CN108660373A - 一种高强度奥氏体不锈钢叶轮轴的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度奥氏体不锈钢叶轮轴的制造方法，其特征在于：所述奥氏体不锈钢钢锭中各成分所占的质量百分比为：C≤0.03、Si≤1.00、Mn≤2.00、Cr16.00‑18.00、Ni10.00‑13.00、P≤0.30、S≤0.30、V 0.08‑0.12，以及Mo大于 3.00且不超过5.50，N大于 0.16且不超过0.45，其余为Fe。本发明的优点在于：抗拉强度可达到650Mpa以上，可使叶轮轴在含有耐氯离子的介质中抗腐蚀性能好，又比美国AL‑6X经济实惠，可广泛推广应用。

Description

一种高强度奥氏体不锈钢叶轮轴的制造方法
技术领域
本发明涉及冶金锻造热处理，尤其涉及一种高强度奥氏体不锈钢叶轮轴的制造方法。
背景技术
现有的奥氏体不锈钢0Cr17Ni12Mo2N抗拉强度在Rm520-550Mpa，抗压强度低，并且遇到海水等含氯离子介质时叶轮轴将很快被腐蚀，影响其使用；而目前市场需求钢种抗拉强度Rm≥650Mpa，屈服强度Rm≥350Mpa，且耐腐蚀，例如在油田污水以及其他含氯离子的化工介质中，只有美国AL-6X钢基本能满足客户对于这种既要满足力学性能又要耐氯离子、耐腐蚀的钢种要求，但AL-6X中Cr20、Ni25含量高，Cr20、Ni25生产成本非常高，难以满足市场需求。
发明内容
本发明的目的克服现有技术不足，提供了一种高强度奥氏体不锈钢叶轮轴的制造方法，该制造方法中得到的奥氏体不锈钢钢锭中采用合适的组分配比，以得到高强度、耐腐蚀的钢种，满足市场需求。
本发明的目的是通过以下技术方案完成：
一种高强度奥氏体不锈钢叶轮轴的制造方法，包括对钢材原材料进行超纯净化熔炼获得奥氏体不锈钢钢锭，其特征在于：所述奥氏体不锈钢钢锭中各成分所占的质量百分比为：C ≤0.03、Si ≤1.00、Mn ≤2.00、Cr 16.00-18.00、Ni 10.00-13.00、P≤0.30、S≤0.30、V0.08-0.12，以及Mo大于 3.00且不超过5.50， N大于 0.16且不超过0.45，其余为Fe。
所述奥氏体不锈钢钢锭中各组分所占的的质量百分比为：C ≤0.02 、Si 0.40-0.60、Mn 1.50-1.80 、Cr17.00-17.50、Ni 12.00-12.50、P≤0.025、S≤0.015、V 0.10-0.12、Mo 4.50-5.5、N 0.40-0.44，其余为Fe。
本发明的优点在于：现有钢种存强度低,耐蚀性、耐氯离子性能差等缺点，无法满足叶轮轴在油田污水以及其他含氯离子的化工介质中的力学性能和耐腐蚀性能，而现有钢种中耐腐蚀性、耐氯离子性能好的钢种其成本价格又特别高，现研制开发的高强度奥氏体不锈钢叶轮轴，抗拉强度可达到650Mpa以上，使叶轮轴在含有耐氯离子的介质中抗腐蚀性能好，又比美国AL-6X经济实惠，可广泛推广应用。
附图说明
图1为实施例中00Cr17Ni12Mo5N钢与现有钢种AL-6X、0Cr17Ni12Mo2、18-8Ti在1mol/L Cl－水溶液中的阳极极化曲线图；
图2为实施例中实施例中00Cr17Ni12Mo5N钢与现有钢种AL-6X、0Cr17Ni12Mo2、18-8Ti在30℃的3%NaCl水溶液中的阳极极化曲线图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
实施例：本实施例中具体涉及一种高强度奥氏体不锈钢的新材料00Cr17Ni12Mo5N，将该材料00Cr17Ni12Mo5N钢具体用于叶轮轴的制造。
新材料00Cr17Ni12Mo5N通过对化学成分合理化的设计，使得新材料00Cr17Ni12Mo5N钢符合叶轮轴在海底作业时需要达到的力学强度、耐腐性、耐氯离子等性能的要求。00Cr17Ni12Mo5N新钢种的化学成分，与现有钢种0Cr17Ni12Mo2N的化学元素组合相比，提高了组分中化学元素Mo、N的含量，同时又增加了0.08-0.12的化学元素V，使得细化晶粒提高强度，又将C含量从0.08%降低至0.03%，从而提高了新材料钢的力学强度及耐氯离子、耐腐蚀性。在此基础上，强化元素Mn、Mo、N取上限，塑性元素Cr、Si取中上限，S、P尽量低，有效控制有害元素，Pb+Sn+Sb+As+Bi≤0.05%，获得00Cr17Ni12Mo5N钢的化学成分的优化组合，使力学性能达到最佳状态。具体参见表1。
以下表1为本实施例中00Cr17Ni12Mo5N钢的化学成分以及00Cr17Ni12Mo5N钢的优化组合与现有钢种0Cr17Ni12Mo2N的化学成分对照表：
表1
本实施例中高强度奥氏体不锈钢叶轮轴具体加工生产过程如下：
1）、对钢材原材料进行超纯净化熔炼获得00Cr17Ni12Mo5N钢锭。
1.1首先选用优质合金、原生态废钢作为原材料，原生态的废钢可以为直接从钢厂采购钢棒头子、钢板边角料、以及无泥沙、无油腻、无铁锈、无污染的洁净块料废钢。对所选用钢材原材料用5%稀硫酸进行清洗，再用清水冲洗，洗掉钢材原材料表面污染，再烘干进炉。
1.2在进炉前进行洗炉，对炉膛、钢包进行清洗，清洗方法是在炼00Cr17Ni12Mo5N钢锭前，先炼2炉相近钢种，例如304、316，使得残留在炉膛壁、钢包壁上的W、Ti、Al及有害元素带走了。
1.3通过采用EF+VOD或EF+AOD的熔炼方式，制备和熔炼上述化学元素组合的00Cr17Ni12Mo5N钢锭。通过超纯净化熔炼的00Cr17Ni12Mo5N钢锭，满足C≤0.03使﹝O﹞≤20ppm，﹝H﹞≤2ppm的技术要求。
1.4在步骤1.3的EF熔炼过程的氧化期加入自制复合脱氧剂，该复合脱氧剂的化学组分百分比为C≤0.5、Mn 18-22、Si 8-12、Al 4-5、Ca 3-5，其余为Fe，使复合脱氧剂与氧化物、硫化物化合反应形成钢渣，浮在钢液表面。再通过在氧化期、还原期、出钢前三次扒渣，从而净化钢水，提高了00Cr17Ni12Mo5N钢锭耐腐蚀性能。
2)、对通过步骤1）获得的00Cr17Ni12Mo5N钢锭进行锻造，获得叶轮轴。
将步骤1）获得的00Cr17Ni12Mo5N钢锭充分切除头尾，使利用率≤88%，对00Cr17Ni12Mo5N钢锭表面剥皮，清除表面的裂纹和缺陷。00Cr17Ni12Mo5N钢锭加热的过程中，对00Cr17Ni12Mo5N钢锭进行加热翻身，使得00Cr17Ni12Mo5N钢锭加热均匀，在锻造时铁镦也要预热约300℃。锻件必须进行2镦2 拔，强压快锻，加大锻造比，锻造比≥3。严格控制加热温度，始锻温度1080℃，终锻温度≥850℃。
3）、对通过步骤2）获得的奥氏体不锈钢叶轮轴的产品进行粗加工，清除叶轮轴的表面缺陷。
4）、固溶热处理
对通过步骤3）获得奥氏体不锈钢叶轮轴的产品进行固溶热处理，使产品加热均匀，在固溶热处理前860℃进行正火预备热处理，细化晶粒，然后1050℃固溶热处理，快速水冷，当温度小于等于40℃出水，对经固溶热处理后的产品进行性能检测。
5）、对由4）步骤获得的奥氏体不锈钢叶轮轴的产品进行力学性能检测（具体实测值见下表3）；并进行耐腐蚀性能检测。
表2为本实施例中获得的奥氏体不锈钢叶轮轴产品的化学成分的实测值。
表2
表3为通过本实施例中获得的奥氏体不锈钢叶轮轴产品的力学性能实测值。
表3
5.1 00Cr17Ni12Mo5N钢、00Cr17Ni12Mo5N钢优化组合与现有钢种0Cr17Ni12Mo2N进行力学性能对比，见表4；
表4
由表4可见，00Cr17Ni12Mo5N钢以及00Cr17Ni12Mo5N钢的优化组合的力学性能明显优于现有钢种0Cr17Ni12Mo2N的。满足了叶轮轴在海底作业时对钢种材料应具备抗拉强度Rm≥650Mpa，屈服强度Rm≥350Mpa的力学性能的技术要求。
5.2对本实施例所获得00Cr17Ni12Mo5N钢进行耐蚀性能试验，将现有钢种0Cr17Ni12Mo2N、1Cr18Ni9Ti、18-8Ti 、AL-6X作为00Cr17Ni12Mo5N钢对比试样，同时进行耐腐蚀性试验。
5.2.1通过化学法和电化学法对00Cr17Ni12Mo5N不锈钢进行耐蚀性能测试。
将00Cr17Ni12Mo5N钢与现有钢种1Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni12Mo2、AL-6X放置在50℃的10%FeCl2 .6H2O水溶液中，经72h后的记录试验结果，用化学法测试00Cr17Ni12Mo5N钢的腐蚀速率，如下表5。
表5
由表5可见，本实施例中的00Cr17Ni12Mo5N钢与现有钢种1Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni12Mo2以及AL-6X相比，腐蚀的速率最低，因此，通过化学法测得00Cr17Ni12Mo5N钢耐腐蚀性最好。
通过电化学法测得本实施例中00Cr17Ni12Mo5N钢与现有钢种AL-6X、0Cr17Ni12Mo2、18-8Ti在1mol/L Cl－水溶液中（PH＝6.9）的阳极极化曲线。如图1所示，本实施例的00Cr17Ni12Mo5N钢和现有钢种AL-6X钢具有极为相似的阳极极化曲线，钝化区很宽，过钝化电位在1V以上，过钝化电位很高表示了很高的耐蚀性能，相比之下，18-8Ti和0Cr17Ni12Mo2钢的点蚀击穿电位低得多，钝化区也很窄，说明现有钢种18-8Ti、0Cr17Ni12Mo2的耐蚀性能远远低于00Cr17Ni12Mo5N钢。因此，通过本实施例所获得的高强度奥氏体不锈钢叶轮轴产品可满足在油田污水以及其他含氯离子的化工介质中时的耐腐蚀性能。
5.2.2、检测00Cr17Ni12Mo5N钢在氯化物介质中耐缝隙腐蚀性能。
在30℃的3%NaCl水溶液中，对人造缝隙试样采用电位（SCE）1V恒电位阳极极化预处理极化，而得到稳定酸度值，并在模拟稳定酸度加入相应Cl－介质中测阳极极化曲线，视其是否出现活化峰来判断合金是否发生缝隙腐蚀。
图2 为00Cr17Ni12Mo5N钢与对比试样18-8Ti 、0Cr17Ni12Mo2和AL-6X钢的试验结果。由图2可看出，作为对比试样的现有钢种18-8Ti 和0Cr17Ni12Mo2的阳极极化曲线上均出现活化峰，表示为可能发生缝隙腐蚀；而奥氏体00Cr17Ni12Mo5N不锈钢和AL-6X的阳极极化曲线上未出现活化峰，表示不发生缝隙腐蚀。可见，00Cr17Ni12Mo5N钢在氯化物介质中耐缝隙腐蚀性能与现有的钢种AL-6X效果基本相同。因此，通过本实施例所获得的高强度奥氏体不锈钢叶轮轴产品可满足在海底作业时的耐氯离子性能。
5.2.3、检测00Cr17Ni12Mo5N钢的耐晶间腐蚀性能。
将00Cr17Ni12Mo5N钢经固溶处理后按国标GB4334.5-84硫酸-硫酸铜法进行，试验后的试样经90度弯曲在10倍放大镜下观察，未发现裂纹，这说明未出现晶间腐蚀。
综上所述，本实施中通过与本发明00Cr17Ni12Mo5N钢的化学组分以及成本价格相近似的现有钢种0Cr17Ni12Mo2，以及将具有耐腐蚀性能的AL-6X、18-8Ti、1Cr18Ni9Ti作为对比试样。通过实验数据进行对比分析，更加突显了本发明的技术效果。
经对比分析结果表明，本实施例中00Cr17Ni12Mo5N钢的强度高出现有钢种0Cr17Ni12Mo2的100Mpa以上。并将00Cr17Ni12Mo5N钢的耐腐蚀性能与耐腐性能较好的美国AL-6X钢进行对比，实施例中表明00Cr17Ni12Mo5N钢的耐腐蚀性能可与美国AL-6X钢相媲美，而美国AL-6X钢中Cr20、Ni25含量高，Cr20、Ni25生产成本非常高，美国AL-6X钢的成本价格大约高出本实施例中00Cr17Ni12Mo5N钢材料的百分之六十以上，因此，将00Cr17Ni12Mo5N新钢种应用到叶轮轴上既符合叶轮轴在海底作业的力学强度、耐腐蚀性能、耐氯离子性能的要求，同时使得叶轮轴的制造成本降低了一半以上。

Claims (2)

1.一种高强度奥氏体不锈钢叶轮轴的制造方法，包括对钢材原材料进行超纯净化熔炼获得奥氏体不锈钢钢锭，其特征在于：所述奥氏体不锈钢钢锭中各成分所占的质量百分比为：C ≤0.03、Si ≤1.00、Mn ≤2.00、Cr 16.00-18.00、Ni 10.00-13.00、P≤0.30、S≤0.30、V 0.08-0.12，以及Mo大于 3.00且不超过5.50，N大于 0.16且不超过0.45，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种高强度奥氏体不锈钢叶轮轴的制造方法，其特征在于：所述奥氏体不锈钢钢锭中各组分所占的的质量百分比为：C ≤0.02 、Si 0.40-0.60、Mn1.50-1.80 、Cr 17.00-17.50、Ni 12.00-12.50、P≤0.025、S≤0.015、V 0.10-0.12、Mo4.50-5.5、N 0.40-0.44，其余为Fe。
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