CN1221802A - 铬合金工件的制造方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及由铬合金制造工件的方法,该铬合金的组成为:32—37%(重量)铬,28—36%(重量)镍,最大为2%(重量)锰,最大为0.5%(重量)硅,最大为0.1%(重量)铝,最大为0.03%(重量)碳,最大为0.025%(重量)磷,最大为0.01%(重量)硫,最大为2%(重量)钼,最大为1%(重量)铜,0.3—0.7%(重量)氮。其余为铁和制造过程的混入物及杂质,该工件经冷加工成形,经冷加工成形使其屈服极限至少可达1000MPa(RP≥1000MPa)。
Description
发明领域
本发明涉及用第一权利要求的前述部分的铬合金制造工件的方法。本发明亦涉及按照该方法制造的工件的应用。
发明背景
能源技术，特别是透平发电机结构中的固定环(英文为“RetainingRings”)、海上技术、航空和航天技术、建筑、通用机械制造、化学工业和交通技术中所要求材料不但强度高，韧性高，抗铁磁性，还要求材料在水和卤化物的水溶液中耐腐蚀及应力裂纹腐蚀。目前还没有能满足全部要求的材料。因此，一直在尝试选择适于特定应用领域的材料，使其至少最主要的性能能满足要求，以防止材料失效。由此，容许在操作条件变化时，因较少考虑的从属性能会引起的材料失效。
例如，用组成为18％Cr、18％Mn、0.6％N、或18％Mn、5％Cr、0.55％C的钢制造透平发电机的固定环。虽然，这种材料具有预期的高强度，高韧性和抗铁磁性，但其腐蚀性能和应力裂纹腐蚀性能在特殊的腐蚀性操作条件和环境条件下却会出现问题。
从EP0657556A1中获知一种合金，其组成为：
32-37％(重量)铬，
28-36％(重量)镍，
最大为2％(重量)锰，
最大为0.5％(重量)硅，
最大为0.1％(重量)铝，
最大为0.03％(重量)碳，
最大为0.025％(重量)磷，
最大为0.01％(重量)硫，
最大为2％(重量)钼，
最大为1％(重量)铜，
0.3-0.7％(重量)氮，
其余为铁和制造过程的混入物及杂质。
EP0657556A1中所描述的这种合金虽然具有所需的高的耐一般腐蚀的能力，但其屈服极限(延伸极限)最高只能达到500MPa，抗拉强度只能达到850MPa。这仍不能满足开头所述的对合金的特高强度要求。
EP0657556A1中所描述的合金是克鲁普(Krupp)VDM公司推出的，其代号为Nicrofer3033-合金33。在1995年6月克鲁普VDM公司关于Nicrofer3033-合金33材料数据说明书的附件，材料说明书Nr.4142中注明，该材料应在15％的冷变型后进行热处理，其热处理温度为1080-1150℃，优选1120℃。热处理后用水加速冷却可使其达到最佳抗腐蚀性能。热处理后该工件的上述强度性能降低。
发明概述
本发明的目的在于，采用由前言中所述类型的铬合金制造工件的方法时，提供一种具有高强度、高韧度、抗铁磁性，并在水和卤化物的水溶液中能耐应力裂纹腐蚀的材料。
此目的可通过本发明的第一条权利要求的特征部分来达到。
因此，本发明的核心问题是使工件经冷加工成形，并通过冷加工成形使其屈服极限至少达到1000MPa(RP≥1000MPa)。
本发明的优点特别在于，在冷加工成形度(通过冷加工成形缩小截面)为20％以上直到90％时，在力学、物理和化学性能方面能得到非常优良的组合。其屈服极限可达1000MPa，甚至超过2000MPa，同时保持良好的韧性(断裂延伸为5-10％)。这就得到了一种能满足现代技术要求的高强度材料。
另一优点在于其特殊的物理和化学性质，它是具有同等强度和同等抗腐蚀能力的常规材料所不具备的。本发明之材料的特殊物理性质表现在基本上无铁磁性，此性质是用作透平发电机固定环的前提条件。由于其面心立方体晶格的高度稳定性，所以本发明之材料在较大的冷加工成形后，仍不产生任何变形马氏体，因而仍无铁磁性。
按本发明强冷加工成形材料的特殊化学性质表现在，在水和卤化物水溶液中能抗应力裂纹腐蚀，其它冷加工成形的非铁磁性耐腐蚀材料，包括“超奥氏体”，特别是迄今工业普遍用作固定环的高冷加工成形的钢种至少在热的氯化物水溶液中总是不耐应力裂纹腐蚀的。将本发明的20％或更高的强冷加工成形用于所述之铬合金，从而首次制出了一种材料，该材料有极高的强度、耐腐蚀性以及无铁磁性的同时，完全能在卤化物水溶液中耐应力裂纹腐蚀。
本发明以所述的方法提供了一种材料，基于其力学强度和韧性、耐腐蚀性和耐应力裂纹腐蚀，以及无铁磁性等性质的优良组合，该材料特别适用于下列领域：能源技术装备、海上和石油钻探技术装备、航空航天工业、地上建筑和地下建筑工业、通用机械制造工业、化学和石油工业。
本发明另外一些有利特征及应用由从属权利要求给出。
附图简述
附图表示屈服极限RP02、抗拉强度Rm和断裂伸度A5和冷加工成形度的关系。
本发明实施方案
对下列组成的铬基合金工件进行冷加工成形。
32-37％(重量)铬，
28-36％(重量)镍，
最大为2％(重量)锰，
最大为0.5％(重量)硅，
最大为0.1％(重量)铝，
最大为0.03％(重量)碳，
最大为0.025％(重量)磷，
最大为0.01％(重量)硫，
最大为2％(重量)钼，
最大为1％(重量)铜，
0.3-0.7％(重量)氮，
其余为铁和制造过程的混入物及杂质。
特别优选的合金组成范围如下：
32-37％(重量)铬，
28-36％(重量)镍，
最大为2％(重量)锰，
最大为0.5％(重量)硅，
最大为0.1％(重量)铝，
最大为0.03％(重量)碳，
最大为0.025％(重量)磷，
最大为0.01％(重量)硫，
0.5-2％(重量)钼，
0.3-1％(重量)铜，
0.3-0.7％(重量)氮，
其余为铁和制造过程的混入物及杂质。
此类工件经受不同程度的冷加工成形，并对所得的工件进行研究。唯一的附图表示屈服极限RP02、抗拉强度Rm和断裂伸度A5与冷加工成形度的关系。从图可以看出，冷加工成形度超过25％时，屈服极限可达1000MPa以上。对经过冷加工成形的工件进行各种腐蚀及应力裂纹腐蚀试验，试验表明至少能达到与未经加工成形的工件相等的好数值。
实例1：
一种铬基合金，其化学组成如下：
32.9％(重量)铬，
30.9％(重量)镍，
0.64％(重量)锰，
0.31％(重量)硅，
0.01％(重量)碳，
0.01％(重量)磷，
1.67％(重量)钼，
0.58％(重量)铜，
0.39％(重量)氮，以及普通的制造过程的混入物和杂质，其余为铁，在溶液退火和淬火状态轧制成板材之尺寸为150mm×150mm，其特性如下：屈服极限RP02=466MPa，抗拉强度Rm=848MPa，断裂伸度A5=65％，磁导率μr＜1.004，临界裂隙腐蚀温度Tccc=20℃。直径15mm的棒形合金经室温下旋锻冷加工成形为直径为11.2mm、9.2mm、7.2mm和5.7mm的棒，相应的冷加工成形为40％、59％、75％和84％。甚至在最大的冷加工成形下，该合金仍呈均匀奥氏体态、无析出、完全非磁性(μr＜1.004)，其力学特性如下：屈服极限RP02=2100MPa，抗拉强度Rm=2100MPa，断裂伸度A5=10％。冷加工成形不影响其对抗局部腐蚀，临界裂隙腐蚀温度保持在20℃与溶液退火态的相同。实例2：
与例1相同化学组成的溶液退火轧制板，由溶液退火态开始经冷轧成形，其加工成形度为25％和35％。按本发明冷加工成形的合金的特性列于表1。表中亦列出了两个参比合金。该表涉及的合金是当前世界上最广泛使用的、用于本发明所说的要求很高的电机转子固定环的材料。
按本发明经冷加工成形的合金在强度、延展性和韧性方面显示出的非常好的组合。在腐蚀性能和抗应力裂纹腐蚀方面，经冷加工成形的铬基合金显示出决定性的优势。众所周知，奥氏体钢的抗腐蚀性与铬、钼和氮的含量成正比增加，相应于经验有效和％Cr+3.3％Mo+20％N。本发明有效和之值约为45。因此，其耐腐蚀的性能明显地高于目前用于制造发电机转子固定环的组成为18％Cr、18％Mn、0.6％N或18％Mn、5％Cr、0.55％C两种钢。在实验中由临界裂隙腐蚀温度显示出来，对于本发明的冷加工成形合金，该温度约为20℃，而对于组成为18％Cr、18％Mn、0.6％N或18％Mn、5％Cr、0.55％C的合金，该温度则低于-3℃。
表1
| 合金 | 冷加工成形度〔％〕 | 屈服极限RP02〔MPa〕 | 抗拉强度Rm〔MPa〕 | 断裂伸度A5〔％〕 | 凹口试棒冲击功Av〔J〕 |
| 按例2 | 02535 | 46610151110 | 84811401210 | 652522 | ＞300218170 |
| 18％Cr、18％Mn、0.6％N | 02535 | 50010401170 | 85011601250 | 652622 | 270185150 |
| 18％Mn、5％Cr、0.55％C | 02535 | 4608501050 | 85011501220 | 653528 | 2008560 |
应特别强调的是按本发明冷加工成形的合金的耐应力裂纹腐蚀的特性。为此，曾用经预疲劳过的DCB-试样在水和22％NaCl溶液中进行了断裂力学试验，经过2000小时试验之后，未发现裂纹生长。因此其裂隙生长的上限可能为＜10-11m/s。而参比材料的相应裂隙生长约为10-9m/s(18％Cr、18％Mn、0.6％N)或10-8m/s(18％Mn、5％Cr、0.55％C)。
当然，本发明不限于所举出的和所描述的实例。
Claims (10)
1．一种由铬合金制造工件的方法，该铬合金的组成为：
32-37％(重量)铬，
28-36％(重量)镍，
最大为2％(重量)锰，
最大为0.5％(重量)硅，
最大为0.1％(重量)铝，
最大为0.03％(重量)碳，
最大为0.025％(重量)磷，
最大为0.01％(重量)硫，
最大为2％(重量)钼，
最大为1％(重量)铜，
0.3-0.7％(重量)氮，
其余为铁和制造过程的混入物及杂质，其特征在于，该工件经冷加工成形，并经冷加工成形使其屈服极限至少可达1000MPa(RP≥1000MPa)。
2．一种由铬合金制造工件的方法，该铬合金的组成为：
32-37％(重量)铬，
28-36％(重量)镍，
最大为2％(重量)锰，
最大为0.5％(重量)硅，
最大为0.1％(重量)铝，
最大为0.03％(重量)碳，
最大为0.025％(重量)磷，
最大为0.01％(重量)硫，
0.5-2％(重量)钼，
0.3-1％(重量)铜，
0.3-0.7％(重量)氮，
其余为铁和制造过程的混入物及杂质，其特征在于，该工件经冷加工成形，并经冷加工成形使其屈服极限至少可达1000MPa(RP≥1000MPa)。
3．权利要求1或2的制造工件的方法，其特征在于，冷加工成形度至少为20％。
4．按照权利要求1-3之一所制造的工件作为发电机/转子的固定环的应用。
5．按照权利要求1-3之一所制造的工件在海上和石油钻探技术装备中作为阀门、管道、连接件和钻杆的应用。
6．按照权利要求1-3之一所制造的工件在航空和航天技术装备中作为承重部件以及连接件，特别是螺钉、螺栓、铆钉的应用。
7．按照权利要求1-3之一所制造的工件在地上和地下建筑工程中作为连接件，诸如钉、铆钉、螺钉、销钉；以及作为缆索、基岩螺栓、房屋立面、立面底架、地道、桥梁、屋顶，包括游泳池的吊顶；以及作为预应力缆、松紧螺套、锚板、铰链、护栏、承压结构、加强筋，和钢结构的支撑件的应用。
8．按照权利要求1-3之一所制造的工件在通用机械制造和化学及石油化学工业中，作为在应力撕裂纹腐蚀介质中承受机械应力的高强度部件的应用。
9．按照权利要求1-3之一所制造的工件在陆上和水上交通运输技术装备中、在两栖交通工具中以及在必须同时耐机械负荷和耐腐蚀环境的承重系统和导向系统中作为部件的应用。
10．按照权利要求1-3之一所制造的工件在体育和业余活动设备，包括造船及潜水设备中的应用。
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