CN1528937A

CN1528937A - 高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢及其生产方法

Info

Publication number: CN1528937A
Application number: CNA2003101048442A
Authority: CN
Inventors: 张仲秋; 娄延春; 于波
Original assignee: Shenyang Research Institute of Foundry Co Ltd
Current assignee: Shenyang Research Institute of Foundry Co Ltd
Priority date: 2003-10-16
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2023-10-16
Also published as: CN1250761C

Abstract

高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢，特点是其化学成分中含有：C≤0.06％、Cr 11－16.5％、Ni 3.50－6.0％、Mn≤2％、Mo 0.5－2％、Si＜1％，余量为Fe和少量杂质，杂质包括Al、[O]、[N]、[H]、S、P，其含量分别为Al＜0.15％、[O]＜0.01％、[N]＜0.03％、[H]≤0.0005％、S≤0.020％、P≤0.025％。本发明可大幅度提高该材料的综合力学性能指标(即获得高强度、高硬度的同时，兼有高韧塑性和高屈强比，并有良好的焊接工艺性能以及抗水下疲劳性能)，可以保证高效率大型转轮设计应力小于1/3材料屈服强度的技术要求，保证大型焊接转轮现有残余应力值小于1/2材料屈服强度。保证获得更高的抗空蚀、抗泥沙磨损性。可满足我国多泥沙河流电站，对大型机组转轮的抗空蚀和抗泥沙磨损性能的要求，提高电站机组稳定性。

Description

高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢及其生产方法

(一)技术领域

本发明涉及一种金属材料，特别是涉及一种铸造马氏体不锈钢材料及其生产方法。

(二)背景技术

二十世纪七十年代以来，在世界水电工程领域，铸造低碳马氏体不锈钢(0Cr13Ni4型)成功地应用在水电机组转轮、叶片和导叶等过流部件，表现出良好的常温和低温力学性能、水下疲劳性能、焊接工艺性能以及抗空蚀磨损服役性能。在铸造技术界被誉为“铸造者梦寐以求之成功钢种”。我国以沈阳铸造研究所为代表从1972年起至今，一直从事0Cr13Ni4Mo和0Cr16Ni5Mo铸造低碳马氏体不锈钢材料工艺的研制与工程应用。1981年，全部采用0Cr13Ni4Mo不锈钢叶片的我国自行研制的长江葛洲坝电站大型机组投入运行，标志着中国水电制造工程迈入“不锈钢时代”。近二十年来，全国数十座大中型水电站，包括世界上最大的三峡水电站的转轮、叶片等，均是采用0Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢，该材料的化学成分和力学性能已成为国际公认统一的标准，见附图表一、表二。

该材料的特征是在常规热处理工艺条件下具有低碳板条马氏体基体和一定量的逆转变奥氏体组织，较低的屈服强度(R_P0.2＞550MPa)、屈强比(R_P0.2/R_m＝0.70-0.80)和硬度值(HBS≤286)。同时具有良好的韧塑性、水下疲劳性能和焊接工艺性能。但在要求材料具有高强度(R_P0.2＞850MPa)、高屈强比(R_P0.2/R_m＞0.80)和高硬度值(HBS＞310)时，现在应用的0Cr13Ni4Mo材料的韧塑性明显下降，其中A≥12％，A_K≥35J。此时材料不具备高强韧性的特征，从而导致腐蚀疲劳强度下降，焊接工艺性能变差，抗裂纹萌生和扩展的能力降低，直接影响大中型机组转轮在制造过程和电站运行中的可靠性和安全性。

目前，我国水电装机总容量8300万KW，占全国可开发水资源蕴藏量3.78亿KW的22％，尚有巨大的市场空间。因此，世界上知名的水电设备制造商的目光都瞄准中国市场。随着水轮机组向高容量、高效率和高水头的大型或巨型机组发展，如三峡电站水轮机转轮单机容量700MW，效率94％，最高水头185M，转轮重量约500吨和直径超过10M。大中型的转轮制造均采用焊接结构，不锈钢转轮焊后的残余应力值可高达310MPa-390MPa，已超过现应用0Cr13Ni4钢屈服强度的50％。不能满足转轮残余应力小于材料屈服强度50％的设计要求。高效率的转轮选用较高的设计应力，如小浪底电站转轮最高设计应力270MPa，而现应用材料不能保证最大设计应力应小于1/3屈服强度的可靠性要求。所以采用高的设计应力、高效率和高的焊接残余应力的大型转轮在电站运行中较普遍产生裂纹。

由于我国河流泥沙含量大，对大型机组转轮的抗空蚀和抗泥沙磨损性能的要求更高。而具有较高硬度、高强韧性的不锈钢材料有更好的抗空蚀磨损和抗水下疲劳性能。

(三)发明内容

本发明是针对上述问题，提供一种具有高的强度、硬度和高屈强比，同时有高的塑性和韧性的高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢。

采用的技术方案是：

高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢的化学成分是：

C≤0.06％、Cr11-16.5％、Ni3.5-6.0％、Mn≤2％、Mo0.5-2％、Si＜1％，余量为Fe和少量杂质，杂质包括Al、[O]、[N]、[H]、S、P，Al＜0.15％、P≤0.025％、S≤0.020％、[O]＜0.01％、[H]≤0.0005％、[N]＜0.03％。

高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢的生产工艺，包括熔炼工艺及精炼和热处理工艺。

一、高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢的熔炼及精炼工艺，可采用电弧炉熔炼工艺(该工艺包括氧化法和返回法)或电弧炉熔炼+AOD(氩氧脱碳)等双联精炼工艺，也可采用感应炉熔炼工艺。

1、电弧炉熔炼工艺包括：

a、熔化期：

炉料清洁，控制炉料中不易去除的有害残余元素含量。

配碳量应超过成品钢规格中限0.35-0.50％。

加入总炉料装入量1-3％的石灰造渣。

熔化期中可以吹氧助熔。

b、氧化期：

吹氧脱碳至低于成品规格，一般C≤0.04％。

脱磷至符合成品规格要求。

脱气，依靠钢液脱碳沸腾去除钢中氢、氮等气体。

c、还原期：

预脱氧，造还原渣。

脱硫S≤0.010％。

白渣下脱氧达到[O]＜0.010％。

调整成分和出钢温度，使钢水中含C≤0.06％、Cr11-16.5％、Ni3.5-6.0％、Si＜1％、Mn≤2％、Mo0.5-2％。并将钢水纯度控制在Al＜0.10％、[O]＜0.010％、[N]＜0.03％、[H]＜0.0005％、S≤0.010％、P≤0.025％。

2、采用电弧炉熔化+AOD(或VOD)双联精炼工艺法：

a、电弧炉熔化：

提供AOD精炼炉用钢液，根据工艺要求，电弧炉控制工艺要求的化学成分、出炉温度和钢液重量。并保证含磷量低于成品规格要求。

b、中间包输送：

电弧炉钢水装入中间包，称重和去除渣子后，装入AOD炉中。

c、AOD炉精炼工艺：

预装2-3％钢液重量的石灰造渣。

脱碳期，以不同比例的氧和惰性气体的混合气体(O₂/Ar或N₂)(如：3∶1；1∶1；1∶3；1∶4等)由喷枪吹入钢液内部氧化脱碳。

测温和取样分析碳含量，不用等待化学分析。

继续按不同比例精炼，取样全分析。

当温度和碳含量达到工艺要求后，进行还原，一般C≤0.03％。

还原期：

脱氧[O]＜0.0080％

脱硫S＜0.005％

用氩气搅拌，精炼钢水

调整成分和温度，使钢水中含C≤0.06％、Cr11-16.5％、Ni3.5-6.0％、Mn≤2％、Mo0.5-2％、Si＜1％。并将钢水纯度控制在Al＜0.10％、[O]＜0.0080％、S＜0.005％、[N]＜0.03％、[H]＜0.0005％、P≤0.025％。

3、中频感应电炉熔炼工艺

a、严格挑选清洁炉料和返回料。

b、入炉各类合金必须烘烤至600℃以上，减少气体含量。

c、大功率快速熔化，缩短熔化时间。

d、控制成分范围和纯净度水平。

e、熔化过程可采用氩气保护工艺技术。

调整成分和温度，使钢水中含C≤0.06％、Cr11-16.5％、Ni3.5-6.0％、Mn≤2％、Mo0.5-2％、Si＜1％。并控制钢水纯度使Al＜0.15％、P≤0.025％、S≤0.020％、[O]＜0.01％、[H]＜0.0005％、[N]＜0.03％。

二、热处理工艺

1、铸件采用低温软化退火(600-700℃)+正火(960-1050℃，空冷)+回火(600-650℃)或二次回火(600-650℃)，为常规热处理工艺。

2、对于厚大截面、结构复杂的铸件热处理工艺采用正火冷却至马氏体相变温度区间，即起始相变温度至转变中止温度之间，而不冷却至马氏体相变终止温度以下。

采用二次回火工艺，第一次回火后，必须冷却至马氏体相变终止温度后进行第二次回火，回火范围580-650℃之间。

3、对于该高屈强比高强韧性马氏体不锈钢要求硬度HBS＞310时，正火(950-1050℃)+回火温度在450-520℃之间。

4、对于该高屈强比高强韧性马氏体不锈钢要求R_P0.2/R_m＞0.85，而硬度达到250＜HBS＜300时，采用正火(950-1050℃)+二次回火工艺。第一次回火温度在650-720℃之间；第二次回火温度在550-580℃之间。

本发明的高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢材料的优点：

1、大幅度提高该材料的力学性能指标，可以达到：R_P0.2＞850MPa、R_m＞1000MPa、A＞16、Z＞50％、Akv＞100J、HBS＞310、R_P0.2/R_m＞0.80。

2、可以保证高效率大型转轮设计应力小于1/3材料屈服强度的技术要求，保证大型焊接转轮现有残余应力值小于1/2材料屈服强度。

3、保证获得更高的抗空蚀和抗泥沙磨损性。

4、保证大型转轮制造过程的焊接工艺性和抗水下疲劳性能。

5、可满足我国河流泥沙大，对大型机组转轮的抗空蚀和抗泥沙磨损性能的要求。

(四)附图说明

图1是本发明的0Cr13Ni4Mo钢的化学成分。

图2是本发明的0Cr13Ni4Mo的力学性能。

图3是本发明材料的典型化学成分及纯净度实例(％)。

图4是本发明的典型力学性能实例。

(五)具体实施方式

实施例一

高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢的化学成分中含有：C0.012％、Cr11％、Ni6.00％、Mn0.60％、Si0.24％、Mo0.50％、Al0.14％、P0.003％、S0.005％，余量为Fe。

实施例二

高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢的化学成分中含有：C0.020％、Si0.45％、Mn1.01％、P0.004％、S0.005％、Cr12.55％、Ni5.1％、Mo0.41％、Al0.033％、[O]为0.0015％、[N]0.0058％，余量为铁。

实施例三

高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢的化学成分中含有：C0.012％、Si0.37％、Mn0.99％、P0.003％、S0.010％、Cr12.61％、Ni5.20％、Mo0.99％、Al0.026％、[O]为0.0040％、[N]0.0061％，余量为Fe。

实施例四

高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢的化学成分中含有：C0.031％、Si0.24％、Mn0.97％、P0.021％、S0.005％、Cr12.66％、Ni4.90％、Mo0.99％、Al0.017％、[O]为0.0077％、[N]0.014％、[H]0.00017％，余量为Fe。

实施例五

高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢的化学成分中含有：C0.022％、Si0.49％、Mn0.84％、P0.013％、S0.010％、Cr12.92％、Ni5.33％、Mo0.65％、Al0.020％、[N]0.006％，余量为Fe。

实施例六

高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢的化学成分中含有：C0.030％、Si0.54％、Mn0.60％、P0.015％、S0.005％、Cr12.30％、Ni4.57％、Mo0.40％、Al0.14％、[N]0.024％，余量为Fe。

实施例七

高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢的化学成分中含有：C0.06％、Cr16.5％、Ni3.5％、Mn1.99％、Si0.98％、Mo2.00％、Al0.035％、P0.025％、S0.019％，余量为Fe。

实施例八

高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢生产方法，包括熔炼工艺及精炼和热处理工艺，熔炼工艺及精炼工艺为已知工艺，故从略，本实施例仅说明热处理工艺过程，包括下述步骤：

A、对于厚大截面、结构复杂的铸件热处理工艺采用正火冷却至马氏体相变温度区间，即起始相变温度至转变中止温度之间，而不冷却至马氏体相变终止温度以下；

采用二次回火工艺，第一次回火后，必须冷却至马氏体相变终止温度后进行第二次回火，回火温度580℃；

B、对于该高屈强比高强韧性马氏体不锈钢要求硬度HBS＞310时，正火950℃+回火温度450℃；

C、对于该高屈强比高强韧性马氏体不锈钢要求R_P0.2/R_m＞0.85，而硬度达到250＜HBS＜300时，采用正火(950℃)+二次回火工艺，第一次回火温度650℃；第二次回火温度550℃。

实施例九

高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢生产方法中的热处理工艺过程，包括下述步骤：

采用二次回火工艺，第一次回火后，必须冷却至马氏体相变终止温度后进行第二次回火，回火温度650℃；

B、对于该高屈强比高强韧性马氏体不锈钢要求硬度HBS＞310时，正火1050℃+回火温度520℃；

C、对于该高屈强比高强韧性马氏体不锈钢要求R_P0.2/R_m＞0.85，而硬度达到250＜HBS＜300时，采用正火(1050℃)+二次回火工艺，第一次回火温度720℃；第二次回火温度580℃。

实施例十

采用二次回火工艺，第一次回火后，必须冷却至马氏体相变终止温度后进行第二次回火，回火温度600℃；

B、对于该高屈强比高强韧性马氏体不锈钢要求硬度HBS＞310时，正火1000℃+回火温度500℃；

C、对于该高屈强比高强韧性马氏体不锈钢要求R_P0.2/R_m＞0.85，而硬度达到250＜HBS＜300时，采用正火1000℃+二次回火工艺，第一次回火温度720℃；第二次回火温度580℃。

Claims

1、高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢，特征是其化学成分中含有：C≤0.06％、Cr 11-16.5％、Ni 3.50-6.0％、Mn≤2％、Mo 0.5-2％、Si＜1％，余量为Fe和少量杂质，杂质包括Al、[O]、[N]、[H]、S、P，其含量分别为Al＜0.15％、[O]＜0.01％、[N]＜0.03％、[H]≤0.0005％、S≤0.020％、P≤0.025％。

2、根据权利要求1所述的高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢，特征是其化学成分中含：

C 0.020％、Cr 12.55％、Ni 5.1％、Mn 1.01％、Mo 0.41％、Si0.45％、Al 0.033％、P 0.004％、S 0.005％、[O]为0.0015％、[N]0.0058％，余量为铁。

3、根据权利要求1所述的高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢，特征是其化学成分中含：

C 0.012％、Cr 12.61％、Ni 5.20％、Mn 0.99％、Mo 0.99％、Al0.026％、[O]为0.0040％、[N]0.0061％、S 0.010％、Si 0.37％，余量为Fe。

4、根据权利要求1所述的屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢，特征是其化学成分中含：

C 0.031％、Cr 12.66％、Ni 4.90％、Mn 0.97％、Mo 0.99％、Al0.017％、[O]为0.0077％、[N] 0.014％、[H] 0.00017％、Si 0.24％，余量为Fe。

5、根据权利要求1所述的高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢，特征是其化学成分中含：

C 0.022％、Cr 12.92％、Ni 5.33％、Mo 0.65％、Al 0.020％、[N]0.006％、S 0.010％、P 0.013％、Si 0.49％，余量为Fe。

6、根据权利要求1所述的高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢，特征是其化学成分中含：

C 0.030％、Cr 12.30％、Ni 4.57％、Mn 0.60％、Mo 0.40％、Al0.14％、[N]0.024％、S 0.005％、P 0.015％、Si 0.54％，余量为Fe。

7、高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢的生产方法，包括熔炼工艺和热处理工艺，熔炼工艺可采用电弧炉熔炼工艺，也可采用电弧炉熔炼+AOD(或VOD)双联精炼工艺和感应炉熔炼工艺，其特征在于：

采用二次回火工艺，第一次回火后，必须冷却至马氏体相变终止温度后进行第二次回火，回火范围580-650℃之间；

B、对于该高屈强比高强韧性马氏体不锈钢要求硬度HBS＞310时，正火(950-1050℃)+回火温度在450-520℃之间；

C、对于该高屈强比高强韧性马氏体不锈钢要求R_P0.2/R_m＞0.85，而硬度达到250＜HBS＜300时，采用正火(950-1050℃)+二次回火工艺，第一次回火温度在650-720℃之间；第二次回火温度在550-580℃之间。