CN109811246A - 高强韧耐热铸造不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强韧耐热铸造不锈钢及其制造方法，以重量百分比计，其化学成分为：C 0.06%~0.2%，Ni 4.0%~6.7%，Cr 9.5%~14.0%，Mo 4.0%~5.5%，Cr+Mo 14.5%~17.0%，Si 0.2%~0.6%，Mn≤0.5%，S≤0.02%，P≤0.02%，余为Fe。其制造方法为：依次进行冶炼‑浇注‑均匀化处理‑奥氏体化处理‑冷处理‑回火处理。本发明所得高强韧耐热铸造不锈钢在室温和600℃高温全天候条件下均具有高强度、高硬度和良好的塑性和耐蚀性，液态流动性良好，收缩率小，可用于600℃以下短时和400℃以下长期在全天候条件下工作的异型铸造零件。

Description

高强韧耐热铸造不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明属于合金钢，具体涉及一种高强韧耐热铸造不锈钢及其制造方法。

背景技术

铸造马氏体不锈钢是20世纪60年代发展起来的钢种，该钢具有良好的淬透性、优良的室温和低温力学性能、耐蚀疲劳强度和动静态断裂韧性，和良好的服役性能（如抗空蚀、抗磨损等），现已广泛应用于医疗器械、汽轮机叶片、水压机阀等承力耐蚀部件。

铸造马氏体不锈钢属于马氏体铬镍不锈钢。多年的生产实践表明，含Ni 4%~6%的马氏体不锈钢具有良好的力学性能，如06Cr13Ni4Mo（13-4）和06Cr13Ni6Mo（13-6）不锈钢。为了在满足材料性能指标要求的前提下，既获得优良性能又降低生产成本，在13-4和13-6的基础上，将Ni含量控制在4.5%~5.5%之间，开发出06Cr13Ni5Mo（13-5）不锈钢。

为满足高温下工作动力机械的需要，如火电厂的蒸汽锅炉、航空工业的喷气发动机以及石油和化工等工业部门的高温工作部件，需要马氏体不锈钢在高温下具有足够强度、一定抗氧化性和耐蚀性以及长期组织稳定。在高温下工作时，钢中原子发生扩散，并引起组织转变，这是与低温工作部件的不同之处。应用最广的耐热马氏体不锈钢是含13%Cr的Cr13钢。为了提高高温强度，一般加入强化元素W、Mo、V、Nb等，通过形成细小的碳氮化物，延迟位错的回复和改进材料的抗回火软化性能。此类马氏体不锈钢的抗氧化性和消振性能均优于珠光体类耐热钢，广泛应用600℃以下的汽轮机叶片、增压器叶片、阀门、主轴等。另一类是含Cr、Si的耐热马氏体不锈钢，如4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等，加入Cr和Si能提高抗氧化性和抗燃烟气体的腐蚀，主要用于制造发动机排气阀门和加热炉构件等。

进一步提高马氏体不锈钢在室温和高温下的强塑性和表面硬度，是提高其使用寿命和安全性的关键。增加钢中的碳、氮含量是提高强度和硬度最有效、最低廉的方式。然而，碳氮含量过多时，不仅降低韧塑性，还会造成局部贫铬，降低耐蚀性。在钢中加入较多贵重金属Co、W、Nb等，尽管提高了钢的抗蠕变强度，但增加了生产成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强韧耐热铸造不锈钢及其制造方法，通过成分设计和热处理工艺，形成由板条马氏体/铁素体/逆变奥氏体复相组织组成的高强韧耐热铸造不锈钢。

为达到本发明的目的，高强韧耐热铸造不锈钢，包含以下重量百分比的化学成分：C 0.06%~0.2%，Ni 4.0%~6.7%，Cr 9.5%~14.0%，Mo 4.0%~5.5%，Cr+Mo 14.5%~17.0%，Si0.2%~0.6%，Mn≤0.5%，S≤0.02%，P≤0.02%，余为Fe。

优选的，高强韧耐热铸造不锈钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.1%~0.18%，Ni4.2%~6.5%，Cr 10.5%~12.0%，Mo 4.0%~5.0%，Si 0.2%~0.6%，Mn≤0.5%，S≤0.02%，P≤0.02%，余为Fe。

优选的，所述的高强韧耐热铸造不锈钢在奥氏体化后的淬火组织为板条马氏体+铁素体+残余奥氏体，其中，铁素体含量在3.5%~7.0%之间，残余奥氏体含量在4.0%~8.0%之间；回火处理后的组织为板条马氏体+铁素体+逆变奥氏体，逆变奥氏体含量在6.0%~15.0%之间。

本发明高强韧耐热铸造不锈钢的制造方法，包括冶炼-浇注-均匀化处理-奥氏体化处理-冷处理-回火处理步骤，具体步骤如下：

S1冶炼工艺

将按所述化学成分的原料在带有碱性炉衬的真空感应炉内熔炼，并以所得钢锭为炉料采用等离子电弧熔炼；

S2浇注工艺

出钢温度1600℃~1630℃，浇注温度1520℃~1580℃；

S3均匀化处理

均匀化处理温度为1130℃~1180℃，保温时间≥5h，在保护介质或珐琅涂层保护下进行；

S4奥氏体化处理

奥氏体化处理温度为1060℃~1130℃，保温时间2h~3h，随后空冷，在保护介质或珐琅涂层保护下进行；

S5冷处理

试样空冷至室温后，以≤10℃/min的速率冷至-60~-120℃，保温2h~4h，随后置于空气中回温至室温；

S6回火工艺

在450℃~520℃保温2h~3h。

本发明所得高强韧耐热铸造不锈钢在室温和600℃高温全天候条件下均具有高强度、高硬度和良好的塑性和耐蚀性，液态流动性良好，可用于600℃以下短时和400℃以下长期在全天候条件下工作的异型铸造零件。

附图说明

图1是根据本发明实施例1制造的高强韧耐热铸造不锈钢的XRD衍射图，其中a为固溶处理，b为回火处理。

图2是根据本发明实施例1制造的高强韧耐热铸造不锈钢基体组织的SEM扫描电镜图。

图3是根据本发明实施例1制造的高强韧耐热铸造不锈钢基体组织的TEM透射电镜图。

具体实施方式

下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限于以下实施例，列举这些实施例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。

本发明的化学组成成分设计依据如下：

C是钢中最常用也最有效的强化元素，促进马氏体转变，并形成碳化物析出强化。本发明中设计碳含量在0.06%~0.2%之间。C含量太低则马氏体强度不足，含量太高会降低塑性及焊接性能，并使局部贫Cr，减低耐蚀性。

Ni是强奥氏体形成元素，可保证不锈钢在高温存在单相奥氏体区，并能在随后冷却过程中转变为马氏体。Ni可以起到固溶强化和细晶强化的作用，同时改善不锈钢的强度和韧性。此外，Ni还可提高不锈钢的淬透性，促进马氏体的形成。Ni含量过高会增加钢中残余奥氏体的含量，从而导致强度降低，且显著增加生产成本，据此设计的Ni含量为4.0%~6.7%。

Cr是实现本发明不锈钢耐蚀性的主要元素，且可提高不锈钢的淬透性。为形成致密的氧化膜，而不产生δ-铁素体，需将Cr控制在9.5%~14.0%之间。

Mo是提高不锈钢热强性能和高温耐蚀性能的重要元素。Mo使钢在高温时能保持足够的强度和抗蠕变能力，也可以抑制回火脆性，改善塑韧性。Mo与Cr协同作用可促使不锈钢表面钝化，提高不锈钢在非氧化介质特别是含氯离子介质中的抗点蚀和缝隙腐蚀的能力。Mo与碳的结合力远大于Cr，因此防止了形成Cr的碳化物而造成局部贫Cr，保证了不锈钢耐蚀性。过多的Mo含量增加δ铁素体析出量，因此设计的Mo含量在4.0%~5.5%之间。

Cr和Mo都是铁素体形成元素，其含量影响不锈钢中的相组成。Cr和Mo的总含量要与C和Ni的含量相匹配，控制在14.5%~17.0%之间，从而保证本发明不锈钢奥氏体化后的淬火组织为板条马氏体+铁素体+残余奥氏体，铁素体含量在3.5%~7.0%之间，可提高马氏体不锈钢的耐腐蚀性能，同时在较高强度的同时改善塑韧性，残余奥氏体含量在4.0%~8.0%之间，其余为马氏体和少量碳化物。

按照以上合计成分配比的不锈钢液态流动性好，收缩率小，线收缩率为2%，体积收缩率为10%。

本发明制造方法的设计依据如下：

不锈钢浇铸成型后，首先在1130℃~1180℃均匀化处理5h以上，实现成分均匀化，并防止晶粒异常长大。其次在1060℃~1130℃，奥氏体化处理2h~3h，空冷淬火，形成板条马氏体+铁素体+残余奥氏体的组织。随后以≤10℃/min的速率冷至-60~-120℃，保温2h~4h，并在空气中回温至室温，可使钢中的残余奥氏体进一步转变为马氏体，残余奥氏体含量低于1%，提高马氏体不锈钢强度，且使形成细小的碳化物，此碳化物将不溶解于其中的Ni元素排挤到周围，促进后续回火过程中产生逆变奥氏体。最后在450℃~520℃回火2h~3h，可使马氏体回复软化，且产生逆变奥氏体相，逆变奥氏体含量6.0%~15.0%，通过其形变诱发塑性作用提高不锈钢的塑韧性。

实施例1

将按所述化学成分的原料在带有碱性炉衬的真空感应炉内熔炼，并以所得钢锭为炉料采用等离子电弧熔炼，熔炼均匀后，于1600℃出钢，并于1550℃开始浇注。所得铸锭化学组成成分为C 0.2%，Ni 6.3%，Cr 12.2%，Mo 4.0%，Si 0.36%，Mn≤0.5%，S≤0.02%，P≤0.02%。将钢锭在1150℃均匀化处理5h。其次在1130℃奥氏体化处理2h，空冷淬火。随后以≤10℃/min的速率冷至-75℃，保温2h，并在空气中回温至室温。最后在520℃回火3h。

本实施例生产的高强韧耐热铸造不锈钢基体组织为板条马氏体和少量的铁素体及奥氏体，铁素体含量6.5%，奥氏体含量12.1%（见图1，由公式Vγ+Vα=1，Vγ=1.4Iγ/(Iα+1.4Iγ)求得）。原奥氏体晶界和晶内分布有碳化物，尺寸为2~10μm（见图2）。马氏体板条间分布有细小碳化物，尺寸为40~150nm。马氏体板条界及碳化物周围存在细长条状逆变奥氏体。（见图3）。钢中的马氏体和细小碳化物实现了高强度，而铁素体的协调变形作用及逆变奥氏体的形变诱发塑性作用使本发明钢兼具良好的塑韧性。室温抗拉强度1608MPa，屈服强度1304MPa，延伸率12%；600℃抗拉强度544MPa，屈服强度416MPa，延伸率16.4%。

实施例2

其他步骤同实施例1，所得铸锭化学组成成分为C 0.16%，Ni 4.7%，Cr 14.0%，Mo 4.7%，Si 0.2%，Mn≤0.5%，S≤0.02%，P≤0.02%。室温抗拉强度1526MPa，屈服强度1217MPa，延伸率10%；600℃抗拉强度512MPa，屈服强度398MPa，延伸率15.2%。

实施例3

其他步骤同实施例1，所得铸锭化学组成成分为C 0.06%，Ni 6.5%，Cr 11.3%，Mo 5.3%，Si 0.47%，Mn≤0.5%，S≤0.02%，P≤0.02%。室温抗拉强度1507MPa，屈服强度1210MPa，延伸率14%；600℃抗拉强度510MPa，屈服强度380MPa，延伸率17.4%。

实施例4

其他步骤同实施例1，所得铸锭化学组成成分为C 0.13%，Ni 6.6%，Cr 9.7%，Mo 5.0%，Si 0.25%，Mn≤0.5%，S≤0.02%，P≤0.02%。室温抗拉强度1541MPa，屈服强度1228MPa，延伸率15.6%；600℃抗拉强度523MPa，屈服强度396MPa，延伸率18.1%。

实施例5

其他步骤同实施例1，所得铸锭化学组成成分为C 0.15%，Ni 5.2%，Cr 10.0%，Mo 5.2%，Si 0.45%，Mn≤0.5%，S≤0.02%，P≤0.02%。室温抗拉强度1533MPa，屈服强度1220MPa，延伸率12.6%；600℃抗拉强度517MPa，屈服强度371MPa，延伸率15.6%。

Claims (6)

1.高强韧耐热铸造不锈钢，其特征在于，以重量百分比计，其化学成分为：C 0.06%~0.2%，Ni 4.0%~6.7%，Cr 9.5%~14.0%，Mo 4.0%~5.5%，Cr+Mo 14.5%~17.0%，Si 0.2%~0.6%，Mn≤0.5%，S≤0.02%，P≤0.02%，余为Fe。

2. 高强韧耐热铸造不锈钢，其特征在于，以重量百分比计，其化学成分为：C 0.1%~0.18%，Ni 4.2%~6.5%，Cr 10.5%~12.0%，Mo 4.0%~5.0%，Si 0.2%~0.6%，Mn≤0.5%，S≤0.02%，P≤0.02%，余为Fe。

3. 如权利要求1或2所述的高强韧耐热铸造不锈钢，其特征在于，具体制造步骤如下：

S1冶炼工艺

将按所述化学成分配比的原料在真空感应炉内熔炼，并以所得钢锭为炉料采用等离子电弧熔炼；

S2浇注工艺

出钢温度1600℃~1630℃，浇注温度1520℃~1580℃；

S3均匀化处理

均匀化处理温度为1130℃~1180℃，保温时间≥5h，在保护介质或珐琅涂层保护下进行；

S4奥氏体化处理

奥氏体化处理温度为1060℃~1130℃，保温时间2h~3h，随后空冷，在保护介质或珐琅涂层保护下进行；

S5冷处理

试样空冷至室温后，以≤10℃/min的速率冷至-60~-120℃，保温2h~4h，随后置于空气中回温至室温；

S6回火工艺

在450℃~520℃保温2h~3h。

4.如权利要求3所述的高强韧耐热铸造不锈钢，其特征在于，该不锈钢在奥氏体化后的淬火组织为板条马氏体+铁素体+残余奥氏体，其中，铁素体含量在3.5%~7.0%之间，残余奥氏体含量在4.0%~8.0%之间。

5.如权利要求3所述的高强韧耐热铸造不锈钢，其特征在于，该不锈钢在回火处理后的组织为板条马氏体+铁素体+逆变奥氏体，逆变奥氏体含量在6.0%~15.0%之间。

6. 如权利要求1或2所述的高强韧耐热铸造不锈钢的制造方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1冶炼工艺

将按所述化学成分配比的原料在真空感应炉内熔炼，并以所得钢锭为炉料采用等离子电弧熔炼；

S2浇注工艺

出钢温度1600℃~1630℃，浇注温度1520℃~1580℃；

S3均匀化处理

均匀化处理温度为1130℃~1180℃，保温时间≥5h，在保护介质或珐琅涂层保护下进行；

S4奥氏体化处理

奥氏体化处理温度为1060℃~1130℃，保温时间2h~3h，随后空冷，在保护介质或珐琅涂层保护下进行；

S5冷处理

试样空冷至室温后，以≤10℃/min的速率冷至-60~-120℃，保温2h~4h，随后置于空气中回温至室温；

S6回火工艺

在450℃~520℃保温2h~3h。