CN111349928A - 一种用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

一种用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件及其制备工艺，包括不锈钢铸件母材和耐蚀涂层，所述耐蚀涂层覆盖在锈钢铸件母材表面；所述不锈钢铸件母材，其化学成分如下：Si17.5％‑18.0％、Cr15％‑16％、Ni4.4％‑4.5%、Cu 4.0%‑4.2%、Nb0.03％‑0.04％、Mn0.8％‑1.0％、Mo1.0％‑3.0％、C≤0.04％、P≤0.03％、S≤0.005％，其余为铁；所述耐蚀涂层，其化学成分如下：Cr16％‑18％、Ni2.0%‑2.5%、C≤0.2％、Si≤1.0％、B≤0.8％、Mo≤0.3％、Mn≤0.2％、S≤0.03%，其余为铁。本发明所述的用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件及其制备工艺，配方合理，制备工艺简单，生产成本低，耐腐蚀性能得到大幅度提高，还具有强度高、易加工等特点，应用前景广泛。

Description

一种用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件及其制备工艺
技术领域
本发明属于不锈钢铸件技术领域，具体涉及一种用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件及其制备工艺。
背景技术
随着海洋运输业、海水化工、海底石油开采输送、跨海大桥以及海军装备的迅速发展，在海水环境中服役的设施、装备需求量越来越大，这些装备、设施中很多机械零部件要求必须耐海水腐蚀，保证设计所需的使用年限。这就为耐海水腐蚀不锈钢的研发提出了要求，为这种材料的推广应用提供了广阔的市场前景。
船舶方向盘是船舶的基础配件之一，在长时间的使用过程中，容易产生腐蚀疲劳行为。疲劳是在循环载荷作用下，工件发生突然断裂失效的一种现象。特别是，船舶方向盘作为船舶的基础元件，长期工工作在水上潮湿恶劣的环境中，船舶方向盘的磨损和潮湿环境的腐蚀等，造成船舶方向盘表面的损伤、变形断裂，液体泄漏，导致船舶方向盘失去安全可靠的左右，对船舶中人员的生命安全带来威胁，造成巨大的驾驶事故，带来严重的后果。
随着技术的发展与进步，为了提高船舶方向盘的使用寿命，制造出一种用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件是极有必要的。在制造工艺上，激光熔覆技术作为一种新型的再制造技术，有非常显著的优势。激光熔覆技术，采用不同的添料方式(同步送粉和预置送粉)在被熔覆基体表面放置涂层材料，利用高能量激光束辐照，使其与基体表面一薄层同时受热熔化，经过快速凝固后，在基体表面形成具有特殊性能(耐磨性能、耐热性能、耐腐蚀性能、抗冲击性能等)且与基体冶金结合良好、稀释率低的熔覆层，从而显著改善基体表面特性的一种工艺方法，不仅能够提高材料表面的特性，还能节省大量的贵重合金元素。
中国专利申请号为CN201410659238.5公开了一种高耐盐碱腐蚀不锈钢铸件及其制备方法，常温下拉伸强度≥800MPa，延伸率大于40％，基体组织为奥氏体-铁素体型，耐点蚀；无磁性；耐蚀性好，在60℃、质量分数为25％氢氧化钠溶液中腐蚀速度＜0.0005mm/年，其耐腐蚀性能可以进一步提高。
发明内容
发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件及其制备工艺，配方合理，制备工艺简单，生产成本低，耐腐蚀性能得到大幅度提高，还具有强度高、易加工等特点，应用前景广泛。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件，包括不锈钢铸件母材和耐蚀涂层，所述耐蚀涂层覆盖在锈钢铸件母材表面；所述不锈钢铸件母材，其化学成分如下：Si17.5％-18.0％、Cr15％-16％、Ni4.4％-4.5％、Cu 4.0％-4.2％、Nb0.03％-0.04％、Mn0.8％-1.0％、Mo1.0％-3.0％、C≤0.04％、P≤0.03％、S≤0.005％，其余为铁；所述耐蚀涂层，其化学成分如下：Cr16％-18％、Ni2.0％-2.5％、C≤0.2％、Si≤1.0％、B≤0.8％、Mo≤0.3％、Mn≤0.2％、S≤0.03％，其余为铁。
本发明还涉及所述用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，依次包括不锈钢铸件母材的制备、耐腐蚀不锈钢铸件的制备；所述不锈钢铸件母材的制备，包括如下步骤：
(1)熔炼：按照所述不锈钢铸件母材的配方，加入各元素合金在中频感应电炉熔炼，然后将熔体温度升高至1600-1650℃，然后加入脱氧剂脱氧，插入铝饼后熔化出炉；
(2)炉前变质孕育处理：将稀土复合孕育剂烘烤后放入钢水包底部，用包内冲入法对步骤(1)中经中频感应电炉熔炼好的熔炼液进行变质孕育处理；
(3)浇注成型：将步骤(2)得到的变质孕育处理后的熔炼液浇入铸型中，浇注温度为1450-1550℃，在1100-1200℃下保温4小时后，冷却，得到所述不锈钢铸件母材。
(4)热处理：将步骤(3)得到的不锈钢铸件在1040℃固溶保温2h，油淬至室温，再在595℃下保温4h，后空冷至室温，得到所述不锈钢铸件母材。
进一步的，上述的用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，所述耐腐蚀不锈钢铸件的制备，包括如下步骤：
(1)预处理：对所述不锈钢铸件母材待熔覆表面进行清洗，去除表面毛刺及脏污；按照所述耐蚀涂层的配方，将各合金采用雾化法制作成粉末，粒度为53～150pm，然后混合配置成激光熔覆粉末，经60目的不锈钢筛网进行过筛后放入烘箱进行干燥处理；烘干完成后将温度调至200℃进行冷却保温；
(2)激光熔覆：将所述不锈钢铸件母材装夹在数控半导体激光熔覆设备上，并用丙酮和酒精擦拭待熔覆表面，测量并记录待熔覆长度和工件直径，调整好工艺参数和激光光斑位置，将耐蚀涂层的合金粉末加入送粉器，采用螺旋熔覆进行表面熔覆；
(3)机加工：经过粗车使表面平整，再经过精，粗磨，精磨后达到使用尺寸要求。
本发明所述的用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，在不锈钢铸件母材上，利用激光熔覆设备在母材表面制备耐蚀涂层，耐蚀涂层与不锈钢铸件母材冶金结合好，不易产生剥落和开裂现象，冷却速度极快，耐蚀涂层组织致密，晶粒细小，稀释率低，不锈钢铸件母材熔化少，在耐蚀涂层很薄的情况下仍然能够达到所需的性能要求，节约昂贵的合金元素，可控性好，易实现自动化控制，耐蚀涂层质量稳定。所述耐蚀涂层的粉末，雾化法制作而成，球形度好，氧含量低，流动性好，沉积效率高，可焊性好，使得耐蚀涂层的抗裂性能、耐腐蚀性能优异，特别适用于激光熔覆工艺。
在激光熔覆之前对不锈钢铸件母材需要进行预处理，避免引起激光熔覆层中气孔的产生；激光熔覆后，所述不锈钢铸件表面不平整，附着有大量的熔渣，比较粗糙，不能直接使用，需要经过粗车、精车使表面平整。
进一步的，上述的用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，所述步骤(1)中的烘箱温度为1500℃，烘干时间2～3个小时。
这一处理是为了去除合金粉末中的水分及杂质。
进一步的，上述的用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，所述步骤(2)中的数控半导体激光熔覆设备在开始激光熔覆时，需先将保护气打开，将送气管中多余的空气排；打开保护气后一般延迟2-3s后，开始送粉进行熔覆。
进一步的，上述的用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，所述保护气采用高纯氩气，纯度为99.999％,保护气流量保持在5-10L/min。
激光熔覆时熔池温度非常高，若不采用惰性气体进行保护，熔池材料易与周围空气接触发生氧化反应，导致得到的熔覆层质量较差。使用纯氩气可以防止熔覆层表面被氧化，还可以带走熔覆层凝固时的产生热量，对熔覆层的冷却起到较好的效果，有利于组织的快速凝固。
进一步的，上述的用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，所述高纯氩气采用侧向送气的方法，与送粉方向一致。
进一步的，上述的用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，所述步骤(2)中的数控半导体激光熔覆设备输出功率为4kW，激光熔覆速度为360mm/min,送粉速度为60g/min,稀释率为10％。
进一步的，上述的用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，所述步骤(2)中的数控半导体激光熔覆设备设置的离焦量为275mm和设置的光斑尺寸的大小为18mm×2mm。
进一步的，上述的用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，所述工艺参数得到的耐蚀涂层宏观质量最好。
所述步骤(2)中的数控半导体激光熔覆设备设置的激光熔覆螺距为13mm。
所述工艺参数得到的耐蚀涂层表面粗糙度较小，并且产生缺陷的可能性较小。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明公开的用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件，制得的耐腐蚀不锈钢铸件综合性能好，耐腐蚀性能得到大幅度提高，具有良好的力学性能，并且耐蚀涂层内部组织细小致密，偏析程度较小，残余奥氏体含量较少，应用前景广泛；
(2)本发明提出的用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，制备工艺简单且具有很高的灵活性，耐蚀涂层与不锈钢铸件母材冶金结合好，不易产生剥落和开裂现象，冷却速度极快，耐蚀涂层组织致密，晶粒细小，稀释率低，不锈钢铸件母材熔化少，在耐蚀涂层很薄的情况下仍然能够达到所需的性能要求，节约昂贵的合金元素，可控性好，易实现自动化控制，耐蚀涂层质量稳定。
具体实施方式
下面将结合实施例和具体实验数据，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
以下实施例提供了一种用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件及其制备工艺，所述耐腐蚀不锈钢铸件，包括不锈钢铸件母材和耐蚀涂层，所述耐蚀涂层覆盖在锈钢铸件母材表面；所述不锈钢铸件母材，其化学成分如下：Si17.5％-18.0％、Cr15％-16％、Ni4.4％-4.5％、Cu4.0％-4.2％、Nb0.03％-0.04％、Mn0.8％-1.0％、Mo1.0％-3.0％、C≤0.04％、P≤0.03％、S≤0.005％，其余为铁；所述耐蚀涂层，其化学成分如下：Cr16％-18％、Ni2.0％-2.5％、C≤0.2％、Si≤1.0％、B≤0.8％、Mo≤0.3％、Mn≤0.2％、S≤0.03％，其余为铁。
实施例1
所述耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，包括如下步骤：
(1)熔炼：按照所述不锈钢铸件母材的配方，加入各元素合金在中频感应电炉熔炼，然后将熔体温度升高至1600-1650℃，然后加入脱氧剂脱氧，插入铝饼后熔化出炉；
(2)炉前变质孕育处理：将稀土复合孕育剂烘烤后放入钢水包底部，用包内冲入法对步骤(1)中经中频感应电炉熔炼好的熔炼液进行变质孕育处理；
(3)浇注成型：将步骤(2)得到的变质孕育处理后的熔炼液浇入铸型中，浇注温度为1450-1550℃，在1100-1200℃下保温4小时后，冷却；
(4)热处理：将步骤(3)得到的不锈钢铸件在1040℃固溶保温2h，油淬至室温，再在595℃下保温4h，后空冷至室温，得到所述不锈钢铸件母材。
(5)预处理：对所述不锈钢铸件母材待熔覆表面进行清洗，去除表面毛刺及脏污；按照所述耐蚀涂层的配方，将各合金采用雾化法制作成粉末，粒度为53～150pm，然后混合配置成激光熔覆粉末，经60目的不锈钢筛网进行过筛后放入烘箱进行干燥处理，烘箱温度为1500℃，烘干时间2～3个小时；烘干完成后将温度调至200℃进行冷却保温；
(6)激光熔覆：将所述不锈钢铸件母材装夹在数控半导体激光熔覆设备上，并用丙酮和酒精擦拭待熔覆表面，测量并记录待熔覆长度和工件直径，调整好工艺参数和激光光斑位置，将耐蚀涂层的合金粉末加入送粉器，采用螺旋熔覆进行表面熔覆；其中，数控半导体激光熔覆设备在开始激光熔覆时，需先将保护气打开，将送气管中多余的空气排；打开保护气后一般延迟2-3s后，开始送粉进行熔覆；所述保护气采用高纯氩气，纯度为99.999％,保护气流量保持在5-10L/min；所述高纯氩气采用侧向送气的方法，与送粉方向一致；数控半导体激光熔覆设备输出功率为4kW，激光熔覆速度为360mm/min,送粉速度为60g/min,稀释率为10％；数控半导体激光熔覆设备设置的离焦量为275mm和设置的光斑尺寸的大小为18mm×2mm；数控半导体激光熔覆设备设置的激光熔覆螺距为13mm；
(7)机加工：经过粗车使表面平整，再经过精，粗磨，精磨后达到使用尺寸要求，得到所述耐腐蚀不锈钢铸件。
效果验证：
对由上述实施例1得到的用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件样品1进行性能检测，测试结果见表1。
(1)洛氏硬度测试：采用HR-150A型洛氏硬度计对样品1的表面进行硬度测试，并且选用HRC来表示，压头为圆锥形金刚石，硬度范围为20-70HRC。为保证试验的准确性，在样品1的表面随机选取5个试样点进行硬度测试，结果取其平均值。
(2)电化学腐蚀测试：采用郑州世瑞思仪器科技有限公司生产的RST5200F型电化学工作站，对样品1的表面进行电化学腐蚀试验。工作电极为样品1的表面，辅助电极为铂电极(Pt)，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，电解质溶液是质量分数为5％的NaCl溶液。测试时参数设置是扫描范围-0.5V-0.3V，扫描速率为0.5mWs。
表1样品性能测试结果
Figure BDA0002395881630000091
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件，其特征在于，包括不锈钢铸件母材和耐蚀涂层，所述耐蚀涂层覆盖在锈钢铸件母材表面；所述不锈钢铸件母材，其化学成分如下：Si17.5％-18.0％、Cr15％-16％、Ni4.4％-4.5%、Cu 4.0%-4.2%、Nb0.03％-0.04％、Mn0.8％-1.0％、Mo1.0％-3.0％、C≤0.04％、P≤0.03％、S≤0.005％，其余为铁；所述耐蚀涂层，其化学成分如下：Cr16％-18％、Ni2.0%-2.5%、C≤0.2％、Si≤1.0％、B≤0.8％、Mo≤0.3％、Mn≤0.2％、S≤0.03%，其余为铁。
2.根据权利要求1项所述用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，其特征在于，依次包括不锈钢铸件母材的制备、耐腐蚀不锈钢铸件的制备；所述不锈钢铸件母材的制备，包括如下步骤：
（1）熔炼：按照所述不锈钢铸件母材的配方，加入各元素合金在中频感应电炉熔炼，然后将熔体温度升高至1600-1650℃，然后加入脱氧剂脱氧，插入铝饼后熔化出炉；
（2）炉前变质孕育处理：将稀土复合孕育剂烘烤后放入钢水包底部，用包内冲入法对步骤（1）中经中频感应电炉熔炼好的熔炼液进行变质孕育处理；
（3）浇注成型：将步骤（2）得到的变质孕育处理后的熔炼液浇入铸型中，浇注温度为1450-1550℃，在1100-1200℃下保温4小时后，冷却；
（4）热处理：将步骤（3）得到的不锈钢铸件在1040℃固溶保温2h，油淬至室温，再在595℃下保温4h，后空冷至室温，得到所述不锈钢铸件母材。
3.根据权利要求2项所述用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
（1）预处理：对不锈钢铸件母材待熔覆表面进行清洗，去除表面毛刺及脏污；按照所述耐蚀涂层的配方，将各合金采用雾化法制作成粉末，粒度为53～150pm，然后混合配置成激光熔覆粉末，经60目的不锈钢筛网进行过筛后放入烘箱进行干燥处理；烘干完成后将温度调至200℃进行冷却保温；
（2）激光熔覆：将所述不锈钢铸件母材装夹在数控半导体激光熔覆设备上，并用丙酮和酒精擦拭待熔覆表面，测量并记录待熔覆长度和工件直径，调整好工艺参数和激光光斑位置，将耐蚀涂层的合金粉末加入送粉器，采用螺旋熔覆进行表面熔覆；
（3）机加工：经过粗车使表面平整，再经过精车，粗磨，精磨后达到使用尺寸要求。
4.根据权利要求3所述用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，其特征在于，所述步骤（1）中的烘箱温度为1500℃，烘干时间2～3个小时。
5.根据权利要求3所述用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，其特征在于，所述步骤（2）中的数控半导体激光熔覆设备在开始激光熔覆时，需先将保护气打开，将送气管中多余的空气排；打开保护气后一般延迟2-3s后，开始送粉进行熔覆。
6.根据权利要求5所述用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，其特征在于，所述保护气采用高纯氩气，纯度为99.999％, 保护气流量保持在5-10L／min。
7.根据权利要求6所述用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，其特征在于，所述高纯氩气采用侧向送气的方法，与送粉方向一致。
8.根据权利要求3所述用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，其特征在于，所述步骤（2）中的数控半导体激光熔覆设备输出功率为4kW，激光熔覆速度为360mm/min,送粉速度为60g/ min,稀释率为10%。
9.根据权利要求8所述用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，其特征在于，所述步骤（2）中的数控半导体激光熔覆设备设置的离焦量为275mm和设置的光斑尺寸的大小为18mm×2mm。
10.根据权利要求9项所述用于船舶方向盘的耐腐蚀不锈钢铸件的制备工艺，其特征在于，所述步骤（2）中的数控半导体激光熔覆设备设置的激光熔覆螺距为13mm。
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