CN108588578B - 一种无镍高钼耐蚀铸钢及其制备方法和应用 - Google Patents

一种无镍高钼耐蚀铸钢及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明一种低成本无镍高钼铸钢及其制备方法和应用。所述无镍高钼耐蚀铸钢；以质量百分比计包括下述组分：C≤0.15％，Cr12.4％～12.9％，Mo4.5％～5％，且Cr的Mo质量比为2.5‑2.6:1；Si0.3％～0.5％，Mn≤0.1％，Cu 0.5％～1％，Ti≤0.1％，余量为Fe；所述无镍高钼耐蚀铸钢为奥氏体复相钢。其制备方法为：按设计组分配取各原料后，经熔炼、扒渣后浇铸；得到铸态产品。本发明所得铸态产品具有优异的耐盐蚀性能。其适用于应用于在高温、盐雾等恶劣环境下的以罗兹鼓风机为代表的工程器械。本发明组份设计合理，相较于同类型钢铁合金材料，价格便宜，便于大规模工业化应用。

Description

一种无镍高钼耐蚀铸钢及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于铸钢材料领域，具体涉及一种低成本无镍高钼耐蚀铸钢及其制备方法和应用。
背景技术
罗茨鼓风机，英文名Roots blower，系属容积回转鼓风机，利用两个叶形转子在气缸内作相对运动来压缩和输送气体的回转压缩机。由于周期性的吸、排气和瞬时等容压缩造成气流速度和压力的脉动，因而会产生较大的气体动力噪声。罗茨风机所输送的这些特殊介质往往存在高温、含尘、含湿等不利情况，特别是在含NH4 +及Cl-环境中，对罗茨风机的密封结构和材质的防腐、耐磨、防汽蚀等特性提出了很高的要求。常用于鼓风机上的材料为灰口铸铁，灰口铸铁的成本低，耐磨性能良好，但是耐蚀性能较差，故鼓风机往往存在着腐蚀引起失效的问题。因此需要耐高温腐蚀的材料用于制作鼓风机的外壳件。但我国耐高温腐蚀、汽蚀部件大多依靠进口，且该类部件往往含有较高的合金量，使得成本非常高。而低成本高综合性能耐蚀铸钢代表了国内耐蚀合金高端产品，不仅具有重要的战略意义，更有广泛的市场前景。
耐蚀铸钢按照组织的不同可以划分为马氏体耐蚀钢、奥氏体耐蚀钢、铁素体耐蚀钢以及沉淀硬化耐蚀钢，其中，奥氏体耐蚀钢的耐腐蚀性能较好，且力学性能优良，其代表型号Cr18Ni9Ti应用十分广泛，但是304不锈钢是一种高合金耐蚀铸钢，虽然高合金耐蚀铸钢有较好的耐蚀性能，但熔炼过程复杂，耗材多，成本高，成品率低。特别是奥氏体不锈钢中含有很高的Ni元素，但镍元素具有潜在的致敏作用，对生物体具有致畸、致癌等危害，在1994年颁布的欧洲议会94/27/EC标准中，要求植入人体内的医用材料中镍含量不应超过0.05％，对长期接触人体皮肤的金属材料，如首饰、手表、戒指、手镯等，其镍含量则以每周渗入皮肤含量不应超过0.5μg/cm2为最高限量。且镍是一种贵重的稀有元素，奥氏体不锈钢的生产消耗了大量的镍元素，造成其产品价格居高不下，不利于节约资源型材料的发展。近年来低合金铸钢以其熔炼简便、成本低、污染小等优点，逐渐成为防腐蚀行业的研究热点。但低合金铸钢往往难以达到耐腐蚀指标，因此亟需一种既能降低成本、简化生产工艺，又能达到良好抗腐蚀性能的耐蚀铸钢。
不锈钢耐腐蚀的基本原因是因为其表面形成的钝化膜。所谓钝化膜就是在不锈钢的表面有一层以Cr2O3为主的薄膜。这个膜使不锈钢基体在各种介质中的腐蚀受阻。钝化膜的形成有两种情况：一种是不锈钢本身就有的自钝化能力，这种自钝化能力随铬含量的增加而加快；另一种较广泛的形成条件是不锈钢在各种水溶液电解质中，在被腐蚀的过程中形成钝化膜而使腐蚀受阻，当钝化膜被损坏后，立即又可形成新的钝化膜。为了形成稳定的钝化膜，因此不锈钢中常常含有较高的Cr元素，而Mo元素能够加快钝化膜的修补速度，所以常常加一定量的Mo元素也可以提高不锈钢的耐腐蚀性能。
传统的低合金耐蚀钢设计仅仅改变耐蚀钢的成分配比，难以为后续的性能检测等工作提供详尽的理论支持，本发明从组织设计开始，为后续工作提供了有效的理论支持。本工作团队首先找到一种普通铸钢件或铸铁件为基体，在铸造过程中适度改良，使其对水蒸汽具有相对的耐汽蚀性，对工业气体有相对耐腐蚀性，得到低成本、性能好的替代材料。
发明内容
传统的低合金耐蚀钢设计仅仅改变耐蚀钢的成分配比，难以为后续的性能检测等工作提供详尽的理论支持，本发明从组织设计开始，为后续工作提供了有效的理论支持。
研究发现，与铁素体不锈钢相比，304不锈钢具有更好的耐腐蚀性能和综合力学性能，其室温及低温韧性、塑性及焊接性大大高于铁素体不锈钢，且奥氏体不锈钢在氧化性、中性及弱氧化性介质中的耐蚀性还比较优良。而奥氏体单相不锈钢的耐腐蚀性能功能往往较差，因此本工作团队选择以奥氏体复相不锈钢为设计基础。
但在现有工业用奥氏体不锈钢(包括304)中一般含有镍，且镍是主要的奥氏体化元素，其主要作用是形成并稳定奥氏体，使不锈钢获得良好的强度、塑性和韧性。众所周知，镍元素成本高昂，同时在某些领域的应用受到了限制，于是人们尝试了无镍不锈钢的开发；其一般手段，是加入大量的N和Mn以确保奥氏体的形成；但对于加入大量的N的技术，现有普通铸造工艺几乎无法实现如此高的氮含量；必然采用特殊的铸造工艺或粉末冶金工艺，这样一来将导致其工艺成本升高。加入大量的Mn同样也面临着成本高等问题。
本发明所需要解决的问题是针对上述内容提到的在低合金含量下制备出一种熔炼过程简单，耗材少，成本低，成品率高且性能优良的奥氏体复相不锈钢铸钢材料。该铸钢的金相组织为奥氏体复相结构。
本发明一种无镍高钼耐蚀铸钢；以质量百分比计包括下述组分；
C≤0.15％，
Cr12.4％～12.9％，
Mo4.5％～5％，且Cr的Mo质量比为2.5-2.6:1；
Si0.3％～0.5％，
Mn≤0.1％，
Cu 0.5％～1％，
Ti≤0.1％，余量为Fe；
所述无镍高钼耐蚀铸钢的组织结构为奥氏体复相组织，所述奥氏体复相组织按体积百分数计包括奥氏体50-70％；铁素体30-50％。
作为优选方案，本发明一种无镍高钼耐蚀铸钢；以质量百分比计包括下述组分；
C≤0.15％，
Cr 12.5％，
Mo 5％，
Si 0.5％，
Mn≤0.1％，
Cu 0.5％，
Ti≤0.1％，余量为Fe；
所述无镍高钼耐蚀铸钢的组织结构为奥氏体复相组织，所述奥氏体复相组织按体积百分数计由下述组分组成：
奥氏体50-70％；
铁素体30-50％；
余量为珠光体和/或马氏体。
作为优选方案，本发明一种无镍高钼耐蚀铸钢；以质量百分比计包括下述组分；
C≤0.15％，
Cr 12.5％，
Mo 5％，
Si 0.5％，
Mn≤0.1％，
Cu 0.5％，
Ti≤0.1％，余量为Fe；
所述无镍高钼耐蚀铸钢的组织结构为奥氏体复相组织，所述奥氏体复相组织按体积百分数计由下述组分组成：
奥氏体50-70％；
铁素体30-50％。
本发明一种无镍高钼耐蚀铸钢，通过组分设计和优化，得到了无镍的双相不锈钢或无镍的多相钢。
本发明一种无镍高钼耐蚀铸钢的制备方法，包括下述步骤：
步骤一
按照配比称取钼铁、铬铁、纯铜、纯铁、纯钛；
步骤二
将步骤一中称取的钼铁、铬铁、纯铜、纯铁、纯钛加入中频炉中进行熔炼，加料顺序为钼铁、铬铁、纯铜、纯铁随炉加入，纯钛在浇筑前5-8min前加入，然后通电融化；在温度到达1620℃-1630℃时，扒除炉渣，加模头料融化至满炉，再加高温除渣剂覆满液面；
步骤三
当温度达到浇注温度1520℃-1550℃时，扒除炉渣，加入纯铝脱氧；脱氧完成后，将中频炉功率置0，快速扒渣6-8次，直至液面干净；
步骤四
扒渣后当钢水后温度达到浇注温度1520℃-1550℃时，清理干净金属模具，进行浇注，浇注后自然冷却；得到铸态无镍高钼耐蚀铸钢。
本发明一种无镍高钼耐蚀铸钢的制备方法，步骤四所得铸态无镍高钼耐蚀铸钢在1050-1150℃下保温，之后取出进行自然冷却；得到固溶态产品。在工业上应用时，根据产品尺寸调整保温时间，一般按照2mm/min的规格调整。
本发明一种无镍高钼耐蚀铸钢的制备方法，所用钼铁中，钼的质量百分含量为55％；所用铬铁中铬的质量百分含量为60％；所用纯铜、纯铁、纯钛的纯度均大于等于99.99wt％。
本发明所设计和制备的无镍耐腐蚀铸钢的硬度为40-42HRC、屈服强度为270-300MPa、抗拉强度为600-630MPa。
本发明所设计和制备的无镍高钼耐蚀铸钢，适用于MVR蒸发器和罗茨鼓风机。
本发明所设计和制备的无镍耐腐蚀铸钢，其成本仅为304L不锈钢60％及以下。
经优化后，本发明所设计和制备的无镍耐腐蚀铸钢，其铸态在3.5wt％的氯化钠溶液中，180天的失重比0.04％；同等条件下，304L不锈钢在3.5wt％的氯化钠溶液中，180天的失重比0.13％。
经优化后，本发明所设计和制备的无镍耐腐蚀铸钢，其铸态在4.25wt％的硫酸铵溶液中腐蚀180天的失重比为-0.03％；而同等条件下，304L不锈钢4.25wt％的硫酸铵溶液中腐蚀180天的失重比为-0.007％。同时延长腐蚀时间，发现失重比几乎不变；这证明；本发明所得产品在4.25wt％的硫酸铵溶液中快速生成致密的氧化膜；其生成速度大于304L不锈钢。这对于高温、高湿、高盐环境所用MVR蒸发器而言，越早生成致密氧化膜，是越有利的。
本发明中，失重比的计算公式为：
失重比＝(M1-M)/M1*100％，其中M1为初始重量，M为180天称量重量。负号表示重量增加。
本发明一种耐腐蚀铸钢具有优良的力学性能及耐腐蚀性能，尤其在NH4 +、Cl-、SO4 2-环境中表现出优良的耐腐蚀性能。本发明通过加入Cr、Mo及Cu元素并合理配比从而获得良好的耐腐蚀性能，Cr元素能促使钢的表面形成钝化膜，当Cr的含量大于12.4％时，配合适量的Mo能加速钝化膜的形成速度；这为短时间内得到高致密的氧化膜提供了必要条件，同时快速生成的致密氧化莫对于MVR蒸发器而言，是非常有利的。
本发明通过严格控制Cr与Mo的含量以及比例，配合适量其他组分；在适当工艺条件下，首次得了奥氏体为50-70V％、铁素体30-50V％的双相组织或复相组织。所得产品在耐氯化铵、硫酸铵腐蚀方面取得意料不到的效果。
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为国外湿式真空泵被密封水冲刷和汽蚀之后的照片。
图2为本发明实施例1所得产品的金相图。
具体实施方式
实施例1
本实施实例耐蚀铸钢由以下成分组成：C≤0.15％，Cr12.5％，Mo5％，Si0.5％，Mn≤0.1％，Cu 0.5％，Ti≤0.1％，余量为Fe。
本实施实例耐蚀铸钢的制备方法为：
一.按照配比称取钼铁、铬铁、纯铜、纯铁、纯钛；
二.将步骤一中称取的钼铁、铬铁、纯铜、纯铁、纯钛加入中频炉中进行熔炼，所用中频炉如图1所示，加料顺序为钼铁、铬铁、纯铜、纯铁随炉加入，纯钛在浇筑前5-8min前加入，然后通电融化。在温度到达1620℃-1630℃时，扒除炉渣，加模头料融化至满炉，再加高温除渣剂覆满液面。
三.当温度达到浇注温度1520℃-1550℃左右时，扒除炉渣，加入纯铝脱氧。脱氧完成后，将中频炉功率置0，快速扒渣6-8次，直至液面干净。
四.扒渣后当钢水后温度达到浇注温度1520℃-1550℃时，清理干净金属模具，进行浇注，浇注后自然冷却，冷却后得到的铸件。
测试铸件的性能：
所得铸件在3.5wt％的氯化钠溶液中，180天的失重比0.04％；同等条件下，304L不锈钢在3.5wt％的氯化钠溶液中，180天的失重比0.13％。
所得铸件在4.25wt％的硫酸铵溶液中腐蚀180天的失重比为-0.03％；而同等条件下，304L不锈钢4.25wt％的硫酸铵溶液中腐蚀180天的失重比为-0.007％。同时延长腐蚀时间，发现失重比几乎不变；这证明；本发明所得产品在4.25wt％的硫酸铵溶液中快速生成致密的氧化膜；其生成速度大于304L不锈钢。这对于高温、高湿、高盐环境所用MVR蒸发器而言，越早生成致密氧化膜，是越有利的。
铸件的屈服强度为270-350MPa、抗拉强度为600-630MPa、硬度为40-42HRC。
将上述铸件在1000-1150℃下保温，保温时间与尺寸有关，2mm/min，之后取出进行自然冷却；得到固溶态产品。
固溶态产品的硬度为38-40HRC。
试样所得金相图如图2所示；从图2中可以看出所得奥氏体复相组织按体积百分数计由下述组分组成：奥氏体50-70％；铁素体30-50％。
对比例1
其他条件均匀实施例1一致，不同之处在于：
铸钢由以下成分组成：C≤0.15％，Cr12.5％，Mo4％，Si0.5％，Mn≤0.1％，Cu0.5％，Ti≤0.1％，余量为Fe。
同时，其铸件在4.25wt％的硫酸铵溶液中腐蚀180天的失重比为-0.008％。
其铸件在3.5wt％的氯化钠溶液中，180天的失重比0.12％。

Claims (9)

1.一种无镍高钼耐蚀铸钢；其特征在于；以质量百分比计由下述组分组成：
C≤0.15%，
Cr12.4%-12.9%，
Mo4.5%-5%，且Cr的Mo质量比为2.5-2.6:1；
Si0.3%-0.5%，
Mn≤0.1%，
Cu 0.5%-1%，
Ti≤0.1%，余量为Fe；
所述无镍高钼耐蚀铸钢的组织结构为奥氏体复相组织，所述奥氏体复相组织按体积百分数计包括：奥氏体 50-70%；铁素体30-50%；
所述无镍高钼耐蚀铸钢通过下述步骤制备：
步骤一
按照配比称取钼铁、铬铁、纯铜、纯铁、纯钛；
步骤二
将步骤一中称取的钼铁、铬铁、纯铜、纯铁、纯钛加入中频炉中进行熔炼，加料顺序为钼铁、铬铁、纯铜、纯铁随炉加入，纯钛在浇注前5-8min前加入，然后通电熔化；在温度到达1620℃-1630℃时，扒除炉渣，加模头料熔化至满炉，再加高温除渣剂覆满液面；
步骤三
当温度达到浇注温度1520℃-1550℃时，扒除炉渣，加入纯铝脱氧；脱氧完成后，将中频炉功率置0，快速扒渣6-8次，直至液面干净；
步骤四
扒渣后当钢水后温度达到浇注温度1520℃-1550℃时，清理干净金属模具，进行浇注，浇注后自然冷却；得到铸态无镍高钼耐蚀铸钢。
2.根据权利要求1所述的一种无镍高钼耐蚀铸钢；其特征在于；以质量百分比计由下述组分组成：
C≤0.15%，
Cr 12.5%，
Mo 5%，
Si 0.5%，
Mn≤0.1%，
Cu 0.5%，
Ti≤0.1%，余量为Fe；
所述无镍高钼耐蚀铸钢的组织结构为奥氏体复相组织，所述奥氏体复相组织按体积百分数计由下述组分组成：
奥氏体 50-70%；
铁素体30-50%；
余量为珠光体和/或马氏体。
3.根据权利要求1所述的一种无镍高钼耐蚀铸钢；其特征在于；以质量百分比计由下述组分组成：
C≤0.15%，
Cr 12.5%，
Mo 5%，
Si 0.5%，
Mn≤0.1%，
Cu 0.5%，
Ti≤0.1%，余量为Fe；
所述无镍高钼耐蚀铸钢的组织结构为奥氏体复相组织，所述奥氏体复相组织按体积百分数计由下述组分组成：
奥氏体 50-70%；
铁素体30-50%。
4.根据权利要求3所述的一种无镍高钼耐蚀铸钢；其特征在于；所述无镍高钼耐蚀铸钢为无镍的双相不锈钢。
5.根据权利要求1所述的一种无镍高钼耐蚀铸钢，其特征在于：步骤四所得铸态无镍高钼耐蚀铸钢在1000-1150℃下保温，取出进行自然冷却；得到固溶态产品。
6.根据权利要求1所述的一种无镍高钼耐蚀铸钢，其特征在于：所用钼铁中，钼的质量百分含量为55%；所用铬铁中铬的质量百分含量为60%；所用纯铜、纯铁、纯钛的纯度均大于等于99.99wt%。
7.根据权利要求1所述的一种无镍高钼耐蚀铸钢，其特征在于：铸态无镍耐腐蚀铸钢的硬度为40-42HRC、屈服强度为270-300MPa、抗拉强度为600-630MPa。
8.根据权利要求1所述的一种无镍高钼耐蚀铸钢，其特征在于：
步骤四所得无镍高钼耐蚀铸钢在3.5wt%的氯化钠溶液中，180天的失重比为0.04%。
9.一种如权利要求1-8任意一项所述无镍高钼耐蚀铸钢的应用，其特征在于：所述应用包括将其用于MVR蒸发器和罗茨鼓风机。
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