CN103045949A - 内口直径大于220mm的大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够用于制备高强度耐腐蚀不锈钢阀座，特别是内口直径大于220mm的大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座的制备工艺，化学成分（质量分数）：C：0.35-0.40%、Si：2.0-2.5%、Mn：0.4-0.8%、P≤0.025%、S≤0.020%、Cr：12.0-14.0%、Mo：1.0-1.3%。机械性能：抗拉强度≥1000MPa、屈服强度≥800MPa、伸长率≥14.0%、断面收缩率≥40.0%、布氏硬度300-350。优点：一是应用本发明的产品具备强度高、耐腐蚀、耐高温、抗氧化性强的特性；二是适用于内口直径大于220mm的大型船用耐腐蚀不锈钢排气阀座的制造；三是开辟了大型、超大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座材料新领域。

Description

内口直径大于220mm的大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座

技术领域

本发明涉及一种能够用于制备船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座，特别是内口直径大于220mm的大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座的制备工艺，属阀座锻造领域。

背景技术

CN101724763A、名称“一种阀座材料、阀座、主阀和四通换向阀”，其组成成分为：Cu：55重量％～63重量％，Pb：1重量％～5重量％，Mn：1重量％～5重量％、Sn：0.03重量％～0.12重量％，Cd：≤5重量ppm,余量为Zn和不可避免的杂质。

“17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢阀座的试制”该文介绍了17-4PH钢加工阀座的加工过程，热处理方式，通过实验及测量等方法分析了17-4PH钢作为阀座材质的可行性，尤其突出了热处理工艺及机械加工工艺。

以上技术不足之处在于无法用以制造内口直径大于220mm的不锈钢排气阀座。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种一是大型船用排气阀座的使用条件非常恶劣，它主要被应用于大型船舶的管道系统中，在整个使用过程中需要承受高温高压，以及管道气体对内壁的腐蚀，因此该类阀座必须要具备高强度，耐腐蚀，耐热，及高抗氧化性等特性，从而保证整个船体管道系统的安全，延长使用寿命；设计一种能够用于制备高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座，特别是大型、超大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座的制备工艺。

设计方案：为了实现上述设计目的：

1、本申请采用化学成分（质量分数）：C：0.35-0.40％、Si：2.0-2.5％、Mn：0.4-0.8％、P≤0.025％、S≤0.020％、Cr：12.0-14.0％、Mo：1.0-1.3％材料构成的设计，是本发明的技术特征之一，这样做的目的在于：

(1).C元素的含量控制在0.35-0.40％的范围在不锈钢中是非常重要的。C是钢的主要元素之一，钢的性能与组织在很大程度上决定于C在钢中的含量及其分布的形式，在不锈钢中影响更加明显。C对整体组织的影响主要包括两个方面的内容，一：随着C含量的增加，钢的强度及硬度增加，但韧性塑性降低；二，在不锈钢中，由于Cr的含量较高，C和Cr有很大的亲和力，会与Cr形成一系列复杂的碳化物，而该类碳化物会使钢的抗氧化能力及耐腐蚀性能降低。因此从强度与耐腐蚀性能两方面来说，C当量在不锈钢中的作用是相互制约，相互矛盾的，即随着C当量的增加，强度升高，但耐腐蚀性能却降低。

鉴于C当量对钢组织的影响，排气阀座成分的设计对C当量的控制，主要还是从不降低耐腐蚀性的角度出发进行设计，因为不锈钢的强度的增加还可以通过其他金属元素的添加调整来进行控制的，只是在保证了该不锈钢耐腐蚀性能不受影响的前提下适当提高C当量。目前工业上应用的不锈钢的含碳量是比较低的，一般在0.1-0.4％之间，以不破坏不锈钢的耐腐蚀性能。因此本次设计对C当量的范围控制在0.35-0.40％。

(2).Cr元素在不锈钢中起到至关重要的作用，不锈钢中均含有较高的Cr元素含量，它可使工件表面迅速氧化，形成一层薄而致密的氧化膜，有效的阻止大气对工件的内部腐蚀，抗氧化能力用表面重量损失占总重量的百分比表示，如图1所示，可见，随着Cr元素含量的增加，抗氧化性能越好，只是在Cr含量到一定程度后，抗氧化性能增强的速度变慢。对于该排气阀座，在优良成分的基础上，最终是需要采用淬火加回火的热处理方式来达到高强度的要求，因此Cr含量越高的钢材需要的C含量也越高，因为只有这样才能保证在淬火期间有充分马氏体的形成，达到高强度的目的，但C当量控制在了0.35-0.40％，成分比例并不高，因此必须对Cr的含量在保证抗氧化性能的前提下进行控制，也不能太高。同时在淬火加回火的条件下，若Cr的含量超过15％时，则会使组织内稳定的铁素体量增加，从而降低了钢的硬度和抗拉强度，如图2所示。

鉴于以上分析，将Cr含量控制在了12.0-14.0％范围内，在这一范围既可以保持钢的抗氧化能力，同时又可以保证足够的硬度和抗拉强度。

(3).对Si元素含量的设计，Si元素的加入能显著提高钢的弹性极限，屈服点以及抗拉强度，它与其他合金元素如Mo、Cr等结合，可以使耐腐蚀性和抗氧化性增强，但Si的含量也不是越高越好，当Si含量超过2.5％时，脆性增加，塑性及韧性大大降低，发生脆裂的可能性明显提高。因此将Si元素的含量控制在2.0-2.5％范围内，在防止发生脆裂的基础上，以提高钢的强度。

(4).船用排气阀座的使用条件是非常恶劣的，不仅要求其具有高强度，耐腐蚀及抗氧化性，同时还要具备一定的耐热性，因此在成分设计上加入一定含量的Mo，它不但能细化晶粒，提高淬透性，更主要是Mo元素的适当加入能使钢材具有较强的耐热性，蠕变抗力是表征耐热性强弱的物理量，如图3所示，可见，随着各元素的含量增加，除Ni以外，蠕变抗力均有所增加，但Mo元素的增加，蠕变抗力的变化是最大的，耐热性也明显提高。当然Mo元素还要考虑到其他因素，当Mo含量大于1.5％时，此时的钢材抗氧化能力会急剧恶化。因此本次设计将Mo含量控制在1.0-1.3％，在使钢材获得较好耐热性的同时，也保证了其他性能不受其影响。

(5).Mn元素含量的设计，Mn元素的适当加入，可提高工件在调质时的淬透性，使产品的内外部性能均匀，但随着Mn元素的增加，在工件快速冷却或加热过程中产生较大的内应力，工件开裂的倾向增大，同时随着Mn元素的增加，会使抗氧化性能减弱，因此在成分设计中将Mn含量控制在0.4-0.8％，这是一个较低的范围，主要作用是在不降低抗氧化性的前提下，适当增加工件的淬透性。

(6).P、S含量的设计，P、S在钢中是有害元素，P元素会降低钢的塑性及韧性，在钢材锻造和轧制时产生裂纹。S则会降低钢的耐腐蚀性，因此必须对P、S控制在一定量以下。本设计中，P含量控制在0.025％以下，S含量控制在0.020％以下。

2、锯床下料的设计，是本发明的技术持征之二。这样做的目的在于：在锯床上对钢锭开坯后的坯料进行平均分切，可以保证坯料表面的光洁整齐，如若在钢锭加热出炉后直接在锤上分料，则会造成表面状态较差的情况，对锻造此类表面要求高的产品是极为不利的。

3、冷炉装料的设计，是本发明的技术特征之三。这样做的目的在于：因为直接热炉装料，坯料表面急剧受热，而用于制作大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座材料的导热性差，内部温度上升较慢，内外形成强烈的温差，会产生强大的内应力，使坯料内部极易形成裂纹，为后续锻造埋下隐患，因此在坯料装炉时，将炉膛内的温度控制在450℃以下。

4、锻造过程中始锻、终锻温度及锻造变形量的控制设计，是本发明的技术特征之四。这样做的目的在于：传统的锻造工艺，对于导热性较差，且锻造过程中不易变形的材料，一般锻造范围控制在850-1150℃。而大型船用排气阀座的材料，若加热温度达到1150℃时则会使坯料内部组织有形成δ相的倾向，δ相是一种高温相组织，它会使坯料塑性降低，对锻造不利，同时δ相能促进σ相析出，σ相即Fe-Cr金属间化合物，该化合物极脆，存在晶界的量超过一定量时，则会降低耐腐蚀性。该阀座材料锻造过程中，终锻温度降至850-900℃时，变形抗力增大，同时也因缓冷而析出了σ相，增加了脆性，如继续锻造则会增加产生裂纹的风险。因此对终锻、始锻温度进行了重新设计，控制在900-1120℃范围。

对锻造变形量的设计，待终锻、始锻温度确定后，要根据温度的变化来设计锻造变形量，一般锻造工艺在锻造时，为使内部组织被锻透，一次锻造变形量往往会尽可能的达到最大化，但对于该阀座材料必须根据锻造温度对单次锻造变形量进行控制，锻造过程分两火次进行：

第Ⅰ火次：抛圆，镦粗，始锻温度最高控制在1120℃、终锻温度最低控制在980℃；坯料出炉前，先对锻造工具进行预热；坯料出炉后，先抛圆，抛圆后再进行镦粗，镦粗过程必须在980-1080℃的范围内进行，并且镦粗时每一锤的压下量最大不超过坯料总高度的15％，在温度接近980℃左右时则应停止锻造，重新回炉加热；

第Ⅱ火次：冲孔，扩孔，平整完工，始锻温度最高控制在1120℃，终锻温度最低控制在900℃。冲孔与扩孔在980-1080℃范围内进行，冲孔过程每一锤锻打导致的工件高度方向的变形量不能超过总高度的15％。最后的平整过程在900-980℃范围内进行，且平整时每一锤的压下量不超过总高度的5％。

5、锻后热处理采用等温退火的设计，是本发明的技术特征之五。这样做的目的在于：一是由于大型船用高强度耐腐蚀不锈钢阀座材料的导热性差，因此装炉温度必须≤450℃，同时升温速度控制在≤80℃/h范围，尽量做到工件内外部温度保持较小的差距；二是工件加热保温后，不能按传统的工艺即快速的空冷到室温，因为大型船用高强度耐腐蚀不锈钢阀座材料对冷却温度是非常敏感的，如直接空冷即会产生马氏体转变，相当于空淬，导致碳在马氏体中的过饱和固溶而产生淬火强化，达不到预期的软化效果，因此只有降低冷却的速度，控制在≤30℃/h范围内；三是由于船用高强度耐腐蚀不锈钢阀座材料的相变点偏高，因此冷却到750℃时即需进行保温处理，保温后空冷，使锻件内部得到稳定的铁素体和珠光体组织。

采用等温退火的锻后处理工艺取代传统的完全退火工艺，即缩短了加热工时，同时也节省了燃料，降低了生产成本。

技术方案1：一种内口直径大于220mm的大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座，化学成分（质量分数）：C：0.35-0.40％、Si：2.0-2.5％、Mn：0.4-0.8％、P≤0.025％、S≤0.020％、Cr：12.0-14.0％、Mo：1.0-1.3％。

技术方案2：一种内口直径大于220mm的大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座的制备工艺：

⑴锯床下料：钢锭按照锻造工艺的要求锻成坯料后，在锯床上进行平均分切；

⑵冷炉装料：将分切以后的钢锭坯料，装入炉膛温度≤450℃的加热炉中；

⑶锻造过程：

第Ⅰ火次：抛圆，镦粗，始锻温度最高控制在1120℃、终锻温度最低控制在980℃；坯料出炉前，先对锻造工具进行预热；坯料出炉后，先滚动抛圆，抛圆后则进行镦粗工序，镦粗过程必须在980-1080℃进行，并且在镦粗过程中高度方向的一次变形量最大不超过总高度的15％，待温度缓慢降至980℃时则停止锻造，重新回炉加热；

第Ⅱ火次：冲孔，扩孔，平整完工，始锻温度最高控制在1120℃、终锻温度最低控制在900℃，冲孔、扩孔过程在980-1080℃范围内进行，冲孔过程每一锤锻打导致的工件高度方向的变形量不能超过总高度的15％。最后的平整过程在900-980℃进行，平整过程中高度方向的一次变形量不超过总高度的5％。

⑷锻后热处理：

对锻造后的毛坯工件采用等温退火的热处理工艺进行处理，毛坯锻件装炉时，炉膛温度必须≤450℃，升温速度控制在≤80℃/h范围，待温度升至1020±10℃时进行保温，保温一段时间后炉冷，冷却速度必须≤30℃/h，待温度降至750±10℃时，再进行保温处理，保温后空冷，如图4所示。

本发明与背景技术相比，一是应用本发明的产品具备强度高、耐腐蚀、抗氧化性好的特性；二是适用于大型、超大型船用不锈钢阀座的制造；三是开辟了船用高强度耐腐蚀不锈钢阀座材料新领域。

附图说明

图1是Cr含量对钢抗氧化能力的影响示意图。

图2是Cr含量对不锈钢淬火硬度的影响示意图。

图3是合金元素对蠕变抗力的影响示意图。

图4是等温退火工艺示意图。

图5是等温退火具体实施工艺示意图。

图6是调质热处理具体实施工艺示意图。

具体实施方式

实施例1：一种大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座，化学成分（质量分数）：C：0.35-0.40％、Si：2.0-2.5％、Mn：0.4-0.8％、P≤0.025％、S≤0.020％、Cr：12.0-14.0％、Mo：1.0-1.3％。机械性能：抗拉强度≥1000MPa、屈服强度≥800MPa、伸长率≥14.0％、断面收缩率≥40.0％、布氏硬度300-350。

实施例2：在实施例1的基础上，C：0.39％、Si：2.44％、Mn：0.47％、P：0.020％、S：0.002％、Cr：12.80％、Mo：1.20％。机械性能：抗拉强度：1010MPa、屈服强度：815MPa、伸长率：22.5％、断面收缩率：48.0％、布氏硬度315。

实施例3：在实施例1的基础上，C：0.39％、Si：2.29％、Mn：0.48％、P：0.022％、S：0.002％、Cr：12.62％、Mo：1.22％。机械性能：抗拉强度：1080MPa、屈服强度：910MPa、伸长率：16.5％、断面收缩率：45.0％、布氏硬度320。

实施例4：在实施例1-3的基础上，一种内口直径大于220mm的大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座的制备工艺：

⑴锯床下料：

将钢锭开坯后的坯料在锯床上平均分切，这样可以保证坯料表面的光洁整齐。如若在钢锭加热出炉后直接在锤上分料，则会造成表面状态较差的情况，对锻造此类表面要求高的产品是极为不利的。

⑵冷炉装料：

如若直接热炉装料，坯料表面会急剧受热，而本申请材料的导热性差，内部温度上升较慢，坯料内外部形成较大的温度差，即会产生强大的内应力，使坯料内部有极易形成裂纹的倾向，为后续锻造埋下隐患，因此把炉膛温度控制在450℃以下。

⑶锻造过程：

第Ⅰ火：抛圆，镦粗，始锻温度控制在1120℃、终锻温度控制在980℃；

坯料出炉前，先对锻造工具进行预热，如若坯料直接与冷工件接触，会有强烈的温度差，从而会使表面有产生裂纹的风险。坯料出炉后，应先清理掉表面的氧化皮及杂物，同时因坯料的形状等限制，要先进行滚动抛圆，抛圆后再进行镦粗，镦粗过程必须在980-1080℃进行，因为在此温度范围内，拉伸强度，晶粒大小，变形抗力等均较为平衡，适宜坯料变形，但由于此类材料的特殊性，镦粗时高度方向的一次变形量不能像常规一样可以达到20％甚至更大，而是要将最大变形量控制在小于15％的范围内。随着温度的缓慢冷却，在降至980℃左右时则不能用重锤继续锻打，因为到此温度后，热塑性指标下降较快，如若继续重锤加工变形，则会引起穿晶脆性断裂。

第Ⅱ火：冲孔，扩孔，平整完工，始锻温度控制在1120℃、终锻温度控制在900℃，因冲孔过程也需要大变形量锻压，故在冲孔时温度也要控制在980-1080℃，每一锤锻打后导致的工件高度方向最大变形量不超过总高度的15％。最后的平整过程在900-980℃范围内进行，且高度方向的一次变形量控制在原高度的5％以下。锻造结束后，将毛坯锻件放入沙坑中冷却。

(4)锻后热处理：

对毛坯锻件采用等温退火的热处理工艺进行处理，毛坯锻件装炉时，炉膛温度必须≤450℃，升温速度控制在≤80℃/h范围，待温度升至1020±10℃时进行保温，保温3h后炉冷，冷却速度必须≤30℃/h，待温度降至750±10℃时，再进行保温处理，保温5h后空冷，如图5所示。

(5)调质处理：

为使最终性能达到使用要求，锻件必须进行调质处理，锻件进行装炉时，炉膛温度必须≤450℃；装炉后，必须控制升温速度，最大不超过80℃/h，待温度升至850±10℃时，保温2h后继续升温，升到1020±10℃时保温3h后进行油淬冷却，待工件在油池中接近常温时，再重新装炉，此时的炉温要控制在≤300℃，待工件再次装炉后则进行升温，升温速度最大不超过80-100℃/h，待温度升至590±10℃时保温5h后出炉空冷，如图6所示。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种内口直径大于220mm的大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座，其特征是化学成分（质量分数）：C：0.35-0.40％、Si：2.0-2.5％、Mn：0.4-0.8％、P≤0.025％、S≤0.020％、Cr：12.0-14.0％、Mo：1.0-1.3％。

2.根据权利要求1所述的大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座，其特征是（质量分数）：C：0.39％、Si：2.44％、Mn：0.47％、P：0.018％、S：0.002％、Cr：12.80％、Mo：1.20％。

3.根据权利要求1所述的大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座，其特征是（质量分数）：C：0.39％、Si：2.29％、Mn：0.48％、P：0.016％、S：0.002％、Cr：12.62％、Mo：1.22％。

4.根据权利要求1所述的大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座，其特征是机械性能：抗拉强度≥1000MPa、屈服强度≥800MPa、伸长率≥14.0％、断面收缩率≥40.0％、布氏硬度300-350。

5.根据权利要求4所述的大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座，其特征是机械性能：抗拉强度：1010MPa、屈服强度：815MPa、伸长率：22.5％、断面收缩率：48.0％、布氏硬度315。

6.根据权利要求4所述的大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座，其特征是机械性能：抗拉强度：1080MPa、屈服强度：910MPa、伸长率：16.5％、断面收缩率：45.0％、布氏硬度320。

7.一种内口直径大于220mm的大型船用高强度耐腐蚀不锈钢排气阀座的制备工艺，其特征是：

⑴锯床下料：钢锭按照锻造工艺的要求锻成坯料后，在锯床上进行平均分切；

⑵冷炉装料：将分切以后的钢锭坯料，装入炉膛温度低于450℃的加热炉中；

⑶锻造过程：

第Ⅰ火次：抛圆，镦粗。始锻温度最高控制在1120℃、终锻温度最低控制在980℃。坯料出炉前，先对锻造工具进行预热；坯料出炉后，先进行抛圆，抛圆结束后再进行镦粗，镦粗过程必须在980-1080℃的范围内进行，并且镦粗时每一锤的压下量最大不超过坯料总高度的15％，待温度缓慢降至980℃左右时则停止锻造，将坯料重新回炉加热；

第Ⅱ火次：冲孔，扩孔，平整完工。始锻温度最高控制在1120℃、终锻温度最低控制在900℃。冲孔与扩孔工序在980-1080℃范围内进行，冲孔时，每一锤锻打导致的工件高度方向的变形量不能超过总高度的15％。最后的平整过程在900-980℃范围内进行，且平整时每一锤的压下量不超过总高度的5％。

⑷锻后热处理：

锻造完毕的毛坯锻件采用等温退火的热处理工艺进行处理，通过等温退火的处理后，内部的组织稳定，应力被消除，同时使锻件易于切削加工。

毛坯锻件装炉时，炉膛温度必须控制在≤450℃范围，升温速度控制在≤80℃/h范围内，待温度升至1020±10℃时，进行保温，保温后再开始冷却，冷却速度控制在≤30℃/h范围，待冷却到750℃后再进行保温处理，保温后出炉，在空气中冷却，使锻件内部得到铁素体和珠光体组织。

(5)调质处理：

毛坯锻件经等温退火后，需经车床加工，加工后的锻件再进行调质处理，使产品最终获得优良的综合性能。

锻件装炉时，炉膛温度必须控制在≤450℃范围，装炉后，升温速度控制在≤80℃/h范围，待加热到850±10℃后进行保温，保温后再继续升温，待温度升至1020±10℃再进行保温，保温后的冷却则采用油淬冷却，待工件经油淬冷却到室温后，再重新装炉，此时的炉膛温度必须要控制在≤300℃范围内，加热速度最大不超过80℃/h，待温度到达590±10℃后进行保温，保温后出炉空冷。

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