CN102286706B - 一种防咬合磨损的马氏体不锈钢 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防咬合磨损的马氏体不锈钢，属金属材料领域。该马氏体不锈钢，按重量百分比计算，所含成分如下：C：0.10-0.16％；Si：0.10-1.00％；Mn：1.20-1.60％；Cr：12.00-14.00％；Mo：0.40-0.60％；Ni：0.10-0.60％；P≤0.035％；S：0.24-0.32％；其余为Fe及不可避免的杂质元素。本发明具有配方设计合理，硬度高，摩擦润滑性好，能够防止咬合磨损，焊接开裂倾向小，生产成本低廉的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种不锈钢，具体涉及一种防咬合磨损的马氏体不锈钢，属于金属材料领域。
背景技术
在电站锅炉给水泵等泵领域中，磨损环及衬套由于与水介质接触，易被腐蚀，因此磨损环材料一般为沉淀硬化不锈钢或高碳马氏体不锈钢，而与磨损环相对摩擦的叶轮材料一般为马氏体不锈钢，摩擦副的间隙很小，泵在启动时和停机后的惰走时间段，泵转子会产生比正常运转时更大的挠度，摩擦副之间容易发生滑动摩擦，摩擦时温度升高，磨屑层状剥落，摩擦副之间容易产生粘着磨损，直至咬合卡死，对电厂的安全运行造成不利影响，同时大大增加维修成本。
目前为了防止摩擦副的咬合磨损，多采用各种表面处理技术改善金属表面的摩擦润滑性，例如渗硫、磷化、氯化、表面软金属膜等等，但这些工艺都需要在原有金属材料表面进行二次加工，增加工艺的复杂性及生产成本，同时也容易产生新的问题。德国KSB公司使用一种代号为RWA350的不锈钢材料防止摩擦副摩擦的粘着咬合，但是这种材料在焊接后焊缝极易开裂，限制了其应用范围。
中国专利公开号CN201090500，公开日为2008年7月23日，发明创造的名称为“给水泵的磨损环”的专利文献中，将磨损环内表面加工为蜂窝状表面以避免水泵转子的咬合，但是这种磨损环加工复杂，制造成本高。
发明内容
本发明的目的在于保持马氏体不锈钢较高强度和硬度的同时，增强材料的摩擦润滑性能，防止咬合磨损的发生，同时，提高材料的可焊性，降低制造成本。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：一种防咬合磨损的马氏体不锈钢，按重量百分比计算，所含成分如下：
C：0.10-0.16％；Si：0.10-1.00％；
Mn：1.20-1.60％；Cr：12.00-14.00％；
Mo：0.40-0.60％；Ni：0.10-0.60％；
P≤0.035％；S：0.24-0.32％；
其余为Fe及不可避免的杂质元素。
本发明一种防咬合磨损的马氏体不锈钢的制备方法，包括如下步骤：
1)按马氏体不锈钢化学成分的重量百分比计算进行原料配制：
C：0.10-0.16％；Si：0.10-1.00％；
Mn：1.20-1.60％；Cr：12.00-14.00％；
Mo：0.40-0.60％；Ni：0.10-0.60％；
P≤0.035％；S：0.24-0.32％；
其余为Fe及不可避免的杂质元素；
2)将前述配制的原料烘烤除湿后装入中频感应电炉后送电熔化，开始几分钟用较小的功率，当电流波动较小后，用大功率熔化，直至熔清；
3)浇注，浇注温度1600-1630℃；
4)退火，退火温度800-900℃，保温后缓冷至室温；
5)淬火，淬火温度980-1050℃，保温后油冷；
6)回火，回火温度500-550℃，保温后空冷；
步骤2)中所述的配制的原料装入中频感应电炉，其装炉顺序为：纯铁、废钢、镍板、铬铁、钼铁、出钢前10分钟将锰铁和硅钙粉加入钢液中充分搅拌均匀、出钢前1分钟加入硫铁并充分搅拌均匀。
本发明的设计思路是添加S，提高材料的摩擦润滑性；增加Mn含量，形成MnS，同时减小焊接开裂倾向；添加适量的Mo，降低材料脆性；同时保证Cr含量，以确保耐蚀性能。
本发明一种防咬合磨损的马氏体不锈钢所设计成分的原理如下：
C：在不锈钢中是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区元素，也是材料强化元素，保证材料的硬度、强度、耐磨性，C降低钢的耐蚀性能，因此兼顾力学性能和耐蚀性，控制C在0.10-0.16％。
Si：脱氧元素，同时Si能改善钢的铸造性能，提高钢中固溶体的硬度和强度，将Si含量的下限设定为0.1％或更高，但高于1.0％的Si含量易使碳化物沿晶界析出降低钢的韧性和耐磨性，导致铸件开裂，将Si含量范围确定为0.10-1.00％。
Mn：既是脱氧元素又是固溶强化元素，能显著提高钢的强度和硬度，与S形成MnS呈颗粒状分布于晶粒内，避免产生FeS低熔点共晶，提高焊接的抗裂性。其反应式为：
[Mn]+[FeO]＝[Fe]+(MnO)
[Mn]+[S]＝(MnS)
但过高含量的Mn会造成偏析，降低钢的可焊性，且不利于提高钢退火后的加工性，还可能降低不锈钢的耐腐蚀性能。经反复的实验，将钢中Mn含量范围确定为：1.20-1.60％。
Cr：马氏体不锈钢中的一种基本元素，是钢获得耐腐蚀性的重要元素，为了获得该效果，将Cr含量下限设定为12％。另一方面，Cr是强烈的铁素体形成元素，过高的Cr含量使其难以在淬火处理中得到马氏体组织，同时也会增加生产成本，因此将Cr含量上限设定为14％。
Mo：提高钢的淬透性，增加回火时的稳定性，消除回火脆性与高温时晶粒长大的倾向。为了获得该效果，Mo含量下限设定为0.4％或更高。另一方面，Mo含量过高时，热加工性降低，制造成本也会增加，Mo含量上限设定为0.6％。
S：本发明钢中非常重要的添加元素，与Mn、Cr等结合形成化合物，具有良好的润滑性能，摩擦条件下，由于硫化物的存在，能够有效地抗咬合磨损，改善不锈钢的摩擦性能。为了获得该效果，将S含量的下限设定为0.24％。另一方面，S对钢的热加工性能、耐腐蚀性都有不利的影响，因此本发明将S含量上限设定为0.32％。
P：在不锈钢中是有害元素，P对钢的韧性具有有害影响，且使钢的耐腐蚀性能恶化，因而，应当使P含量尽可能地低，考虑到要求P含量太低会增加生产成本，因此设置P含量的上限为0.035％。
Ni：是一种形成奥氏体的有效元素，在淬火处理中具有形成马氏体以使金属结构稳定的作用，可有效增强钢的耐腐蚀性，为获得该效果，设置Ni含量的下限为0.1％，考虑制造成本因素，设置Ni含量上限为0.6％。
本发明与现有技术相比具有的优点是：
(1)本发明提供的防咬合磨损马氏体不锈钢成分设计合理，制造工艺简单，具有优良的机械加工性能，生产成本低廉。
(2)本发明提供的防咬合磨损马氏体不锈钢具有良好的摩擦润滑性能和高于350HBW的布氏硬度，能够防止摩擦咬合磨损的发生，具有良好的耐磨性。
(3)本发明提供的防咬合磨损马氏体不锈钢合理添加了Mn、Mo等元素，有效降低了焊接开裂倾向。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本实用新型；
图1为以所述马氏体不锈钢为材料的磨损环示意图；
图2为以所述马氏体不锈钢为材料的焊板的焊接实验示意图；
其中：1为叶轮、2为磨损环、3为叶轮轴、4为焊板、5为焊点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述，本领域技术人员应当理解，所述实施例仅用于示例，而不对本发明构成任何限制。
实施例1
成分(重量％)C：0.10-0.16％、Si：0.10-1.00％、Mn：1.20-1.60％、Cr：12.00-14.00％、Mo：0.40-0.60％、Ni：0.10-0.60％、P≤0.035％、S：0.24-0.32％、其余为Fe及不可避免的杂质元素。
按上述成分设计原材料配料，感应炉冶炼，将原材料烘烤除湿后按顺序进行装料：纯铁、废钢、镍板、铬铁、钼铁、出钢前10分钟加入锰铁和硅钙粉、出钢前1分钟加入硫铁。
对以上所设计制备的防咬合磨损的马氏体不锈钢(代号：SP11)的成分进行了检测，检测报告如下：
成分检测结果：
C：0.14％、Si：0.51％、Mn：1.35％、Cr：13.08％、Mo：0.49％、Ni：0.25％、P：0.024％、S：0.273％、其余为Fe及不可避免的杂质元素。
将上述浇注材料进行热处理，工艺如下：
退火：860℃保温2h缓冷至室温；
淬火：1000℃保温2h油冷；
回火：520℃保温4h空冷。
本发明钢(代号：SP11)经热处理后的硬度如表1所示。
表1 本发明钢(代号：SP11)与对比材料的硬度
注：结果为三次测试的平均值
由表1可以看出，本发明钢(代号：SP11)经调质后，可达到与沉淀硬化不锈钢17-4PH相当的硬度，能够保证其耐磨性。
实施例2
一种防咬合磨损的马氏体不锈钢，其主要成分为(重量％)：C：0.14％、Si：0.45％、Mn：1.37％、Cr：13.12％、Mo：0.47％、Ni：0.27％、P：0.026％、S：0.278％、其余为Fe及不可避免的杂质元素。制成如图1所示的磨损环2，将本发明钢(代号：SP11)与17-4PH进行摩擦对比试验，如图1所示，磨损环2与叶轮1装配，将磨损环1固定，调整磨损环2与叶轮1的间隙，使其紧密接触(径向间隙为0)，并施加压力(叶轮1及叶轮轴3自重)，在叶轮轴3一端施加相同的扭矩转动叶轮1，使叶轮1开始转动并与磨损环2产生滑动摩擦，材料为17-4PH的磨损环2在叶轮1转动后三分钟内就发生粘着咬合而卡死的情况，而本发明钢(代号：SP11)的磨损环2能够在叶轮1保持持续转动的情况下而不发生咬合磨损。摩擦结果如表2所示。
表2 本发明钢(代号：SP11)与对比材料的摩擦结果
实施例3
一种防咬合磨损的马氏体不锈钢，其主要成分为(重量％)：C：0.14％、Si：0.45％、Mn：1.37％、Cr：13.12％、Mo：0.47％、Ni：0.27％、P：0.026％、S：0.278％、其余为Fe及不可避免的杂质元素。如图2所示，焊板4选用2Cr13材料，将两焊板250℃预热后，使用A507(GB/T983 E16-25MoN-15)电焊条将两侧坡口焊满，层间温度小于300℃，焊后缓冷至室温，然后不经预热在焊板中间无焊缝位置均匀点焊两处，焊点长约20mm高约5mm，两处焊点与其他焊缝不接触、不连续，冷却至室温后焊点5未出现裂纹。
将材料为RWA350的焊板重复上述试验，点焊后冷却过程中焊点即出现裂纹。
Claims (6)
1.一种防咬合磨损的马氏体不锈钢，其特征在于，按重量百分比计算，所含成分如下：
C：0.10-0.16%；Si：0.10-1.00%；
Mn：1.20-1.60%；Cr：12.00-14.00%；
Mo：0.40-0.60%；Ni：0.10-0.60%；
P≤0.035%；S：0.24-0.32%；
其余为Fe及不可避免的杂质元素；
其制备方法包含如下步骤：
1）按马氏体不锈钢化学成分的重量百分比计算进行原料配制：
C：0.10-0.16%；Si：0.10-1.00%；
Mn：1.20-1.60%；Cr：12.00-14.00%；
Mo：0.40-0.60%；Ni：0.10-0.60%；
P≤0.035%；S：0.24-0.32%；
其余为Fe及不可避免的杂质元素；
2）将前述配制的原料烘烤除湿后装入中频感应电炉后送电熔化，开始几分钟用较小的功率，当电流波动较小后，用大功率熔化，直至熔清；
3）浇注，浇注温度1580-1630℃；
4）退火，退火温度800-900℃，保温后缓冷至室温；
5）淬火，淬火温度980-1050℃，保温后油冷；
6）回火，回火温度500-550℃，保温后空冷。
2.根据权利要求1所述的一种防咬合磨损的马氏体不锈钢，其特征在于，所述C是保证材料的硬度、强度、耐磨性，降低钢的耐蚀性能的材料强化元素。
3.根据权利要求1所述的一种防咬合磨损的马氏体不锈钢，其特征在于，所述Si为脱氧元素。
4.根据权利要求1所述的一种防咬合磨损的马氏体不锈钢，其特征在于，所述Mn既是脱氧元素又是固溶强化元素。
5.根据权利要求1所述的一种防咬合磨损的马氏体不锈钢，其特征在于，所述Mn与S形成MnS呈颗粒状分布于晶粒内。
6.根据权利要求1所述的一种防咬合磨损的马氏体不锈钢，其特征在于，步骤2）中所述的配制的原料装入中频感应电炉，其装炉顺序为：纯铁、废钢、镍板、铬铁、钼铁、出钢前10分钟将锰铁和硅钙粉加入钢液中充分搅拌均匀、出钢前1分钟加入硫铁并充分搅拌均匀。
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