CN1154419A - 超低碳双相不锈钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金钢领域。其化学成分(重量％)为：C≤0.03％，Si≤1.00％，Mn≤1.00％，S≤0.03％P≤0.035％，Cr23.0～27.0％，Ni4.0～7.0％，Mo1.0～3.0％，N0.10～0.20％；化学成分还必须满足镍当量为7.9～9.9％的要求。该钢冶炼工艺采用电炉或感应炉熔炼、VOD精炼+电渣重熔，采用锻轧热加工，固溶热处理。本发明不仅具有良好的抗腐蚀性能，而且还具有优异的抗腐蚀疲劳性能，主要适用于尿素生产中甲铵泵、阀等设备。
Description
本发明属于合金钢领域。主要适用于制作要求抗腐蚀、特别是抗腐蚀疲劳的零部件及设备。
在化肥生产工艺流程中，特殊泵、阀用材始终是仍未能圆满解决的关键问题之一。泵、阀是动态设备，易损坏，常更换，对所用材料要求具有优异的耐腐蚀性能，和具有良好的耐腐蚀疲劳性能，对尿素生产的心脏设备——甲铵泵，就要求具有优异的抗腐蚀疲劳性能。
诸如甲铵泵之类的尿素生产关键设备在运行中，由于受交变应力和甲铵液强腐蚀的联合作用，在缸体内腔容易产生腐蚀疲劳开裂，其使用寿命短，不仅缸体消耗量大，而且严重影响尿素的连续生产，经济损失大。与缸体开裂有关的因素很多，如缸体材料性能、设计制造、使用和维修等，但是其中材料本身的抗腐蚀疲劳性能是最主要的因素。材料的抗腐蚀疲劳性能主要取决于材料的耐蚀性、疲劳强度和材质质量等因素。
在现有技术中，超低碳双相不锈钢是抗腐蚀疲劳性能最优异的金属材料之一。所谓双相是钢的金相组织为双相：即奥氏体组织(γ相)和铁素体组织(α相)。双相钢优异的耐尿素甲铵液的腐蚀疲劳性能主要取决于合适的两相比例钢的纯净度及组织均匀性，同时要避免脆性相的析出，经多年研究认为，当α相和γ相之间两相的比例各占约50％时，其抗腐蚀疲劳性能和综合性能最优。
日本标准JISG4303(1974)公布了一种双相不锈钢SUS329J1。SUS329J1钢是在美国AISI329钢的基础上将碳含量由C≤0.1％C降为≤0.08％，进一步改善耐蚀性、焊接性及其它综合性能的双相不锈钢。此钢除具有较好的耐孔蚀性能外，在磷酸和其它特殊环境中的耐蚀性也优于含Mo的18-8型奥氏体钢，该钢主要适用于海水和其它工业用介质的热交器用传热管和含氯离子卤水介质及磷酸介质中。该钢的显微组织中α相数量偏高，达60～70％，故整体的耐蚀性能稍差，尤其是在甲铵液介质中的抗腐蚀疲劳性能更差，使该钢在尿素生产等设备中的应用受到限制。
本发明的目的在于提供一种抗腐蚀疲劳性能和综合性能优异的超低碳双相不锈钢及其制造方法。
针对上述目的，本发明采用的主要技术措施是：在化学成分上，降低碳含量、加N，提高Cr、Mo含量，尤其要求控制镍当量(Nieq)；在制造方法上，采用精炼、合适的热加工和热处理制度。通过上述措施获得具有最佳的α相和γ相比例、以及纯洁度高和均匀性好的材料，以便获取优异的性能。
本发明的具体化学成分(重量％)为：
C≤0.03％，Si≤1.00％，Mn≤1.00％，S≤0.03％，P≤0.035％，Cr23.0～27.0％，Ni4.0～7.0％，Mo1.0～3.0％，N0.10～0.20％；
同时，镍当量(Nieq)必须满足的如下要求：
Nieq＝7.9～9.9(％)
Nieq＝1×Ni％+15×N％+30×C％+0.5×Mn％。
在组织结构中铁素体(α相)必须满足如下要求：
α相(％)＝144％-10Nieq
本发明制造方法如下：
(1)冶炼工艺
[1]电炉或感应炉熔炼+电渣重熔工艺；
[2]电炉熔炼+VOD精炼+电渣重熔工艺；
冶炼后浇铸成钢锭。
(2)热加工工艺
钢锭的热加工可采用锻造或轧制，其中加热温度为1150～1200℃，开锻或开轧温度≥1050℃，终锻或终轧温度≥950℃，锻轧后空冷。
(3)热处理工艺
钢锭经锻或轧制成材后进行热处理，热处理工艺采用固溶处理，固溶温度1020～1070℃，保温时间20分钟～2小时，然后快速冷却至室温。
本发明超低碳双相不锈钢制品适用于尿素生产中的关键设备——甲铵泵、阀等设备。
在钢的化学成分上，降低C含量，是为了防止脆性易蚀相碳化物的析出，改善钢的抗晶间腐蚀性能和综合性能。钢中较高的Cr、Mo含量，不仅能形成致密而均匀的钝化膜，而且钝化膜的自修能力也很强，使之提高耐蚀性。Ni和N均能提高钢的抗腐蚀疲劳性能。控制合适的Ni、N含量及镍当量主要是调节α相和γ相两相的比例，使钢获得由适宜的两相比例所构成的特殊组织结构，钢中的α相数量可达到较满意的45～65％。这是获取优异的抗腐蚀疲劳性能和综合性能的关键。
在钢的制造方法上，冶炼工艺采用电炉(或感应炉)熔炼+电渣重熔，或电炉熔炉+VOD精炼+电渣重熔，其目的是减少并细化夹杂物，使之在改善钢的整体抗腐蚀性能的同时，进一步防止以夹杂物为起源而引起的腐蚀疲劳裂纹的产生，同时改善钢的塑韧性。在热加工工艺中，控制加热温度，尤其是终锻或终轧温度控制在950℃以上，主要是为了避免脆性相(σ相)的析出，同时要保证足够的锻(轧)压比(≥2.5)，使钢的组织均匀而致密，防止组织缺陷为起源所引起的腐蚀疲劳裂纹的产生。
在热处理工艺方面，通过相变规律的研究，探明α相和γ相两相比例的变化规律和析出相的析出规律，确定在固溶温度范围内进行充分固溶处理后，快速冷却到室温，获取适宜的两相比例组织和防止脆性相析出的最佳热处理规范。
依照上述钢的化学成分、镍当量及制造方法，本发明可达到如下指标：
α相可控制在45～65％
腐蚀疲劳性能在循环应力σ-1＝275MPa下，循环周次N＞107
采用Huey法进行腐蚀试验，所得腐蚀性能为：5个周期的平均腐蚀量＜1.0μm/48h。
力学性能：σb≥670MPa，σs≥520MPa，δ5＞25％，ψ≥70％，Ak≥250J。
与现有技术相比，本发明具体如下优点：
(1)由于化学成分和镍当量适当，能获得45～65％的α相，故具有优异的抗腐蚀疲劳性能和综合性能。
(2)由于在甲铵液介质中的抗腐蚀疲劳性能和力学性能优异，本发明可适用于尿素生产设备中各类要求耐腐蚀性能以及耐腐蚀疲劳性能较好的结构件或结构设备，特别适用于尿素生产设备中的甲铵泵、阀等。
(3)本发明镍含量较低(与奥氏体不锈钢相比)，可节约大量镍，降低成本。
实施例
根据本发明所设计的化学成分、镍当量及制造方法，冶炼了4炉钢，4炉钢的化学成分和镍当量如表1所示；冶炼方法如表2所示；熔炼后4炉钢分别浇铸成钢锭，然后进行锻造或轧制成棒材，其锻造轧制工艺参数如表3所示；锻后将锻材分炉号进行固溶处理，其处理参数如表4所示；然后从热处理后的锻材中取样，分别进行了力学性能试验、夹杂物及α相含量测试、Huey法腐蚀试验和腐蚀疲劳性能试验，试验及测试结果分别列入了表5、表6、表7和表8。
为了对比，在进行Huey法腐蚀试验时，将316L不锈钢也同条件下进行了腐蚀试验，其结果也列入表7；另外，还取329J1(00Cr25Ni6Mo2)、3RE60(00Cr18Ni5Mo3Si2)和316L(00Cr18Ni14Mo2)三个双相不锈钢的试样，在同样条件下，同时进行了抗腐蚀疲劳性能试验，其结果也列入表8中。
由上述试验结果看出，与现有技术相比，本发明含氮超低碳双相不锈钢不仅具有良好的力学性能和抗腐蚀性能，而且还具有优异的抗腐蚀疲劳性能。
采用本发明实施例炉号1的超低碳双相不锈钢，取代原进口西德ALL184H材料(尿素316L钢)，制作尿素车间的G2301甲铵泵的缸体。该甲铵泵的工作介质为甲铵液，工作温度75℃，使用结果表明，本发明钢的使用寿命比进口的尿素316L材料提高了8倍。
另外，采用本发明实施例炉号2的超低碳双相不锈钢，制作使用条件更为苛刻的三聚氰胺装置上的甲铵泵缸体，该泵的工作介质为甲铵液，工作温度为105℃，其使用寿命比原用的329钢高2倍。
表1实施例钢号的化学成分及镍当量
| 炉号 | 化 学 成 分 (重量％) | 镍当量％ | |||||||||
| C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | Mo | N | Fe | ||
| 1 | 0.01 | 0.22 | 0.40 | 0.006 | 0.010 | 25.10 | 6.05 | 1.83 | 0.152 | 余 | 8.8 |
| 2 | 0.01 | 0.18 | 0.63 | 0.005 | 0.010 | 25.27 | 6.05 | 1.88 | 0.136 | 余 | 8.7 |
| 3 | 0.014 | 0.45 | 0.65 | 0.024 | 0.030 | 25.25 | 6.06 | 1.92 | 0.13 | 余 | 8.8 |
| 4 | 0.018 | 0.41 | 0.66 | 0.016 | 0.034 | 24.68 | 6.12 | 1.92 | 0.135 | 余 | 9.0 |
表2实施例钢号的冶炼工艺
| 炉号 | 熔炼 | 精炼 | 电渣重熔 |
| 1 | 感应炉熔炼 | / | 自耗电渣重熔 |
| 2 | 感应炉熔炼 | / | 自耗电渣重熔 |
| 3 | 电炉熔炼 | VOD精炼 | 自耗电渣重熔 |
| 4 | 电炉熔炼 | VOD精炼 | 自耗电渣重熔 |
表3实施例钢号的热加工工艺参数
| 炉号 | 热加工方式 | 加热温度℃ | 开锻(轧)温度℃ | 终锻(轧)温度℃ | 冷却方式 |
| 1 | 锻造 | 1150 | 1050 | 950 | 空冷 |
| 2 | 锻造 | 1150 | 1060 | 950 | 空冷 |
| 3 | 锻造 | 1150 | 1060 | 960 | 空冷 |
| 4 | 轧制 | 1150 | 1070 | 970 | 空冷 |
表4 实施例钢号的固溶处理工艺参数
| 炉号 | 固 溶 处 理 | ||
| 固溶温度℃ | 保温时间分钟 | 空冷方式 | |
| 1 | 1050 | 30 | 水冷 |
| 2 | 1050 | 30 | 水冷 |
| 3 | 1050 | 30 | 水冷 |
| 4 | 1050 | 30 | 水冷 |
表5实施例钢号的力学性能
| 炉号 | σbMPa | σsMPa | δ5％ | ψ％ | AkJ |
| 1 | 715 | 590 | 37 | 79 | 277 |
| 2 | 675 | 567 | 35 | 65 | 253 |
| 3 | 761 | 575 | 39 | 77 | 288 |
| 4 | 761 | 575 | 39 | 77 | 264 |
表6 实施例钢号的夹杂物等级和α相含量
| 炉号 | 氧化物级别 | 硫化物级别 | 铁素体(α相含量)％ |
| 1 | 0.5 | 0.5 | 58 |
| 2 | 0.5 | 0.5 | 55 |
| 3 | 1.0 | 1.0 | 57 |
| 4 | 0.5 | 0.5 | 54 |
表7 实施例和对比例的腐蚀性能(Huey法检验)
| 5个周期的平均腐蚀率μm/48小时 | 镍当量Nieq | α相％ | ||
| 本发明 | 1 | 0.94 | 8.8 | 58 |
| 2 | 0.62 | 8.7 | 55 | |
| 3 | 0.96 | 8.8 | 57 | |
| 4 | 0.91 | 9.0 | 54 | |
| 316L | 2.69 | |||
表8实施例与对比例的抗腐蚀疲劳性能
| 循环应力σ-1，MPa | 循环周次N | α相％ | 试验条件 | ||
| 本发明 | 1 | 275 | ＞107 | 58 | 与甲铵泵相通相连的管线内的甲铵液介质中 |
| 2 | 286 | ＞107 | 55 | ||
| 3 | 279 | ＞107 | 57 | ||
| 4 | 273 | ＞107 | 54 | ||
| 329J1 | 226 | ＞107 | 70 | ||
| 3RE60 | 137 | ＞107 | 65 | ||
| 316L | 127 | ＞107 | |||
Claims (4)
1、一种超低碳双相不锈钢，其特征在于：
(1)化学成分(重量％)为：C≤0.03％，Si≤1.00％，Mn≤1.00％，S≤0.03％，P≤0.035％，Cr23.0～27.0％，Ni4.0～7.0％，Mo1.0～3.0％，N0.10～0.20％；
(2)化学成分还必须满足如下镍当量(Nieq)值：
Nieq＝7.9～9.9(％)
Nieq＝1×Ni％+15×N％+30×C％+0.5×Mn％。
2、根据权利要求1所述的不锈钢，其特征在于钢的组织结构中铁素体(α相)所占的百分比为：
α相(％)＝144％-10Nieq
3、一种权利要求1所述的超低碳双相不锈钢的生产方法，包含冶炼、热加工、热处理工艺，其特征在于：
(1)冶炼工艺
a.电炉或感应炉熔炼+电渣重熔；
b.电炉熔炼+VOD精炼+电渣重熔；冶炼后铸成钢锭；
(2)钢锭热加工可采用锻造或轧制，其中加热温度为1150～1200℃，开锻或开轧温度≥1050℃，终锻或终轧温度≥950℃，锻轧后空冷；
(3)热处理工艺
热处理采用固溶处理，固溶温度1020～1070℃，保温时间20分钟～2小时，然后快速冷却至室温。
4、一种权利要求1所述的超低碳双相不锈钢的用途，其特征在于该钢适用于尿素生产关键设备——甲铵泵、阀设备上。
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