CN101638753A

CN101638753A - 一种免固溶处理高性能双相不锈铸钢及其制造方法

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Publication number: CN101638753A
Application number: CN200910306118A
Authority: CN
Inventors: 向红亮; 刘�东; 何福善
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2029-08-26
Also published as: CN101638753B

Abstract

本发明提供一种免固溶处理高性能双相不锈铸钢及其制造方法，所提供的双相不锈铸钢材料在铸态下的力学性能及耐蚀性能超过经固溶处理的超级双相不锈铸钢，在保证材料性能的前提下，能达到节能减排的目的；同时由于该合金含镍量低于超级双相不锈铸钢，使得成本下降，具有显著经济效益。在成型过程中，设备要求及工艺简单，可制造各种形状复杂的零件。所制备的双相不锈钢铸钢能广泛应用于石化工业、海洋工程等强腐蚀环境。

Description

一种免固溶处理高性能双相不锈铸钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及属于双相不锈铸钢材料技术领域，具体的说是涉及一种免固溶处理的高性能高氮低镍双相不锈铸钢合金材料及其制造方法。

背景技术

双相不锈钢同时具备铁素体和奥氏体不锈钢的优点。与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的韧性高、脆性转变温度低、耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，且保留了铁素体不锈钢的热导率高、线膨胀系数小、具有超塑性等特点；而与奥氏体不锈钢相比，则其强度较高，特别是屈服强度显著提高，且耐晶间腐蚀、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能都有明显的改善。

中国自二十世纪七十年代中期开始发展双相不锈钢，钢铁研究总院最早从事这方面的工作，00Cr₁₈Ni₅Mo₃Si₂双相不锈钢已纳入国家标准GB1220、GB3280、GB4237。八十年代初期，在分析国外双相不锈钢发展的基础上，研究了氮元素在改善双相不锈钢耐应力腐蚀和孔蚀的机制，并且结合国内各特殊钢厂生产含氮不锈钢的成熟经验，确定了以发展含氮双相不锈钢为主的研究方向。五二研究所研制成功了新型稀土双相不锈钢SG52，该钢采用稀土改性，并以氮代镍，具有良好的力学性能、工艺性能和抗腐蚀性能。上海大学肖学山申请了多项双相不锈钢专利，但都需要固溶处理而且对耐蚀性没有研究。

为了满足一些极端恶劣环境对材料耐腐蚀性的要求，许多科研机构一直致力于开发具有更高耐蚀性的超级双相不锈钢，这些新钢种普遍特点在于含有很高的铬、钼、氮元素。而作为不锈钢重要组成成分的镍元素，其原料价格约占不锈钢价格的40％-45％，镍金属最大用户就是不锈钢，其比率达到65％。由于近几年不锈钢需求旺盛，我国镍资源远远满足不了不锈钢行业的需求，仍需进口大量的镍金属。在镍金属严重紧缺的情况下，如何少用镍甚至不用镍，发展新型的低镍不锈钢是一个途径。而氮元素作为镍的替代加入元素，可提高奥氏体稳定性、平衡双相不锈钢中相的比例，在不影响钢的塑性和韧性的情况下提高钢的强度，代替不锈钢中镍的作用最突出。工程与材料科学部也将发展以氮代镍的资源节约型不锈钢列入金属学科2006至2010年的研究目标。免固溶处理技术的应用，能在保证材料性能达到要求的前提下，达到省能，省劳动力和省设备的目的。所以研究开发免固溶处理的高氮低镍型超级双相不锈铸钢不仅可以满足日益增长的不锈钢需求，而且可以创造巨大的经济效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种免固溶处理高性能双相不锈铸钢及其制造方法，本发明所提供的双相不锈铸钢材料在铸态下的力学性能及耐蚀性能超过经固溶处理的超级双相不锈铸钢，在保证材料性能的前提下，能达到节能减排的目的；同时由于该合金含镍量低于超级双相不锈铸钢，使得成本下降，具有显著经济效益。在成型过程中，设备要求及工艺简单，可制造各种形状复杂的零件。所制备的双相不锈钢铸钢能广泛应用于石化工业、海洋工程等强腐蚀环境。

本发明所述高氮低镍的高性能双相不锈铸钢含有下列重量百分比的化学成分：C≤0.03％；Si≤0.5％；Mn：0.8％-1.5％；Ni：5.8％-7.5％；Cr：28％-30％；Mo：1.5％-2.6％；Cu：0.7％-0.9％；N：0.3％-0.5％；V+W≤0.5％；剩余成分为铁，以上元素构成了具有高性能的双相不锈铸钢材料。

本发明所述高氮低镍的高性能双相不锈铸钢的制备方法的主要步骤包括：

(1)炉料及其准备：

所述炉料为：原料有不锈钢(316L不锈钢)、钼铁(含碳量小于0.2％，含钼量大于60％)、微碳铬铁(含碳量小于0.03％，含铬量大于60％)、电解铜(含铜量大于99.0％)、氮化合金(氮化铬铁)(含碳量小于0.03％，含氮量大于8％)和钨铁(含钨量大于70％)，工业纯铁。所述炉料按照重量百分比为：不锈钢65-66％、钼铁1.1-1.4％、微碳铬铁21-23％、电解铜0.7％、氮化合金6.8％、钨铁0.4％、余量为工业纯铁，所述炉料的重量总和为100％。

(2)加料制备：

按照所述的原料用量，先加不锈钢融化形成熔池，然后分别加入工业纯铁、钼铁、微碳铬铁、电解铜和钨铁；当温度达到1620℃时，采用普通硅钙锰合金按常规不锈钢脱氧方式进行脱氧，合金加入量为总重量的0.4％。脱氧处理后，加入氮化合金起增氮作用，加入后大约3-5min后，充分吸收排渣，最后进行浇注成形，制备成各种双相不锈铸钢铸件。

本发明的显著优点是：本发明采用上述科学合理的成分设计和工艺方法制造的双相不锈钢铸件与经过固溶处理的铸造ASTM 6A相比，具有更好的力学性能和耐蚀性，可应用于石化工业、海洋工程等强腐蚀环境。同时，由于采用液态成型工艺，可制造各种形状复杂的零件；成本降低显著，设备要求简单，省时省力，具有显著的经济效益。

附图说明

图1是对比例1中经固溶处理双相不锈铸钢在室温人工海水中的极化曲线。

图2是实施例1中免固溶处理双相不锈铸钢在室温人工海水中的极化曲线。

图3是实施例2中免固溶处理双相不锈铸钢在室温人工海水中的极化曲线。

具体实施方式

制备步骤如下：

(1)炉料及其准备：

所述炉料为：原料有不锈钢(316L不锈钢)、工业纯铁(含碳量小于0.003％)、钼铁(含碳量小于0.2％，含钼量大于60％)、微碳铬铁(含碳量小于0.03％，含铬量大于60％)、电解铜(含铜量大于99.9％)、氮化铬铁(含碳量小于0.03％，含氮量大于8％)、钨铁(含钨量大于70％)所述炉料按照重量百分比如下表：炉料(不锈钢、钼铁、微碳铬铁、电解铜、氮化铬铁、钨铁和工业纯铁)的重量总和为100％。

炉料	316L不锈钢	钼铁	电解铜	微碳铬铁	氮化铬铁	钨铁	工业纯铁
炉料	316L不锈钢	钼铁	电解铜	微碳铬铁	氮化铬铁	钨铁	工业纯铁	加入百分比：wt％	65-66	1.1-1.4	0.7	21-23	6.8	0.4	余量

(2)加料制备：

按照所述的原料用量，先加不锈钢融化形成熔池，然后分别加入工业纯铁、钼铁、微碳铬铁、电解铜、钨铁；当温度达到1620℃时，采用普通硅钙锰合金按常规不锈钢脱氧方式进行脱氧，合金加入量为总重量的0.4％。脱氧处理后，加入氮化合金起增氮作用，加入后大约3-5min后，等充分吸收排渣后，最后进行浇注成形，制备成各种双相不锈铸钢铸件。

(3)成形控制

对于零件复杂的精密件采用熔模铸造时，将现场焙烧后温度约为1100℃的模壳降低到700℃左右浇注；如果是焙烧后的冷模壳则在浇注前需加热到上述温度才能浇注，模壳在高温的状态下可保证液态金属具有良好的流动性从而起到充填的作用，避免形成浇不足缺陷。在凝固冷却时，在模壳放置于湿砂床加大底部冷却能力，起到顺序凝固的作用，避免产生气孔缺陷。对于尺寸及重量大的铸件采用砂型铸造时，要在关键部位及热节处采用冷铁起加快冷却的作用。为了消除冷铁导致铸件产生不良外观，需在冷铁表面敷一层15-20mm厚度的型砂。铸件在凝固过程中，如果在950-1000℃长时间停留时，会产生金属间化合物σ相恶化力学性能，在铸造应力作用下导致铸件开裂，为了加快整体的冷却能力，需在型砂中加入钢丸起到整体降温的作用。如果铸件中空，那么需在泥芯中通入冷却铜管，加快冷却作用，使铸件快速通过该温区。在浇注前还要通过计算机模拟凝固时的温度场，以便进行实时打箱控制

以下用实施例对本发明做更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

实施例

采用中频感应炉熔炼钢水，经氮合金化、脱氧后浇注于熔模型壳中浇注成试棒，具体步骤如表1所示。在冷却过程中采取强化冷却措施，冷却后经清砂、切割浇冒口、机加工后获得Φ22mm×220mm的试棒。

表1熔炼步骤

序号	工序	操作要点
序号	工序	操作要点	1	通电熔化	开始通电6-8min内供给60％的功率，待电流稳定后，逐渐增大功率。在引炉料熔化前，炉底需加入精炼剂。
2	加合金炉料	注意捣料，防止挂料。	1	通电熔化	开始通电6-8min内供给60％的功率，待电流稳定后，逐渐增大功率。在引炉料熔化前，炉底需加入精炼剂。
2	加合金炉料	注意捣料，防止挂料。	3	造渣	炉料熔化一半时，加珍珠岩造渣，覆盖铁水。
4	扒渣	待全部熔化后，进行连续的造渣扒渣。	3	造渣	炉料熔化一半时，加珍珠岩造渣，覆盖铁水。
4	扒渣	待全部熔化后，进行连续的造渣扒渣。	5	脱氧	用硅钙锰合金进行脱氧，加入量为炉料总重的0.4％脱氧前应测温。
6	加入氮化铬铁	低速缓慢稳定加入。	5	脱氧	用硅钙锰合金进行脱氧，加入量为炉料总重的0.4％脱氧前应测温。
6	加入氮化铬铁	低速缓慢稳定加入。	7	出水	测温，当温度为1620℃左右时，出炉浇注。

实施例双相不锈铸钢的化学成分如表2所示。

表2化学成分对比表

注：对比例为铸造ASTM 6A

实施例与对比例处理方式如表3所示。

表3固溶处理对比表

序号	处理方式
序号	处理方式	实施例1	铸态
实施例2	铸态	实施例1	铸态
实施例2	铸态	对比例1	1100℃固溶处理2h
对比例2	1150℃固溶处理2h	对比例1	1100℃固溶处理2h
对比例2	1150℃固溶处理2h	对比例3	1200℃固溶处理2h
对比例4	1250℃固溶处理2h	对比例3	1200℃固溶处理2h

按GB22887进行拉伸试验，对本发明实施例双相不锈铸钢进行力学性能测试，结果见表4。

表4力学性能对比表

序号	抗拉强度σ_b/Mpa	延伸率δ/％
序号	抗拉强度σ_b/Mpa	延伸率δ/％	实施例1	830	32
实施例2	825	35	实施例1	830	32
实施例2	825	35	对比例1	777.3	35.2
对比例2	817.9	22.6	对比例1	777.3	35.2
对比例2	817.9	22.6	对比例3	787.4	26.6
对比例4	804.8	26	对比例3	787.4	26.6

从表3可以明显看出，本发明免固溶处理双相不锈铸钢具有良好的强度和塑性，综合力学性能优于对比例中经固溶处理双相不锈铸钢。

采用电化学测量方法，在室温条件下以人工海水为介质对本发明实施例所得双相不锈铸进行测试，结果见表5。

表5腐蚀电流密度对比

序号	腐蚀电流密度/μA·m^-2
序号	腐蚀电流密度/μA·m^-2	实施例1	1.66
实施例2	0.43	实施例1	1.66
实施例2	0.43	对比例1	2.962
对比例2	2.701	对比例1	2.962
对比例2	2.701	对比例3	3.112
对比例4	2.570	对比例3	3.112

从表5可以看出，本发明免固溶处理双相不锈铸钢的耐腐蚀性高于对比例中经固溶处理双相不锈铸钢。

从以上实施例可以看出，本发明免固溶处理双相不锈铸钢具有优良的综合性能，能应用于高强度、高耐蚀环境。

Claims

1.一种免固溶处理高性能双相不锈铸钢，其特征在于：所述双相不锈铸钢中的化学成分为，按照重量百分比：C≤0.03％；Si≤0.5％；Mn：0.8％-1.5％；Ni：5.8％-7.5％； Cr：28％-30％；Mo：1.5％-2.6％；Cu：0.7％-0.9％；N：0.3％-0.5％；V+W≤0.5％；剩余成分为铁。

2.一种如权利要求1所述的免固溶处理高性能双相不锈铸钢的制备方法，其特征在于：所述制备方法的步骤包括：

(1)炉料及其准备：

所述炉料为，按照重量百分比为：不锈钢65-66％、钼铁1.1-1.4％、微碳铬铁21-23％、电解铜0.7％、氮化合金6.8％、钨铁0.4％、余量为工业纯铁，所述炉料的重量总和为100％；

(2)加料制备：

按照所述的原料用量，先加不锈钢融化形成熔池，然后分别加入工业纯铁、钼铁、微碳铬铁、电解铜和钨铁；当温度达到1620℃时，采用普通硅钙锰合金按常规不锈钢脱氧方式进行脱氧，加入量为合金原料总重量的0.4％，脱氧处理后，加入氮化合金起增氮作用，加入3-5min后，充分吸收排渣，最后进行浇注成形，制备成各种双相不锈铸钢铸件。

3.根据权利要求2所述的免固溶处理高性能双相不锈铸钢的制备方法，其特征在于：所述炉料进炉熔炼前需除水、除油及除锈处理，所述氮化合金要制备成尺寸长度为4-20mm的块状，加热到600℃以上。

4.根据权利要求2所述的免固溶处理高性能双相不锈铸钢的制备方法，其特征在于：所述浇注成形中，零件复杂的精密件采用熔模铸造时，将现场焙烧后的模壳温度降低到700℃或者焙烧后的冷模壳加热到700℃浇注；凝固冷却时，将模壳放置于湿砂床冷却。

5.根据权利要求2所述的免固溶处理高性能双相不锈铸钢的制备方法，其特征在于：所述浇注成形中，尺寸及重量大的铸件采用砂型铸造时，在关键部位及热节处采用冷铁起加快冷却；在冷铁表面敷一层15-20mm厚度的型砂，并在型砂中加入钢丸。

6.根据权利要求2所述的免固溶处理高性能双相不锈铸钢的制备方法，其特征在于：所述浇注成形中，铸件中空时，在泥芯中通入冷却铜管。

7.根据权利要求2所述的免固溶处理高性能双相不锈铸钢的制备方法，其特征在于：在浇注前通过计算机模拟凝固时的温度场，以便进行实时打箱控制。

8.根据权利要求2所述的免固溶处理高性能双相不锈铸钢的制备方法，其特征在于：所述不锈钢为316L不锈钢；所述氮化合金为氮化铬铁。