CN104526168A

CN104526168A - 一种电熔成形超低碳超细晶合金钢材料

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Publication number: CN104526168A
Application number: CN201410617493.3A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: South Zeng Cai Science And Technology Ltd
Current assignee: South Zeng Cai Science and Technology Ltd.
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2034-11-04
Also published as: CN104526168B

Abstract

本发明的主要目的在于提供一种高效制备、低成本、力学性能高的超低碳超细晶钢材料。该材料用下述电熔成形方法制备，将电熔头与基材接至电源两极，成形时原料丝材经由输送机构和电熔头送至基材表面，颗粒状辅料堆敷在成形处，原料丝材与基材间产生电弧，熔化部分堆敷辅料形成熔融渣池，电流流过原料丝材和熔融辅料渣池形成电阻热和电渣热，这样，电弧热、电阻热、电渣热三种热复合成高能热源使原料丝材熔化，在基材表面形成局部熔池，持续输送原料丝材与辅料，通过控制电熔头与基材的相对移动和基材构件的快速冷却，实现熔池在基材上逐层快速冷却激冷凝固堆积，最终成形出C含量为0.04-0.18％、晶粒度7-10级的材料。

Description

一种电熔成形超低碳超细晶合金钢材料

技术领域

本发明涉及一种超低碳超细晶高强度钢材料。

背景技术

目前，为适应核电、火电、石化、冶金等重型装备日益向大型化、复杂化、高性能参数方向发展，对关键超低碳超细晶高强度钢材料材料尺寸要求越来越大，力学性能尤其是强度、韧性的综合性能要求也越来越高。

对于目前工业中广泛应用的低合金高强度钢、耐热钢、转子钢材料，如Mn-Mo系、Mn-Mo-Ni系、Cr-Mo系、Cr-Mo-V系等，为满足材料屈服强度和抗拉强度性能需要，材料所含碳元素一般取标准的中上限，如核电低压转子钢碳元素在0.3％左右。钢中含碳量较高尽管提高了强度，但也极大的降低材料的塑性和冲击韧性等力学品质，并且当含碳量超过0.23％时，钢的焊接性能变坏。碳含量高还会降低钢的耐腐蚀能力，如在露天料场的高碳钢就易锈蚀。此外，含较高碳的合金钢也增加了该材料的冷脆性和时效敏感性。

另一面，细化晶粒能够同时使金属材料的强度和韧性提高，因此超细晶高强度钢材料被各主要工业国家和企业积极研发。当前高性能大型工件材料构件基本靠锻造成形，该工艺细化晶粒主要通过对材料塑性加工变形并在后续多次热处理操作实现的。如30Cr2Ni4MoV、24Cr2Ni1Mo1V等转子钢材料即是在锻造基础上经受多次(一般三次以上)正火回火热处理工艺，获取细密晶粒。此方法尽管在工业生产中被广泛应用，但从最终的晶粒测度结果看，一般也只在5-7级左右，生产中进一步细化晶粒将遇到很大工艺瓶颈且成本高昂。而对于重型工件材料，由于大的截面尺寸，热处理时，芯部与表面在加热和冷却过程中将经受不同的热处理速度，容易出现材料相组织不均匀，甚至是应力开裂，极大的影响材料的力学性能。

如何能够在保证高强度和韧性等综合力学性能要求下尽可能降低C含量，细化晶粒、均匀化组织，是重型装备制造业材料制备需攻克的难点和重要发展方向。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高效制备、低成本、力学性能高的超低碳超细晶钢材料。

本发明的超低碳超细晶钢材料用下述电熔成形方法制备，将电熔头与基材接至电源两极，成形时原料丝材经由输送机构和电熔头送至基材表面，颗粒状辅料堆敷在成形处，原料丝材与基材间产生电弧，熔化部分堆敷辅料形成熔融渣池，电流流过原料丝材和熔融辅料渣池形成电阻热和电渣热，这样，电弧热、电阻热、电渣热三种热复合成高能热源使原料丝材熔化，在基材表面形成局部熔池，持续输送原料丝材与辅料，通过控制电熔头与基材的相对移动和基材构件的快速冷却，实现熔池在基材上逐层快速冷却激冷凝固堆积，最终成形出C含量为0.04-0.18％、晶粒度7-10级的超低碳超细晶合金钢材料。

在本发明中，根据不同材料要求，通过原丝的特定制备确定初始C元素含量和其他元素要求，又通过在金属熔池中C元素与辅料化学反应，获得最终超低C材料，所形成的超低碳超细晶高强度钢中的C含量比原料丝材减少30％～70％，晶粒度达7-10级。

制备的材料用于低合金钢、耐热钢、不锈钢、镍基合金或汽轮发电机转子合金钢等。

在本发明中，通过控制电熔头与基材的相对移动速度和层间温度从而实现金属熔池的快速凝固，获取晶粒细密且无宏观化学偏析的材料，另外熔池凝固潜热放热，对下层热影响区材料做自回火热处理，使该层热影响区材料快速升温与冷却，凝固材料经受进一步固态相变，从而材料晶粒更为细密、组织更为均匀。

在本发明中，在逐层成形的过程中，原料丝在下层金属表面形成熔池，熔滴以射流形态进入熔池后凝固使两层金属形成一体，实现分层成形，整体融合，保证了成形金属构件的整体性能。

本发明提供了一种高效制备、低成本、力学性能高的超低碳超细晶合金钢材料。该材料用途广泛，可应于石化、核电各类容器所需的低合金和耐热钢材料生产，也可用于电厂电站高中低压转子钢材料的制备和辊子钢等其他行业材料制造。

在本发明中，作为例子，所述材料为核电压力容器、堆芯补水箱或者蒸发器水室封头用低合金高强度钢，对应ASME标准SA508Gr3Cl1材料，RCC-M标准16MnD5材料，或其他标准对应材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.08-0.12％，电熔制备的材料构件C含量0.04-0.08％，晶粒度9-10级。

在本发明中，作为例子，所述材料为稳压器、蒸发器用ASME标准SA508Gr3Cl2材料、RCC-M标准18MnD5材料或其他标准对应材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.11-0.15％，电熔成形出的工件材料C含量0.05-0.10％，晶粒度9-10级。

在本发明中，作为例子，所述材料为为石化加氢反应器设备用ASME标准SA387、SA542材料中Cr-Mo钢系列、Cr-Mo-V钢系列材料或其他标准对应材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.08-0.12％，电熔成形出的工件材料C含量0.04-0.08％，晶粒度7-10级。

在本发明中，作为例子，所述材料为为核电常规岛整体低压转子用30Cr2Ni4MoV材料或其他标准对应材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.20-0.25％，电熔制得的材料C含量0.10-0.18％，晶粒度7-10级。

在本发明中，作为例子，所述材料为为核电常规岛整体发电机转子用3.5NiMoV材料或其他标准对应材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.20-0.30％，电熔制得的材料C含量0.10-0.18％，晶粒度7-10级。

在本发明中，作为例子，所述材料为为火电超临界或者超超临界机组用3.5％Ni-Cr-Mo-V系列超纯钢汽轮机低压转子钢，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.20-0.30％，电熔成形构件的材料C含量0.10-0.18％，晶粒度7-10级。

在本发明中，作为例子，所述材料为为火电超临界或超超临界机组用12％Cr系汽轮机高中压转子钢，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.08-0.15％，电熔制得的材料C含量0.04-0.10％，晶粒度7-10级。

在本发明中，作为例子，所述材料为为火电超临界或超超临界机组用高低压复合转子用24Cr2Ni1Mo1V材料或其他标准对应材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.15-0.24％，电熔制得的材料C含量0.06-0.15％，晶粒度7-10级。

附图说明

图1A为具体实施方式中涉及的超低碳超细晶高强度钢材料制备方法的示意说明图；

图1B为图1A中A所示位置附近的局部放大图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。

本发明的超低碳超细晶高强度钢材料是通过特殊的制备方法(也称为电熔成形方法)制得的。

图1A为具体实施方式中涉及的超低碳超细晶高强度钢材料制备方法的示意说明图；图1B为图1A中A所示位置附近的局部放大图。由于是原理图，因而，图中部件是示意性的，其实际形状与尺寸关系不受图中所示限制。

该成形方法是将原料丝材1熔化而逐层(图1中所示为堆积至第N层时的状态)堆积在基础材2上，从而最终形成所需的金属构件。

具体实施工序为：

A.送丝机构5将原料丝材1送至放置于工作台21上的基材2的表面，其上覆盖由送粉机构4输送的颗粒状辅料。

B.启动电源12，电源电压使原料丝材1与基材2间形成电弧9产生电弧热，电弧热使部分辅料3熔融，形成辅料渣池8，电流经由电熔头6流过原料丝材1形成电阻热，并通过熔融渣池8形成电渣热，三种热源复合而成高能热源，熔化原料丝材，在基材2表面形成熔池11。

C.控制电熔头6与基材2的相对移动和基材2的温度，实现熔池11与基材换热凝固沉积。

D.送丝机构5与送粉机构4持续输送原料丝材1和辅料3，在辅料3覆盖熔池11和基材2的状态下，原料丝材1逐层堆积在基材2上，最终成形所需材料(体)。

其中，控制装置(计算机)根据成形材料(体)的(数值模拟、数学模型)分层切片数据控制电熔头6与基材2的相对移动方式。

在本发明图示中电熔头电极接正，工件接负只作示意作用，也可以电熔头接负，工件接正，或采取交流电源。

在本发明中，为了保证形成良好的高能热源，尤其是为了产生充分的电渣热，可以适当地调节辅料的成分、原料丝材的直径、电流、基材与原料丝材的相对移动速度等参数。

在本发明中，原料丝1的形态可以是圆棒状、带状，实芯或者药芯的；原料丝1的直径可以根据成形工件的尺寸设定为2～20mm；根据丝材1直径不同，伸出电熔头的长度(通电长度)为20mm～150mm。

在本发明中，辅料3覆盖厚度为15mm～120mm，使用辅料3的作用包括：覆盖电弧9，防止电弧飞溅；覆盖熔池11，隔绝空气，使熔池金属免受空气中氧、氮、氢等的侵害；对熔池金属形成保温；冶金反应过程中去除杂质、掺入合金；形成的渣池8(渣壳7)以机械方式保护沉积金属10良好成形等。

辅料3的成分包含氧化物或者氧化物与卤化物，由于辅料3参与熔池反应，调整工件(金属构件、产品)成分，因而根据所要形成的金属构件的成分和效率要求，可以在辅料中添加合金粉末以及/或者单质金属粉末，提高生产效率，降低生产成本。

另外，在C工序中，可以附带回收残余辅料以及去除渣池8凝固而形成的渣壳7的操作。去除时，可以在原料丝1的相对移动后方400mm～500mm处开始机器去除或人工去除作业。

采用本实施方式的电熔成形方法，原料丝利用率接近100％；相比现有的加工技术(锻造、铸造等)，制造工序少(不需要复杂的热处理)，周期短，效率高，金属构件的机械加工余量非常小，同时减少了精加工时间及节约了大量的材料。

在本发明中，作为例子，所述材料为为核电常规岛整体发电机转子用3.5NiMoV材料或其他标准对应材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.20-0.30％，电熔制得的材料C含量0.10-0.18％，晶粒度 7-10级。

【实施例1】

采用电熔成形方法生长的超低碳超细晶高强度类SA508-3低合金钢零件

选用SA508-3低合金钢作为基板，选用化学成分重量比为C：0.11～0.12％、Mn:1.55～1.85％、Si:≤0.10％、Ni:0.6～0.8％、Mo:0.5～0.6％、Cr:≤0.15％的低合金丝材作为原料，丝材直径为5mm，

选用颗粒度为10～60目的专用辅料，成分为29.5％CaO+MgO,30％Al₂O₃+MnO,20.5％SiO₂+TiO,20％CaF₂；工艺参数为：电熔电流800A、电熔电压36V、移动速度600mm/min，在多轴联动的电熔成形成套设备上连续电熔沉积制备出超低碳超细晶高强度类SA508-3低合金钢零件。

根据ASTM A751标准，对电熔沉积成形后的金属零件(试样)的化学成分进行检测，结果如表1所示。

表1电熔沉积类SA508-3低合金钢零件化学成分分析结果(％)

主要元素	C	Mn	Ni	Mo
					测试值	0.046	1.33	0.77	0.55

根据ASTM A370标准，对电熔沉积成形后的金属零件的力学性能进行检测，表2所示拉伸力学性能，表3所示冲击力学性能，从力学性能试验结果表明，其力学性能达到或优于工业锻造同类低合金钢水平，且组织细密、晶粒度10级、无夹杂、无裂纹。

表2电熔沉积类SA508-3低合金钢零件拉伸力学性能试验结果

表3电熔沉积类SA508-3低合金钢零件冲击力学性能试验结果

【实施例2】

采用电熔成形方法生长的超低碳超细晶类SA182-F11耐热钢零件

选用SA182-F11耐热钢作为基板，选用化学成分重量比为C：0.11～0.12％、Mn:0.40～0.06％、Mo:0.5～0.65％、Cr:1.10～1.50％的低合金丝材作为原料，丝材直径为5mm，选用颗粒度为10～60目的专用辅料，成分为10.60％CaO+MgO；40.40％Al₂O₃+MnO；8.79％SiO₂+TiO；40.21％CaF₂；工艺参数为：电熔电流800A、电熔电压36V、移动速度600mm/min，在多轴联动的电熔成形成套设备上连续电熔沉积制备出超低碳超细晶高强度类SA182-F11耐热钢零件。

根据ASTM A751标准，对电熔沉积成形后的金属零件(试样) 的化学成分进行检测，结果如表4所示。

表4电熔沉积类SA182-F11耐热钢零件化学成分分析结果(％)

主要元素	C	Mn	Mo	Cr
					测试值	0.043	0.46	0.62	1.40

根据ASTM A370标准，对电熔沉积成形后的金属零件的力学性能进行检测，表5所示拉伸力学性能，表6所示冲击力学性能，从力学性能试验结果表明，其力学性能达到或优于工业锻造同类低合金钢水平，且组织细密、晶粒度10级、无夹杂、无裂纹。

表5电熔沉积类SA182-F11耐热钢钢零件拉伸力学性能试验结果

表6电熔沉积类SA182-F11耐热钢钢零件冲击力学性能试验结果

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电熔成形的超低碳超细晶合金钢材料，其特征在于，

用下述电熔成形方法制备，将电熔头与基材接至电源两极，成形时原料丝材经由输送机构和电熔头送至基材表面，颗粒状辅料堆敷在成形处，原料丝材与基材间产生电弧，熔化部分堆敷辅料形成熔融渣池，电流流过原料丝材和熔融辅料渣池形成电阻热和电渣热，这样，电弧热、电阻热、电渣热三种热复合成高能热源使原料丝材熔化，在基材表面形成局部熔池，持续输送原料丝材与辅料，通过控制电熔头与基材的相对移动和基材构件的快速冷却，实现熔池在基材上逐层快速冷却激冷凝固堆积，最终成形出C含量为0.04-0.18％、晶粒度7-10级的超低碳超细晶合金钢材料。

2.根据权利要求1所述的电熔成形的超低碳超细晶合金钢材料，其特征在于，

制备的材料用于低合金钢、耐热钢、不锈钢、镍基合金或汽轮发电机转子合金钢。

3.根据权利要求1所述的电熔成形的超低碳超细晶合金钢材料，其特征在于，

为核电压力容器、堆芯补水箱或蒸发器水室封头用ASME标准SA508Gr3Cl1材料、RCC-M标准16MnD5材料或其他标准对应材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.08-0.12％，电熔成形出的工件材料C含量0.04-0.08％，晶粒度9-10级。

4.根据权利要求1所述的电熔成形的超低碳超细晶合金钢材料，其特征在于，

为稳压器、蒸发器用ASME标准SA508Gr3Cl2材料、RCC-M标准18MnD5材料或其他标准对应材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.11-0.15％，电熔成形出的工件材料C含量0.05-0.10％，晶粒度9-10级。

5.根据权利要求1所述的电熔成形的超低碳超细晶合金钢材料，其特征在于，

为石化加氢反应器设备用ASME标准SA387、SA542材料中Cr-Mo钢系列、Cr-Mo-V钢系列材料或其他标准对应材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.08-0.12％，电熔成形出的工件材料C含量0.04-0.08％，晶粒度7-10级。

6.根据权利要求1所述的电熔成形的超低碳超细晶合金钢材料，其特征在于，

为核电常规岛整体低压转子用30Cr2Ni4MoV材料或其他标准对应材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.20-0.28％，电熔制得的材料C含量0.10-0.18％，晶粒度7-10级。

7.根据权利要求1所述的电熔成形的超低碳超细晶合金钢材料，其特征在于，

为核电常规岛整体发电机转子用3.5％NiMoV材料或其他标准对应材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.20-0.30％，电熔制得的材料C含量0.10-0.18％，晶粒度7-10级。

8.根据权利要求1所述的电熔成形的超低碳超细晶合金钢材料，其特征在于，

为火电超临界或者超超临界机组用3.5％Ni-Cr-Mo-V系列超纯钢汽轮机低压转子钢，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.20-0.30％，电熔成形构件的材料C含量0.10-0.18％，晶粒度7-10级。

9.根据权利要求1所述的电熔成形的超低碳超细晶合金钢材料，其特征在于，

为火电超临界或超超临界机组用12％Cr系汽轮机高中压转子钢，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.08-0.15％，电熔制得的材料C含量0.04-0.10％，晶粒度7-10级。

10.根据权利要求1所述的电熔成形的超低碳超细晶合金钢材料，其特征在于，

为火电超临界或超超临界机组用高低压复合转子用24Cr2Ni1Mo1V材料或其他标准对应材料，电熔制备所用金属原料丝材C含量0.15-0.24％，电熔制得的材料C含量0.06-0.15％，晶粒度7-10级。