CN102011067A

CN102011067A - 一种耐空泡腐蚀双相不锈钢

Info

Publication number: CN102011067A
Application number: CN 201010586600
Authority: CN
Inventors: 陈希章; 雷玉成; 李涛
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2011-04-13

Abstract

本发明涉及一种耐空泡腐蚀双相钢合金材料，属于合金钢技术领域。它具有铁素体-奥氏体基体，并且铁素体体积百分含量为35-50％，该材料具有高耐海水腐蚀和耐空泡腐蚀性能，其特征在于具有如下的成分及质量百分比：Cr21-24%，Ni5-6.8%，Mn1.5-3%，Mo3-5%，Si0.2-1%，C0.01-0.025%，稀土Ce或者Y0.05-0.1%,余量为Fe。该材料具有良好的结构稳定性和热加工性能，因此适合于制造棒材、管材如焊管和无缝钢管、焊接材料、结构材料。本发明主要用于螺旋桨、海水泵、叶轮叶片等具有空泡腐蚀特性的产品中，其最大耐空泡腐蚀失重低于3mg/5h，在海水环境中具有优异的耐空泡腐蚀性能和海水冲蚀性能，强度高、韧性好。

Description

一种耐空泡腐蚀双相不锈钢

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，特指一种铁素体-奥氏体耐空泡腐蚀双相不锈钢，适用于制作空泡腐蚀条件下的各种构件，并有效提高构件的使用寿命。

背景技术

空泡腐蚀是发生在水轮机、螺旋桨、水泵等流体设备上的腐蚀行为，是由靠近叶片表面的水中的压力差造成的，当局部压力降到水蒸气压以下时，液体中产生空泡或者蒸汽泡，当压力又升到水蒸气压以上时，蒸汽泡突然破灭，向金属表面发出一个冲击波，最终导致构件内金属疲劳，形成裂纹并引起表层材料剥落；船舶上大量使用的叶轮以及螺旋桨目前大多采用铜合金材料，其最大问题是耐空泡腐蚀性能差，寿命短，需要经常更换；尽管铜合金材料不断更新，但是其耐空泡腐蚀性能提高不大，高速螺旋桨的累积寿命仅200-300小时，不能满足需要。因此研究新型材料以提高螺旋桨、水泵等的耐空泡腐蚀能力，延长寿命具有重要意义。

前人对耐空泡腐蚀用的钢材进行了一些研究，文献[1]( 陈刚, 赵玉涛. 铁基块体非晶合金的空泡腐蚀研究,稀有金属材料与工程 2008,37(S4):745-748)分析了Fe74Al4Ga2P12B4Si4铁基块体非晶合金的空蚀过程。分别采用处于晶态和非晶态的铁基块体合金,在自来水中进行超声空化实验,确定了材料特性对空蚀过程的影响。主要是提出了铁基块体非晶合金的耐空蚀机理，超声空化效应下5小时失重超过了10mg，因为非晶合金的特性，不适用于螺旋桨等产品构件制造。美国斯图迪公司的R．迈农等人发明的专利ZL 96193879.X给出了一种抗空泡腐蚀钢，其所述的合金含有，以重量百分比表示，10-40Cr的碳化物形成体，5-15Mn，3.5-7Si，1.8-4.8Ni，0.15-3.5C和B，0-0.3N，其余为Fe。

本发明专利在ZL 96193879.X基础上，根据双相不锈钢中第二相能阻碍裂纹扩展的原理以及奥氏体在水流或者固体颗粒冲击时会发生马氏体转变能吸收部分能量的原理，降低碳元素含量，进一步优化Cr的范围，改变Mn和Ni含量并添加稀土，设计一种铁素体体积百分含量为35-50％铁素体-奥氏体双相耐空泡腐蚀不锈钢，达到提高材料耐空泡腐蚀能力，延长使用寿命的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐空泡腐蚀的铁素体-奥氏体双相不锈钢。

本发明具体技术方案为，一种铁素体-奥氏体耐空泡腐蚀双相不锈钢，其特征在于：Cr 21-24%，Ni 5-6.8%，Mn 1.5-3%，Mo 3-5%，Si 0.2-1%，C 0.01-0.025%，稀土Ce或者Y 0.02-0.1%, 余量为Fe，铁素体体积百分含量为35-50％，S和P的含量控制在0.03％以下。

通过良好的平衡组合元素Cr、Mo、Ni、Mn、Y（Ce）实现这些元素在奥氏体和铁素体中的分配，其中添加稀土Y或者Ce的作用除了传统的细化晶粒作用，在本发明中主要是与硫形成球形硫化物，改善硫化物形态，改善其性能；另外一个作用稳定铁素体比例并保证双相不锈钢的性能，因为空泡腐蚀环境下双相不锈钢性能的降低主要是由于σ相等脆硬金属间相的形成，而金属间化合物尤其是Cr、Mo的化合物又会降低铁素体的稳定性，而稀土在形核过程及凝固过程中能与金属形成球形化合物并能阻碍脆硬相的形成，因此适量的Y或者Ce元素能提高该材料的抗空泡腐蚀性能及铁素体稳定性。此处Y或者Ce 的含量为0.02-0.1%；而碳元素降低是由于碳（C）在铁素体和奥氏体中溶解度有限，有限的溶解度意味着碳化铬析出的危险，因此碳的含量不能超过0.025wt%。

镍（Ni）是奥氏体形成元素，适量的镍还可以获得所需含量的铁素体。可以改善金属在还原介质中的耐蚀性和耐空泡腐蚀性能以及在流动的含泥沙的水中的耐磨蚀性能，为了获得35-50％的铁素体体积百分比和所需的性能，材料中镍含量应在4.0~6.0wt％之间。

锰（Mn）是比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈的稳定奥氏体的作用，同时是有效的脱氧和脱硫剂。锰还可以提高材料强度，含量要求控制在1.5-3wt%。其他元素范围的选择理由如下：铬（Cr）铬是铁素体稳定化元素，能提高大多数类型腐蚀的耐受能力，要求Cr含量保持尽可能高以改善抗腐蚀性能，但是，铬含量过高，将显著增加淬火、回火条件下的稳定铁素体含量，降低材料的硬度和抗拉强度，也易引起金属间化合物的析出危险，同时为了保持Cr元素在铁素体和奥氏体中的分配，要求其含量在21-24wt%。

钼（Mo）能够改善在弱酸环境下和氯化物中的抗腐蚀能力，这有利于海水中的抗腐蚀能力提高，但太高的钼有可能会与铬形成金属间析出物，本发明中钼含量的优选范围应在3％~5％之间。

硅（Si）在生产中主要的脱氧元素，在生产和焊接过程中也会增加金属流动性，但过高的硅含量会产生有害的金属间析出，因此硅的含量优选为0.3~0.8％。

硫、磷都是钢中的有害杂质。应尽量将S、P含量控制在0.03％以下。

根据本发明的材料由于其高合金成分而具有优良的力学性能，具有良好的可加工性能，尤其是热加工性能，如其可焊接性，由此非常适用于生产例如棒材、管材如焊管和无缝管、板材、带材、线材焊材以及结构零件典型的如螺旋桨、水泵叶轮等。

附图说明

图1为空蚀不同阶段下试样的表面形貌；

图1中，(a)为空蚀2.5h后的表面形貌；(b) 为空蚀7.5h后的表面形貌；(c) 为空蚀17.5h后的表面形貌；(d) 为空蚀37.5h后的表面形貌；(e) 为空蚀47.5h后的表面形貌。

具体实施方式

实施例1：

在中频电炉中冶炼本发明耐空泡腐蚀双相不锈钢（标记为1#钢）成分为：Cr 22%，Ni 5%，Mn 2%，Mo 4%，Si 0.6%，C 0.02%，Ce 0.03%, 杂质S和P为0.02%，余量为Fe。冶炼后浇注成钢锭及铸态试样。在超声振动空蚀试验机上进行试验，材料置于5%NaCl+0.03ppm硫化物溶液中，控制温度为恒定20摄氏度，PH值控制在8.1。材料的失重量及累积失重率如表1所示。试样的空泡腐蚀形貌如图1所示，(a)～(e)分别为腐蚀2.5h、7.5h、17.5h、37.5h、47.5h腐蚀后的形貌，如图1a所示，在空蚀进行2.5h后，双相不锈钢表面发生轻微塑性变形，铁素体相上出现局部的凸起。随着空蚀过程的进行，局部凸起变得越来越明显，它们的边缘开始扭曲，在进行7.5h空蚀后的试样表面能清晰的看到（如图1b）。此时，沿着铁素体和奥氏体相边界出现了细小的呈狭长状的浅空蚀坑，铁素体相上的凸起和滑移线明显增多，这种变形导致了铁素体的脆性断裂，这是一种更有效吸收冲击能的方法，周围坚硬的奥氏体阻止了裂纹的扩展，失重量的增加随后发生。在空蚀进行17.5h后，试样表面的铁素体相已经大面积脱落，这时铁素体相和奥氏体相的脱落速度达到相对稳定，失重也达到一个短暂的稳定期，如图1c双相不锈钢试样整个表面已经严重被空蚀破坏，出现了典型的空蚀坑。随着不断地积累，裂纹持续的生长，表层材料开始剥离。如图1d所示在超声空蚀37.5h后，由于失重，材料表面形成的形貌。图1e是表面堆焊试样空蚀47.5h后的SEM形貌。与双相不锈钢空蚀7.5h（如图1b）后试样相比，该试样表面已经出现局部的材料层状断裂，以及一些空蚀坑。当试样表面产生空蚀坑后，空蚀坑处受到的冲击作用比其他部位强烈，这使得空蚀坑继续加深，导致在试样的局部出现明显深于其他部位的空蚀坑。随着空蚀的进行，试样表面在层状剥离后，裸露出新的铁素体-奥氏体相继续吸收空泡溃灭而产生的脉冲能量。

实施例2：

在中频电炉中冶炼本发明耐空泡腐蚀双相不锈钢（标记为2#钢）成分为：

Cr 23%，Ni 6.5%，Mn 1.8%，Mo 4.5%，Si 0.4%，C 0.015%，Y 0.03%, 杂质S和P为0.02%，余量为Fe。冶炼后浇注成钢锭及铸态试样。钢锭锻造拉制成焊丝盘条并经过多道拉拔制成直径为1.6mm的焊丝，采用钨极氩弧焊（TIG）方法采用该材料焊丝在普通碳钢Q235表面进行堆焊，焊接电流130A，焊接电压16V，保护气体为纯度99.9%的氩气，流量为15L/min，堆焊3层，2#焊丝本身及堆焊后的试样置于如实施例1所述的试验条件下试验。堆焊层材料和2#材料本身的失重量及累积失重率表1所示。

通过表1的对比发现，本发明的耐空泡腐蚀双相不锈钢在超声振动空蚀试验机上经过42.5小时后的腐蚀仅失重最多15.2mg，5小时失重最大低于3mg，明显高于普通碳钢的耐空泡腐蚀性。采用钨极氩弧焊的方法在普通碳钢Q235上进行堆焊后堆焊层的耐腐蚀性能略低于材料本身，但明显高于Q235钢本身的耐空泡腐蚀性能，该材料采用表面堆焊方法进行使用时，堆焊层应多于3层。

表1 耐空泡腐蚀性能对照表

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Claims

1.一种耐空泡腐蚀双相不锈钢，其特征在于：所述不锈钢具有铁素体-奥氏体基体，所述不锈钢成份按照重量百分比计算为：Cr 21-24%，Ni 5-6.8%，Mn 1.5-3%，Mo 3-5%，Si 0.2-1%，C 0.01-0.025%，稀土Ce或者Y 0.02-0.1%, 余量为Fe，S和P的含量控制在0.03％以下。

2.如权利要求1所述的一种耐空泡腐蚀双相不锈钢，其特征在于：铁素体体积百分含量为35-50％。

3.如权利要求1所述的耐空泡腐蚀双相不锈钢制成的焊丝在钨极氩弧焊中的应用。

4.如权利要求3所述的耐空泡腐蚀双相不锈钢制成的焊丝在钨极氩弧焊中的应用指：采用钨极氩弧焊方法并采用所述不锈钢制成的焊丝在普通碳钢Q235表面进行堆焊，焊接电流130A，焊接电压16V，保护气体为纯度99.9%的氩气，流量为15L/min，堆焊3层。

5.如权利要求1所述的一种耐空泡腐蚀双相不锈钢，其特征在于：所述耐空泡腐蚀双相不锈钢在硫化物溶液中经过42.5小时后的腐蚀失重最多仅为15.2mg，5小时失重最大低于3mg。

6.如权利要求1所述的一种耐空泡腐蚀双相不锈钢，其特征在于：所述硫化物溶液为5%NaCl+0.03ppm的硫化物溶液。