專利名稱：一種消除高強(qiáng)韌性馬氏體不銹鋼中δ鐵素體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料領(lǐng)域，具體為一種消除高強(qiáng)韌性馬氏體不銹鋼中s鐵素
體的方法，尤其是涉及一類鑄造馬氏體不銹鋼材料的成分設(shè)計和相控制方法。
背景技術(shù)：
0Crl3Ni4 6Mo型馬氏體不銹鋼，具有良好的鑄造性、大截面均一性和焊接 性，在鑄造界被譽(yù)為"鑄造者夢寐以fe成功鋼種"。由于具有優(yōu)異的常溫和低溫 力學(xué)性能、水下疲勞性能、焊接工藝性能以及抗空蝕磨損性能，鑄造高強(qiáng)韌性馬 氏體不銹鋼(0Crl3Ni4 6Mo型)被廣泛應(yīng)用在水電站過流部件、7K泵、壓縮機(jī) 葉輪、原子能電站鑄件和壓力容器等部件上。在我國隨著水輪機(jī)組向大功率、高 水頭的大型和巨型機(jī)組發(fā)展，對0Crl3Ni4 6Mo型材料的性能要求也鵬越高， 在提高強(qiáng)度要求的同時，也對塑性和韌性也提出了更高的要求，因此合理控制 0Crl3Ni4 6Mo型馬氏體不銹鋼的微觀組織皿越得到各廠商的重視。
如果不能合理地控制各種合金元素的含量和鑄ita程的冷卻速度，該類型鋼 種中易出現(xiàn)由于包晶反應(yīng)不完全而殘留至室溫的S鐵素體相，見附圖1。同時由 于S鐵素體相生皿度較高，鑄造完成后的常規(guī)熱處理方法無法將其消除，只能 存留至服役狀態(tài)。S鐵素體屬于軟化相，常分布于原奧氏體晶界，在受到拉伸、 沖擊及空泡腐蝕時往往成為裂紋首先萌生的位置，見附圖2。由于其止裂性能差， 當(dāng)裂紋產(chǎn)生后，又會沿著S鐵素體擴(kuò)展，使材料的強(qiáng)度、塑性、韌t扱抗空蝕性 能嚴(yán)重下降，斷氐材料的4頓性能和使用絲，直接影響大中型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪制造 和運(yùn)行過程中的可靠性和安全性。隨著大型水輪機(jī)組設(shè)計和使用割牛對材料要求 的提高，消除0013Ni4 6Mo型馬氏體不銹鋼中的S鐵素體相，提高材料綜合性
能顯得尤為重要。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種克服0Crl3Ni4 6Mo型馬氏體不銹鋼中易存在S 鐵素體的問題的方法，解決了實(shí)際生產(chǎn)過程中難以控制和消除5鐵素體的問題； 采用合金設(shè)計和鑄造7^I雙重控制的方法，不增加任何生產(chǎn)工序和成本。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種消除高強(qiáng)韌性馬氏體不銹鋼中S鐵素體的方法，通過控制0Crl3Ni4 6Mo型馬氏體不銹鋼中的鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量比及鑄件高溫階段的冷卻速度實(shí)現(xiàn)完全 消除S鐵素體。
1) 將合金元素中的奧氏體化元素含量用鎳當(dāng)量表示，鐵素體化元素含量用鉻 當(dāng)量表示，鎳當(dāng)量(NiJ和鉻當(dāng)量(CrJ的計算方法如下
NU二Ni+30 (C+N) +0. 5Mn;
Cr叫-Cr+Mo+1.5Si;
以上各元素均按質(zhì)量百分含量計算。
2) 控制NieyOe^0.42 (—般為0.42 0.65);
3) 澆注時，通過調(diào)整澆注 鵬、鑄型材料、冒口尺寸和保溫材料等，控制鑄 件在材料固相線和130(TC之間的平均冷卻速度《50(TC/h (冷卻速度的下限可以 不受限制)。
0Crl3Ni4 6Mo型馬氏體不銹鋼的化學(xué)成分是(質(zhì)量百分含量)C《0.06， SiCOO， Mn《1.00， Crl1.5 14.0， Ni 3. 5 6. 0， Mo0.40 1.00， N《0.02， S《0.03， P幼.04， Fe余量。
本發(fā)明消除高強(qiáng)韌性馬氏體不銹鋼中S鐵素體的機(jī)理如下
該類型不銹鋼中，鎳、碳、氮和錳屬于鐵素體化元素，《腿鐵素體的形成和
穩(wěn)定，擴(kuò)大高溫S鐵素體相區(qū)；鉻、鉬和硅屬于奧氏體化元素，促進(jìn)奧氏體的形
成和穩(wěn)定，擴(kuò)大奧氏體相區(qū)。本發(fā)明根據(jù)各元素《腿鐵素體和奧氏體化能力的不 同，設(shè)置不同的權(quán)重因子，將其分別等效為鎳當(dāng)量和絡(luò)當(dāng)量。通過控制鎳當(dāng)量/ 鉻當(dāng)量來綜合控制鐵素體化元素含量和奧氏體化元素含量，使該類型材料在平衡
狀態(tài)相圖中能完全消除S鐵素體。同時，由于高溫階段S鐵素體向奧氏^構(gòu)變的 包晶反應(yīng)L+5 —y受冷卻速度影響較大，過快的冷速將會使包晶反應(yīng)不完全，所 以必須X寸材料在固相線溫度和130CTC之間的冷卻速度進(jìn)行限定，使該反應(yīng)能在近似平衡狀態(tài)下進(jìn)行。
本發(fā)明具有如下有益效果-
1. 本發(fā)明在不增加生產(chǎn)工序和成本的前提下，通過控制材料的成分配比和鑄
造過程7鏡實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、方便地控制和消除0Crl3Ni4 6Mo類型馬氏體不銹鋼中的 有害S鐵素體相，提高了材料的綜合力學(xué)性能。
2. 本發(fā)明的應(yīng)用可解決長期困擾國內(nèi)水電廠商對0Crl3Ni4 6Mo型馬氏體不 銹鋼組織控制難的問題，為實(shí)現(xiàn)大型水輪機(jī)組國產(chǎn)化打下基礎(chǔ)，進(jìn)而解決我國大 型7jC輪機(jī)組件依賴進(jìn)口的局面。
3. 本發(fā)明的應(yīng)用可以提升材料的綜合性能，滿足大型7jC輪機(jī)組對材料力學(xué)性 能的苛刻要求，根據(jù)國家水電發(fā)展規(guī)劃，按每臺700MW級7jC輪機(jī)組4500萬^t價 計算，2020年以前能有幾十億元的效益。
圖1含有S鐵素體的ZG06Crl3Ni4Mo金相組織，其中的亮白色組織為S鐵素體。
圖2沖擊時裂紋沿含S鐵素體萌生和擴(kuò)展。
圖3本發(fā)明的實(shí)施例一的金相圖片。
圖4本發(fā)明的實(shí)施例二的金相圖片。
圖5本發(fā)明的實(shí)施例三的金相圖片。
圖6本發(fā)明的實(shí)施例四的金相圖片。 具體實(shí) 式 實(shí)施例一
根據(jù)本發(fā)明設(shè)計ZG04Crl3Ni4Mo的化學(xué)成分(質(zhì)量百分含量)C 0.028%、 Si 0.44%、 Mn 0. 77%、 Cr 12. 07%、 Ni 4.14%、 Mo 0.52%、 N 0.008%、 SO. 005%、 P0.017°%、 Fe余量。采用樹脂砂造型，澆注鵬1550。C，試±央尺寸 70 X150 X 200腿，附鑄在大型鑄件上。
計算Ni叫二Ni+30 (C+N) +0. 5Mn=5. 605%; Cr一Cr+Mo+l. 5Si=13. 25%;Ni叫/Cr,0. 423 〉0. 42;
因其附鑄在熱容較大的大型鑄件上，所以其冷卻速度遠(yuǎn)低于同尺寸的單獨(dú)鑄 件。經(jīng)測量，試塊鑄件在固相線到130(TC之間平均冷卻速度為300°C/h。
典型金相組織如圖3所示，不含S鐵素體。 實(shí)施例二
根據(jù)本發(fā)明設(shè)計ZG06Crl3Ni4Mo的化學(xué)成分(質(zhì)量百分含量)C 0.038%、
Si 0.30%、 Mn 0.52%、 Cr 12. 54%、 Ni 3.85%、 Mo 0.44%、 N 0.015%、 SO. 005%、 P0.025%、 Fe余量。采用樹脂砂造型，澆注溫度1570。C，試±央尺寸 200X200X200mm，試±央頂部設(shè)置保溫冒口。
計算Ni一Ni+30 (C+N) +0. 5Mn二5. 70%;
Creq=Cr+Mo+l. 5Si = 13. 43%;
Ni叫/Cr叫二0. 424〉0. 42;
通過提高澆注，，設(shè)置4> 140X 100ram的保溫冒口來控制鑄件在高溫階段的 冷卻速度，經(jīng)測量，鑄件在固相線到1300。C之間冷卻速度為450°C/h。
典型金相組織如圖4所示，不含S鐵素體。 實(shí)施例三
根據(jù)本發(fā)明設(shè)計ZG04Crl3Ni5Mo的化學(xué)成分(質(zhì)量百分含量)C 0.02%、
Si 0.44%、 Mn 0.45%、 Cr 11.80%、 Ni 4.66%、 Mo 0.43%、 N 0.015%、 SO. 007%、 P 0.024%、 Fe余量。采用樹脂砂造型，表面敷鉻鐵礦砂，澆注^it 1550°C，試i央尺寸100X100X150腿，附鑄在大型鑄件上。
計算Ni叫二Ni+30 (C+N) +0. 5Mn=5. 935%;
Cr叫二Cr+Mo+l. 5Si=12. 89%;
Ni叫/Cr叫二0. 460 〉0. 42;
因其附鑄在熱容較大的大型鑄件上，雖然采用鉻鐵礦砂做面砂，其冷卻速度 遠(yuǎn)低于同尺寸的單獨(dú)鑄件。經(jīng)測量，鑄件在固相線到1300"C之間冷卻速度為200
。C/h。
典型金相組織如圖5所示，不含S鐵素體。實(shí)施例四
根據(jù)本發(fā)明設(shè)計ZG06Crl3Ni5Mo的化學(xué)成分中含有(質(zhì)量百分含量)C 0.034%、Si 0.48%、Mn 0.79%、Cr 12.52%、Ni 4.50%、Mo 0.56%、N 0.01 %、 SO. 009Q%、 P0.019%、 Fe余量。采用樹脂砂造型，澆注》鵬1550"，試塊 尺寸70X150X200咖，附鑄在大型鑄件上。
計算Ni叫二Ni+30 (C+N) +0. 5Mn二6. 215%;
Cr叫二Cr+Mo+l. 5Si=13. 80%;
Ni叫/Cr叫二0. 450>0. 42;
因其附鑄在熱容較大的大型鑄件上，所以其冷卻速度遠(yuǎn)低于同尺寸的單獨(dú)鑄 件。經(jīng)測量，鑄件固相線到130(TC之間冷卻速度為300°C/h。
典型金相組織如圖6所示，不含S鐵素體。
權(quán)利要求
1、一種消除高強(qiáng)韌性馬氏體不銹鋼中δ鐵素體的方法，其特征是通過控制OCr13Ni4～6Mo型馬氏體不銹鋼中的鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量比及鑄件高溫階段的冷卻速度實(shí)現(xiàn)完全消除δ鐵素體。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除高強(qiáng)韌性馬氏體不銹鋼中S鐵素體的方法，其 特征在于鎳當(dāng)量NU二Ni+30 (C+N) +0.5Mn ，鉻當(dāng)量Cr。q二Cr+Mo+l. 5Si， 各元素按質(zhì)量百分含量計算。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除高強(qiáng)韌性馬氏體不銹鋼中S鐵素體的方法，其 特征在于控制鎳當(dāng)量/鉻當(dāng)量>0.42。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除高強(qiáng)韌性馬氏體不銹鋼中S鐵素體的方法，其 特征在于控制鑄件在固相線到1300。C之間的平均冷卻速度《50(TC/h。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬材料領(lǐng)域，具體為一種消除高強(qiáng)韌性馬氏體不銹鋼中δ鐵素體的方法，尤其是涉及一類鑄造馬氏體不銹鋼材料的成分設(shè)計和相控制方法。本發(fā)明通過控制0Cr13Ni4～6Mo型馬氏體不銹鋼中的鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量比及鑄件高溫階段的冷卻速度實(shí)現(xiàn)完全消除δ鐵素體。1)進(jìn)行0Cr13Ni4～6Mo型高強(qiáng)韌性馬氏體不銹鋼合金成分設(shè)計時，按照鎳當(dāng)量(Ni<sub>eq</sub>)＝Ni+30(C+N)+0.5Mn，鉻當(dāng)量(Cr<sub>eq</sub>)＝Cr+Mo+1.5Si計算鎳鉻當(dāng)量；2)控制鎳當(dāng)量/鉻當(dāng)量≥0.42；3)控制鑄件在固相線到1300℃之間的平均冷卻速度不大于500℃/h。本發(fā)明通過對合金成分設(shè)計和鑄件冷卻速度的控制以消除嚴(yán)重惡化0Cr13Ni4～6Mo型高強(qiáng)韌性馬氏體不銹鋼性能的δ鐵素體相，顯著提高鑄件的強(qiáng)度和塑韌性。
文檔編號B22D27/04GK101532110SQ20081001323
公開日2009年9月16日 申請日期2008年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月17日
發(fā)明者夏立軍, 康秀紅, 李依依, 李殿中, 培 王, 陸善平 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所