CN109402516A - 超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方，属于不锈钢铸造合金技术领域。按质量百分计如下：C≦0.03%、Si≦1.00%、Mn≦1.50%、P≦0.04%、S≦0.04%、Cr 24.0%‑26.0%、Ni 6.0%‑8.0%、Mo 4.0%‑5.0%、N 0.18%‑0.25%；双相不锈钢的孔蚀抗力当量值PRE：%Cr+3.3%Mo+16%N≥40%。本发明所得配方针对精密铸造蝶阀体精铸件，突破了现有非真空中频感应电炉不能正常生产超级双相不锈钢精密铸件的技术难题，能够制备出力学性能优良的船用蝶阀体精铸件。

Description

超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方

技术领域

本发明涉及一种超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方，具体涉及一种CE3MN超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方，属于不锈钢铸造合金技术领域。

背景技术

阀门作为压力管道元件，在流体输送系统中具有截止、调节、导流、稳压、泄压、过滤等功能，其种类繁多，应用领域十分广泛。

人们发现奥氏体不锈钢在有应力腐蚀破裂的环境中常常失效，研究发现铁素体可以降低不锈钢对应力腐蚀破裂的敏感性。为了解决奥氏体不锈钢的晶间腐蚀问题，双相不锈钢便得到了重视与发展。

双相不锈钢是指不锈钢中既有奥氏体（A相）又有铁素体（F相）组织结构的钢种，而且二相组织要独立存在，目前最常用的是两相各约占50%的双相不锈钢。由于不锈钢中具有A+F双相组织结构且比例相当，它兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，它的屈服强度是普通不锈钢的2倍，在抗腐蚀方面，特别是介质环境比较恶劣（如海水，氯离子含量较高）的条件下，用双相不锈钢材质做的阀门其抗点蚀、耐氯化物应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通的奥氏体不锈钢，可以与高镍的奥氏体不锈钢相媲美，因此说它也是一种节镍型不锈钢。

本发明以生产“一种高性能的蝶阀CE3MN超级双相不锈钢壳体精密铸件”的实际生产经验，展开对超级双相不锈钢的研究。

铸件材质CE3MN在美国ASTM A890/A890M标准中牌号是5A，属于第三代超级双相不锈钢。CE3MN合金属25Cr7NiMoN类型，化学成分中高铬、低镍、含钼和氮元素。在精密铸造生产碟阀壳体铸件的过程中，同样规格型号的蝶阀壳体精密铸件，材质为300系列奥氏体不锈钢时，生产工艺成熟且产品质量稳定，而仅仅是把材质改成超级双相不锈钢再采用奥氏体不锈钢的铸造工艺生产，结果出现了意想不到的裂纹等铸造缺陷。

经过研究发现，超级双相不锈钢中，因为铁素体的含量与奥氏体相当使该钢种在铸造过程中的脆性加大、钢水的流动性变差、铸件冷却过程中晶粒容易粗大、造成裂纹的倾向明显加大，又由于氮含量的提高使铸件凝固过程中，容易产生气孔、氧化夹渣等缺陷，这些缺陷又会作为裂纹源而使铸件发生裂纹的几率增加等。因此，该钢种在精密铸造生产过程中，除了铸造工艺要优化设计以外、熔炼工艺方案设计与控制是成败的关键。

根据CE3MN超级双相不锈钢的铸造特性，生产上如能用真空感应炉熔炼效果较好，但由于真空感应炉熔炼操作复杂, 成本高，而且企业往往就只有非真空中频感应电炉，按常规熔炼不锈钢工艺方法，力学性能，金相组织很难稳定。常规生产时，还会出现裂纹现象且氩焊技术要求高，控制不好还会引起补焊区周围产生新的裂纹。

因此，对于像CE3MN（5A）超级双相不锈钢来说，如何实现利用现有的非真空中频感应电炉现场条件，也能生产出满足材质技术标准和顾客要求的高性能蝶阀壳体精密铸件的目标，本项目组通过生产实践，找到了一种该超级双相不锈钢熔炼的关键工艺方法，突破了现有非真空中频感应电炉不能正常生产超级双相不锈钢精密铸件的技术难题。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足之处，提供一种超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方，其能够制备出精密铸造蝶阀体精铸件。

本发明的技术方案，超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方，配方比例按质量百分计如下：C≦0.03%、Si≦1.00%、Mn≦1.50%、P≦0.04%、S≦0.04%、Cr 24.0%-26.0%、Ni 6.0%-8.0%、Mo 4.0%-5.0%、N 0.18%-0.25%；

双相不锈钢的孔蚀抗力当量值PRE：%Cr+3.3%Mo+16%N≥40%。

所述按质量百分比计C含量为0.02%。

所述按质量百分比计Cr含量为25.0%。

所述按质量百分比计Mo含量为4.6%。

所述按质量百分比计Si含量为0.7%。

所述按质量百分比计Ni含量为6.5%。

所述按质量百分比计N含量为0.23%。

所述按质量百分比计Mn含量为0.60%。

所述按质量百分比计P≦0.03%、S≦0.02%。

主要合金元素对双相不锈钢力学、物理性能和腐蚀特性的影响：

a、铬：铬是强烈形成和稳定铁素体并缩小奥氏体相区的元素，也是不锈钢获得耐腐蚀的基本元素。在氧化性介质中，铬能使钢材表面生成Cr₂O₃稳定而致密的保护膜，产生阻止基体的进一步腐蚀的钝化膜，并能提高破坏后钝化膜的修复能力，使钢的再钝化能力增强。铬能有效地提高钢的点蚀电位值，降低钢对点蚀的敏感性。同时，高含量的铬，可以使氮在该合金材料中有非常好的溶解度。但铬含量的增加，金属间化合物析出加速，使双相不锈钢的脆性倾向增大，脆性转变温度明显升高。因此，在双相不锈钢中含铬量一般控制在27%以下，在镍、钼、硅等元素配合时，含铬量一般控制在20-25%左右。

不锈钢的耐腐蚀性能随铬含量的增加而增加。当铬含量较高时，需要加入适量的镍才能形成双相不锈钢（铁素体－奥氏体）组织。铬还能增加不锈钢高温时的抗氧化能力，铬的这一作用直接影响到热处理工艺。

b、钼：钼是铁素体形成元素，在强氧化性酸和一些还原介质中，双相不锈钢仅靠提高铬产生的钝化不足以满足其耐腐蚀性的需求，有必要添加抑制阳极溶解的元素，钼是显著提高双相不锈钢耐孔腐蚀性的重要元素，钼在氯离子环境中耐点蚀和缝隙腐蚀的能力是铬的三倍，它通过富集在靠近基体的钝化膜来提高钝化膜的稳定性。

但钼同时也增大了不锈钢形成金属间相的倾向，同时钼还能加大双相不锈钢的脆化倾向和缺口敏感性。因此，对于超级双相不锈钢钼含量高，尤其要注意脆性相析出所导致的韧性降低的问题（≤4％）,如果利用好超级双相不锈钢含有较高的氮、较好的相平衡条件，可延缓脆性相的析出。

c、镍：镍是稳定奥氏体的元素，铁素体不锈钢含极少的镍或不含镍，双相不锈钢添加镍延缓了有害金属间相的形成，但是镍延缓作用远不如氮有效。双相不锈钢中有近一半是奥氏体组织，因此双相钢的韧性比铁素体不锈钢显著提高。

有研究表明，超级双相不锈钢中加入Ni可以使奥氏体相逐渐增加，当Ni为8%时A+F两相约接近1:1。Ni元素增加可以提高5A超级双相不锈钢的韧性和塑性，可以有效的提高材料的耐腐蚀性能和耐应力腐蚀性能，但对强度和硬度影响不大。当Ni含量为7%时，合金的耐应力腐蚀最佳，当Ni含量为8%时，5A超级双相不锈钢的力学性能、耐点腐蚀性能和电化学腐蚀性能最佳。

d、氮：氮是强奥氏体形成元素，能代替部分镍提高双相不锈钢的耐点蚀和缝隙腐蚀的能力，它还通过固溶强化显著地提高奥氏体的强度，事实上它也是最有效的固溶强化元素和低成本的合金元素。含氮双相不锈钢韧性的改善得益于其较高的奥氏体含量和较少的金属间相。氮不能阻止金属间相的析出，但可推迟金属间相的形成，使得有足够的时间进行双相不锈钢的后续加工和制造。氮被添加到铬和钼含量高的高耐蚀性双相不锈钢中，也可以抵消它们形成σ相的倾向。

5A超级双相不锈钢通过添加氮并调整镍含量以达到适当的相平衡。要保持F形成元素铬和钼与A形成元素镍和氮的相互平衡才能获得超级双相不锈钢的合适的双相组织。

有研究表明，5A超级双相不锈钢随着N含量的增加，奥氏体相逐渐增加，N为0.27%时两相比例约接近1:1。加入N可以提高5A超级双相不锈钢的强度、改善韧性、提高耐腐蚀性能。当N含量为0.21%-0.27%时，合金的力学性能最好，含量为0.27%时，合金的耐腐蚀性能最佳。

e、锰：锰是形成奥氏体的元素，在双相钢中，随着Mn含量的增加，奥氏体相先增多后减少。有研究显示，Mn含量1.0%时A含量为45%。加入适当的Mn可提高5A双相不锈钢的强度、韧性和塑性，但Mn的加入对5A超级双相钢的耐腐蚀性能有恶化的效果。当Mn含量为0.8%时，合金力学性能最好，含量为0.6%时，合金的耐腐蚀性能最佳。

f、硅：硅是非碳化物形成元素，在双相钢中，Si能促进σ相的形成，同时对材料的抗局部腐蚀性能有消极影响，所以生产上一般应在标准规定的范围内尽量减少含量，推荐实际最佳控制范围在0.5-0.7%为宜。

（3）合金元素对双相不锈钢相比例的影响：

a、铬当量-镍当量Schaeffler相图

Cr-Ni双相不锈钢的性能与钢的组织特别是铁素体与奥氏体之间相的比例有密切关系，主要由双相不锈钢只的化学成分来决定，如上图所示的铬当量-镍当量Schaeffler相图。Schaeffler相图中把钢的主要合金元素分为二类，另一类为促进形成铁素体相的元素，一类是促进形成奥氏体相的元素。

b、铬当量Creq：主要有Cr、Mo、Al、Si、Ti、W、Nb等。

c、镍当量Nieq：主要有Ni、N、C、Mn、Co等。

d、计算公式：Creq = Cr%+ Mo%+ Al%+1.5x Si%+0.5xNb%

Nieq = Ni%+ 30x（C+N）%+ 0.5xMn%

根据上述公式，计算Creq-Nieq值，标出在Schaeffler相图坐标中的大致位置，便可预判出双相不锈钢中铁素体-奥氏体两相的数量。

本发明的有益效果：本发明所得配方针对精密铸造蝶阀体精铸件，突破了现有非真空中频感应电炉不能正常生产超级双相不锈钢精密铸件的技术难题，能够制备出力学性能优良的船用蝶阀体精铸件。

附图说明

图1是Schaeffler相图。

具体实施方式

实施例1

（3）超级双相不锈钢奥氏体+铁素体金相组织预估：

a） 根据ASTM A890/A890M标准，CE3MN（5A）化学成分如下：

C：≦0.03%、Si：≦1.00%、Mn：≦1.50%、P：≦0.04%、S：≦0.04%

Cr：24.0-26.0%、Ni：6.0-8.0%、Mo：4.0-5.0%、N：0.18-0.25%

b） 根据CE3MN（5A）化学成分上下线标准的范围，由Creq = Cr%+ Mo%+1.5x Si%+0.5xNb%公式，可计算出铬当量Creq值应大约在28.5-32.5之间；镍当量Nieq = Ni%+ 30x（C+N）%+ 0.5xMn%公式，可计算出铬当量Nieq值应大约在12.5-17.0之间。

c）成分设计：参考Schaeffler相图，结合前面对超级双相不锈钢各主要合金元素作用的分析，需要对双相不锈钢的成分进行预先设计。

根据Nieq和Creq参考值在Schaeffler相图中的坐标规律，要比较可靠的获得铁索体相的体积分数控制在42 ～45 范围内，宜取Creq值为中线偏上，Nieq值为中线偏下范围，即Creq值≈31-31.5，Nieq值，13.5-14.2为宜。为此，主要化学成分设计为：Creq组元素 C：0.02%、Cr：25.0%、Mo：4.6%、Si：0.7%；Nieq组元素Ni：6.5%、N：0.23%、Mn：0.60%；其余P≦0.03%、S≦0.02%。

代入Creq = Cr%+ Mo%+1.5x Si%+0.5xNb%

≈ 25.0+4.6+1.5 x0.7+0.5 x0

≈ 30.65

代入Nieq = Ni%+ 30x（C+N）%+ 0.5xMn%

≈ 6.5+30x（0.02+0.23）+0.5 x0.60

≈ 14.3

由预设的化学成分预计铁素体相大约在45%左右。

Claims (9)

1.超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方，其特征是配方比例按质量百分计如下：C≦0.03%、Si≦1.00%、Mn≦1.50%、P≦0.04%、S≦0.04%、Cr 24.0%-26.0%、Ni 6.0%-8.0%、Mo4.0%-5.0%、N 0.18%-0.25%；

双相不锈钢的孔蚀抗力当量值PRE：%Cr+3.3%Mo+16%N≥40%。

2.如权利要求1所述超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方，其特征是：所述按质量百分比计C含量为0.02%。

3.如权利要求1所述超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方，其特征是：所述按质量百分比计Cr含量为25.0%。

4.如权利要求1所述超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方，其特征是：所述按质量百分比计Mo含量为4.6%。

5.如权利要求1所述超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方，其特征是：所述按质量百分比计Si含量为0.7%。

6.如权利要求1所述超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方，其特征是：所述按质量百分比计Ni含量为6.5%。

7.如权利要求1所述超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方，其特征是：所述按质量百分比计N含量为0.23%。

8.如权利要求1所述超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方，其特征是：所述按质量百分比计Mn含量为0.60%。

9.如权利要求1所述超级双相不锈钢阀体铸造合金的配方，其特征是：所述按质量百分比计P≦0.03%、S≦0.02%。