CN104480403A - 低碳马氏体沉淀硬化不锈钢及其生产制造叶轮锻件的方法 - Google Patents

低碳马氏体沉淀硬化不锈钢及其生产制造叶轮锻件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及低碳马氏体沉淀硬化不锈钢及其生产制造叶轮锻件的方法，方法包括以下步骤：(1)低碳马氏体沉淀硬化不锈钢通过坩埚加热熔融冶炼成钢水，并在真空条件下通过钢锭模浇铸成电极棒；(2)将浇铸完成的电极棒，经过除锈、打磨、清理后再经电渣重熔炉熔炼为电渣钢锭；(3)电渣钢锭，加热至1180℃锻造温度，终锻温度控制在900℃，采用工墩工拔的锻造工艺锻造成锻件，并进行锻后热处理；(4)锻件，经粗加工后依次进行固溶化处理、稳定化处理以及时效处理；(5)经时效处理后检验合格即获得低碳马氏体沉淀硬化不锈钢的叶轮锻件。本发明制作的叶轮锻件经检验合格，达到采购规范书中的各项数据指标和技术要求并已用于氧化风机上。

Description

低碳马氏体沉淀硬化不锈钢及其生产制造叶轮锻件的方法
[技术领域]
本发明涉及一种钢锻件的制作方法，尤其是涉及一种低碳马氏体沉淀硬化不锈钢(FV520B钢)制造347工程氧化风机的叶轮锻件的方法。
[背景技术]
上海鼓风机厂有限公司的347工程中的氧化风机新产品的制造其中的叶轮锻件是产品的关键零件，材料采用英国Firth-Vickers公司的低碳马氏体沉淀硬化不锈钢(FV520B钢)。由于英国FV公司提供的资料只有钢的化学成分和力学性能数据，尚未提供钢的制造的工艺参数和方法，我公司只得自行开发研制。据资料介绍此种钢其抗拉强度在600吨/时2以上，具有很好的耐腐浊特征。工作温度一般为350℃在一定的条件下可达500℃。叶轮锻件是氧化风机新产品的关键、主要零件。力学性能σb≥1078MPa，σs≥1029MPa，δ5≥12％，Ψ≥35％，akv≥55J，屈强比＝1029/1078≥95.46％，过高了，有很大的难度，相当高、难度很大，同时要有较高的耐腐蚀的特性。
[发明内容]
本发明目的在于对现有低碳马氏体沉淀硬化不锈钢的化学成分中合金元素成分进行优化组合，提出最佳合金成分配比的低碳马氏体沉淀硬化不锈钢，并采用上述低碳马氏体沉淀硬化不锈钢为原料，经特定工艺制造出氧化风机的叶轮锻件，使其综合性能符合347工程叶轮锻件采购规格书中的技术要求。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
设计一种低碳马氏体沉淀硬化不锈钢，其特征在于，对化学成分中合金元素组分配比进行优化组合，获得最佳合金元素组分配比，所述最佳合金元素组分配比如下，以化学成分重量的百分比计算：
C含量:≤0.07
Mn含量:0.60-0.80
Si含量:0.30-0.40
Cr含量:13.50-14.50
Ni含量:5.30-6.00
Cu含量:1.50-1.75
Mo含量:1.50-1.75
Nb含量:0.30-0.40
P含量:≤0.015
S含量:≤0.008。
C含量在0.05-0.06内取值，Cr、Ni、Mo含量取值接近上限，S、P含量取值越低越好。可提高钢水的纯净度，减少夹杂物。
一种利用上述低碳马氏体沉淀硬化不锈钢生产叶轮锻件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制造电极棒：将所述低碳马氏体沉淀硬化不锈钢置于真空工频感应炉的坩埚内，低碳马氏体沉淀硬化不锈钢通过坩埚加热熔融冶炼成钢水，并在真空条件下通过钢锭模浇铸成电极棒；
真空感应电炉是将感应坩埚和锭模放人真空室中，冶炼和浇注同在真空状态下完成。冶炼在真空下进行，由于碳氧反应产物为气体CO，使反应向生成C0方向移动，可使碳的脱氧能力达到和硅、铝相近的水平。根据气体在钢液中的溶解服从平方根定律，可知真空下冶炼，有利于钢液去气。对某些蒸气压较高的合金元素，如Pb、As、B1、sn、zn等，当外界压力降低到小于蒸气压时，变可从合金中蒸馏出来，从而改差钢和台金的性能。
(2)将步骤(1)浇铸完成的电极棒，经过除锈、打磨、清理后再经电渣重熔炉熔炼为电渣钢锭，熔炼时，电渣重熔炉的电压设定为90V，功率设定为0.42KW/cm2，冷却水进水口温度为常温，出水口温度≤90℃；
(3)将步骤(2)获得的电渣钢锭，加热至1180℃锻造温度，终锻温度控制在900℃，采用工墩工拔的锻造工艺锻造成锻件，并进行锻后热处理，锻件的锻后热处理采用960℃*1.5h正火+650℃*8h高温回火；其有扩氢的作用而后机械加工。
(4)将步骤(2)获得的锻件，经粗加工后依次进行固溶化处理、稳定化处理以及时效处理，固溶化温度设定为1060±10℃保温4小时，水冷至出水温度150℃；稳定化温度设定为850±10℃保温6小时，空冷至常温；再经时效热处理，叶轮锻件的时效处理温度为470±10℃保温6小时，水冷至出水温度120℃以下，并在空气中自然时效；要得到合格的叶轮锻件，时效处理的温度和保温时间、冷却速度是关键的工艺参数，根据FV520B钢的CCT曲线图，该钢的马化体转变点Ms为150-155℃，冷却速度控制在10-17.5℃/s；
(5)经时效处理后检验合格即获得低碳马氏体沉淀硬化不锈钢的叶轮锻件。
在真空工频感应炉内冶炼钢水过程，在氧化期和还原期要向其加入复合脱氧剂，该复合脱氧剂由以下成分和百分比含量组成：C≤0.45％Mn:20％Si:9％Al:4.5％Ca:4％，其余为Fe，合金化期要加入低碳铬铁、低碳钼铁、纯镍、铌、铜合金元素，以保证钢的成分，并进行成分的微调。
在低碳马氏体硬化不锈钢的冶炼过程中，所述真空工频感应炉容量采用2吨，在真空中完成浇铸电极棒，可使钢水中含氢量≤2PPM，含氧量≤25PPM，含氮量≤60PPM，确保钢水的纯净度。
在低碳马氏体沉淀硬化不锈钢电渣重熔钢锭的制作过程中，所述电渣重熔炉采用2吨容量，电渣成分：CaF：70％+Al2O3：25％+CaO：5％电渣的渣重为钢锭重量的4～5％。
在低碳马氏体沉淀硬化不锈钢电渣钢锭锻造成锻件的过程中，控制变形量，综合锻造比>5。
固溶化处理过程中，锻件起始温度≤550℃，用≥80℃/h的功率升温至1060±10℃后均热，均热时间由操作人员根据炉子的实际状况而定，再保温4小时。
稳定化处理过程中，锻件起始温度≤300℃，以≤60℃/h的升温速率，升温至850±10℃后均热，均热时间由操作人员根据炉子的实际状况而定，再保温6小时。
时效处理过程中，锻件以≤60℃/h的升温速率，升温至470±10℃后均热，均热时间由操作人员根据炉子的实际状况而定，再保温6小时，由于低碳马氏体沉淀硬化不锈钢的马氏体转变温度MS＝150℃～155℃，因此时效处理出水温度≤120℃并在空气中自然时效。
时效处理是低碳马氏体沉淀硬化不锈钢生产叶轮锻件的关键技术，对FV520B刚进行深度的研究，对低碳马氏体沉淀硬化不锈钢的时效处理必须抛弃高碳马氏体与形成碳化物的强化所采用低碳马氏体相变强化和时效强化两种强化效应叠加的高强度。
此种钢的强化效果是通过钢中的合金元素Mo Nb Cu等强化元素在时效过程中析出Σ-CuNbC Mo2C Mo7C3M23C6等时效强化相而产生的强化经研究采用不同温度和保温时间进行时效处理结果发现该刚在470℃左右时效时得到最大的强大。进行低温时效可得到马氏体+弥散细小的强化相组织才能使刚获得较高的强度，另外发现温度升高，时效相开始长大，硬度下降，强度也随之下降。
本发明制作的叶轮锻件经检验合格，达到采购规范书中的各项数据指标和技术要求并已用于氧化风机上。且制作得到的产品通过化学成分、力学性能、金相高低倍、无损检测(磁粉探伤、超声波探伤)完全符合347工程叶轮锻件采购规格书中的技术条件。
[附图说明]
图1为本发明叶轮锻件结构图
图2为本发明固溶化处理曲线图
图3为本发明稳定化处理曲线图
图4为本发明时效处理曲线图
图5为本发明制造生产流程图
[具体实施方式]
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
实施例
首选，对制作原料的成分进行优化组合。对低碳马氏体沉淀硬化不锈钢化学成分中合金元素组分配比进行优化组合，获得最佳合金元素组分配比，所述最佳合金元素组分配比如下，以化学成分重量的百分比计算：
C含量:≤0.07
Mn含量:0.60-0.80
Si含量:0.30-0.40
Cr含量:13.50-14.50
Ni含量:5.30-6.00
Cu含量:1.50-1.75
Mo含量:1.50-1.75
Nb含量:0.30-0.40
P含量:≤0.015
S含量:≤0.008。
为提高钢水的纯净度，减少夹杂物。C含量在0.05-0.06内取值，Cr、Ni、Mo含量取值接近上限，S、P含量取值越低越好。
接着，利用上述低碳马氏体沉淀硬化不锈钢生产叶轮锻件的制造方法，包括以下步骤：
(1)制造电极棒：将所述低碳马氏体沉淀硬化不锈钢置于真空工频感应炉的坩埚内，低碳马氏体沉淀硬化不锈钢通过坩埚加热熔融冶炼成钢水，并在真空条件下通过钢锭模浇铸成电极棒；所述真空工频感应炉容量采用0.33吨，在真空中完成浇铸电极棒，可使钢水中含氢量≤2PPM，含氧量≤25PPM，含氮量≤60PPM，确保钢水的纯净度。
在真空工频感应炉内冶炼钢水过程，在氧化期和还原期要向其加入复合脱氧剂，该复合脱氧剂由以下成分和百分比含量组成：C≤0.45％Mn:20％Si:9％Al:4.5％Ca:4％，其余为Fe，合金化期要加入低碳铬铁、低碳钼铁、纯镍、铌、铜合金元素，以保证钢的成分，并进行成分的微调。
(2)将步骤(1)浇铸完成的电极棒，经过除锈、打磨、清理后再经电渣重熔炉熔炼为电渣钢锭，熔炼时，电渣重熔炉的电压设定为90V，功率设定为0.42KW/cm2，冷却水进水口温度为常温，出水口温度≤90℃；所述电渣重熔炉采用2吨容量，电渣成分：CaF：70％+Al2O3：25％+CaO：5％电渣的渣重为钢锭重量的4～5％。
(3)将步骤(2)获得的电渣钢锭，根据工艺要求电渣钢锭冒口、底部端锯除一定坯料，而后加热至1180℃锻造温度，终锻温度控制在900℃，采用2墩2拔的锻造工艺锻造成锻件，控制变形量，综合锻造比>5，并进行锻后热处理，锻件的锻后热处理采用960℃*1.5h正火+650℃*8h高温回火；其有扩氢的作用而后机械加工，并进行超声波检查。
(4)将步骤(2)获得的锻件，经粗加工后依次进行固溶化处理、稳定化处理以及时效处理，
固溶化温度设定为1060±10℃保温4小时，水冷至出水温度150℃；固溶化处理过程中，锻件起始温度≤550℃，用用≥80℃/h的功率升温至1060±10℃后均热，均热时间由操作人员根据炉子的实际状况而定，再保温4小时。
稳定化温度设定为850±10℃保温6小时，空冷至常温；稳定化处理过程中，锻件起始温度≤300℃，以≤60℃/h的升温速率，升温至850±10℃后均热，均热时间由操作人员根据炉子的实际状况而定，再保温6小时。
再经时效热处理，叶轮锻件的时效处理温度为470±10℃保温6小时，水冷至出水温度120℃以下，并在空气中自然时效；要得到合格的叶轮锻件，时效处理的温度和保温时间、冷却速度是关键的工艺参数，根据FV520B钢的CCT曲线图，该钢的马化体转变点Ms为150-155℃，冷却速度控制在10-17.5℃/s；；时效处理过程中，锻件以≤60℃/h的升温速率，升温至470±10℃后均热，均热时间由操作人员根据炉子的实际状况而定，再保温6小时，由于低碳马氏体沉淀硬化不锈钢的马氏体转变温度MS＝150℃～155℃，因此时效处理出水温度≤120℃并在空气中自然时效，机械加工后进行超声波和磁粉检查再进行现化检测。
(5)经时效处理后检验合格即获得低碳马氏体沉淀硬化不锈钢的叶轮锻件。

Claims (10)

1.一种低碳马氏体沉淀硬化不锈钢，其特征在于，对化学成分中合金元素组分配比进行优化组合，获得最佳合金元素组分配比，所述最佳合金元素组分配比如下，以化学成分重量的百分比计算：
C含量:≤0.07
Mn含量:0.60-0.80
Si含量:0.30-0.40
Cr含量:13.50-14.50
Ni含量:5.30-6.00
Cu含量:1.50-1.75
Mo含量:1.50-1.75
Nb含量:0.30-0.40
P含量:≤0.015
S含量:≤0.008。
2.根据权利要求1所述的一种低碳马氏体沉淀硬化不锈钢，其特征在于，C含量在0.05-0.06内取值，Cr、Ni、Mo含量取值接近上限，S、P含量取值越低越好。
3.一种利用如权利要求1所述低碳马氏体沉淀硬化不锈钢生产叶轮锻件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制造电极棒：将所述低碳马氏体沉淀硬化不锈钢置于真空工频感应炉的坩埚内，低碳马氏体沉淀硬化不锈钢通过坩埚加热熔融冶炼成钢水，并在真空条件下通过钢锭模浇铸成电极棒；
(2)将步骤(1)浇铸完成的电极棒，经过除锈、打磨、清理后再经电渣重熔炉熔炼为电渣钢锭，熔炼时，电渣重熔炉的电压设定为90V，功率设定为0.42KW/cm2，冷却水进水口温度为常温，出水口温度≤90℃；
(3)将步骤(2)获得的电渣钢锭，根据工艺要求电渣钢锭冒口、底部端锯除一定坯料，而后加热至1180℃锻造温度，终锻温度控制在900℃，采用工墩工拔的锻造工艺锻造成锻件，并进行锻后热处理，锻件的锻后热处理采用960℃*1.5h正火+650℃*8h高温回火；
(4)将步骤(2)获得的锻件，经粗加工后依次进行固溶化处理、稳定化处理以及时效处理，固溶化温度设定为1060±10℃保温4小时，水冷至出水温度150℃；稳定化温度设定为850±10℃保温6小时，空冷至常温；再经时效热处理，叶轮锻件的时效处理温度为470±10℃保温6小时，水冷至出水温度120℃以下，并在空气中自然时效；要得到合格的叶轮锻件，时效处理的温度和保温时间、冷却速度，根据FV520B钢的CCT曲线图，该钢的马化体转变点Ms为150-155℃，冷却速度控制在10-17.5℃/s；
(5)经时效处理后检验合格即获得低碳马氏体沉淀硬化不锈钢的叶轮锻件。
4.根据权利要求3所述的低碳马氏体沉淀硬化不锈钢生产叶轮锻件的制造方法，其特征在于，在真空工频感应炉内冶炼钢水过程，在氧化期和还原期要向其加入复合脱氧剂，该复合脱氧剂由以下成分和百分比含量组成：C≤0.45％Mn:20％Si:9％Al:4.5％Ca:4％，其余为Fe，合金化期要加入低碳铬铁、低碳钼铁、纯镍、铌、铜合金元素，以保证钢的成分，并进行成分的微调。
5.根据权利要求3所述的低碳马氏体沉淀硬化不锈钢生产叶轮锻件的制造方法，其特征在于，在低碳马氏体硬化不锈钢的冶炼过程中，所述真空工频感应炉容量采用2吨，在真空中完成浇铸电极棒，可使钢水中含氢量≤2PPM，含氧量≤25PPM，含氮量≤60PPM，确保钢水的纯净度。
6.根据权利要求3所述的低碳马氏体沉淀硬化不锈钢生产叶轮锻件的制造方法，其特征在于，在低碳马氏体沉淀硬化不锈钢电渣重熔钢锭的制作过程中，所述电渣重熔炉采用2吨容量，电渣成分：CaF：70％+Al2O3：25％+CaO：5％电渣的渣重为钢锭重量的4～5％。
7.根据权利要求3所述的低碳马氏体沉淀硬化不锈钢生产叶轮锻件的制造方法，其特征在于，在低碳马氏体沉淀硬化不锈钢电渣钢锭锻造成锻件的过程中，控制变形量，综合锻造比>5。
8.根据权利要求3所述的低碳马氏体沉淀硬化不锈钢生产叶轮锻件的制造方法，其特征在于，固溶化处理过程中，锻件起始温度≤550℃，用≥80℃/h的功率升温至1060±10℃后均热，均热时间由操作人员根据炉子的实际状况而定，再保温4小时。
9.根据权利要求3所述的低碳马氏体沉淀硬化不锈钢生产叶轮锻件的制造方法，其特征在于，稳定化处理过程中，锻件起始温度≤300℃，以≤60℃/h的升温速率，升温至850±10℃后均热，均热时间由操作人员根据炉子的实际状况而定，再保温6小时。
10.根据权利要求3所述的低碳马氏体沉淀硬化不锈钢生产叶轮锻件的制造方法，其特征在于，时效处理过程中，锻件以≤60℃/h的升温速率，升温至470±10℃后均热，均热时间由操作人员根据炉子的实际状况而定，再保温6小时，由于低碳马氏体沉淀硬化不锈钢的马氏体转变温度MS＝150℃～155℃，因此时效处理出水温度≤120℃并在空气中自然时效。
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