体选定材料规范并按表4选择相应的热处理规范。首先，根据叶轮的强度计算(力学因素)及叶轮的工作温度及输送介质(环境因素)，并考虑到材料在不同服役条件下所表现的强度、塑性、韧性、均匀腐蚀抗力、疲劳抗力、腐蚀疲劳抗力、应力腐蚀抗力和抗点蚀能力等材料因素，上述三个主要方面进行材料规范的选择。一般情况下，按叶轮所受应力大小选择屈服强度Rp0.2并辅之予适当的塑性及韧性配合。按Rp0.2＝K[σ]，其中K为安全系数，σ为切向应力。由表3选择S520(B)-1/S520(B)-4；在高压氢气和含硫化氢的介质下服役的叶轮按表3选择S520(B)-S1/S520(B)-S3。按设计技术要求和表4选择相应的热处理工艺。

表4本发明钢种热处理规范

钢号及强度级别	热处理
		S520(B)-1	1050℃，按工件有效厚度每100mm保温2.5～3h，水冷、油冷或风冷+480℃，保温4～6h，空冷
S520(B)-2	1050℃，按工件有效厚度每100mm保温2.5～3h，水冷、油冷或风冷+510℃，保温4～6h，空冷
		S520(B)-3	1050℃，按工件有效厚度每100mm保温2.5～3h，水冷、油冷或风冷+540℃，保温4～6h，空冷
S520(B)-4	1050℃，按工件有效厚度每100mm保温2.5～3h，水冷、油冷或风冷+570℃，保温4～6h，空冷
		S520(B)-S1	1050℃，按工件有效厚度每100mm保温2.5～3h，水冷、油冷或风冷+610℃，保温4～6h，空冷
S520(B)-S2	1050℃，按工件有效厚度每100mm保温2.5～3h，水冷、油冷或风冷+600℃，保温4～6h，空冷
		S520(B)-S3	1050℃，按工件有效厚度每100mm保温2.5～3h，水冷、油冷或风冷+620℃，保温4～6h，空冷

表5本发明钢种与现有技术钢种各项指标对比

Claims (2)

1.一种用于压缩机叶轮的马氏体沉淀硬化不锈钢，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：

C≤0.10％；Cr 10～18％；Ni 4～8％；Mo 0.3～2.5％；Cu 1～5％；Nb 0.1～0.5％；Si≤1.0％；Mn≤1.0％；S≤0.03％；P≤0.03％；Fe余量。

2.按照权利要求1所述的马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，包括熔炼、热处理工艺，其特征在于所述热处理工艺如下：

(1)在1050℃±10℃下，按工件有效厚度每100mm保温2.5～3小时，水冷、油冷或风冷至室温；

(2)根据叶轮力学性能要求，在470-630℃范围内选取时效温度，叶轮保温4～6小时，空冷。