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水电站设备用低碳马氏体不锈钢0Cr16Ni5Mo的研制结果及方案
发布者:不锈钢管厂(www.mycyberit.com) 发布时间:2020/4/25 阅读:486

  浙江宏盛特钢有限公司介绍了宝钢低碳马氏体不锈钢0Cr16Ni5Mo的研制过程。为了获得满足水电设备制造要求的0Cr16Ni5Mo,通过分析主要元素的作用,设计了化学成分;通过软件计算,制定了轧制工艺;通过实验室炼钢、轧制和热处理,确认了材料的性能能够达到要求及加工工艺可行。工业试生产证明,宝钢开发的0Cr16Ni5Mo热加工性良好,力学性能能够达到国内外同类产品的水平。

 

 0Cr16Ni5Mo属于低碳马氏体不锈钢,主要用于水电设施中的耐磨件,如水轮机叶片、水轮机转动垫圈、升船机滑动轨道垫板等。在运行时不仅要经历一般腐蚀介质的侵袭,还要经受泥沙的冲蚀、空蚀等复合作用,使用条件比较恶劣,这些关键部件应具有良好耐蚀性、高强度和高硬度,以取得良好的耐磨性能;应具有优异的冲击韧性,以抵御在深水区空泡产生和湮灭过程中形成的巨大冲击力。与常用的低碳马氏体不锈钢0Cr13Ni5Mo、17-4PH相比,0Cr16Ni5Mo具有更高的强度、硬度、耐空蚀性,还保持较好的韧塑性和水下抗疲劳性能,同时还具有更优的可焊性。但是,由于0Cr16Ni5Mo在高温状态下为奥氏体和铁素体双相组织,高温塑性差以致热轧时产生边裂,δ铁素体的比例为15%时尚可获得较满意的加工塑性,随着比例的继续提高,钢的高温塑性骤降。另外,回火工艺的变化会对低碳马氏体不锈钢的组织性能产生很大影响。因此,δ铁素体控制、回火工艺制定是生产优质0Cr16Ni5Mo的关键。继顺利开发了0Cr13Ni5Mo后,宝钢通过合理设计化学成分、严格控制轧制和热处理工艺,顺利开发0Cr16Ni5Mo马氏体不锈钢,该钢种具有良好的加工性能和力学性能。

 

一、成分设计试验方案

 

 1. 成分设计

  为了保证0Cr16Ni5Mo经热处理后具有较高的强度、硬度,需要加入一定量的碳、氮元素,但是碳、氮添加过多不仅不利于耐腐蚀性能的提高,也会使韧性降低。为了提高耐蚀性,在马氏体不锈钢中加入了一定的铬、钼,其含量的上限应严格控制,以避免组织中出现过多的δ铁素体组织,δ铁素体使材料的高温加工性能变差。钼的添加可以明显地提高不锈钢的点蚀电位、降低钢的回火脆性、增加材料热处理后的强度。镍是强烈的奥氏体化形成元素,不仅减少δ铁素体,还使高温回火后组织中存在一定量的逆变奥氏体,可以提高材料的韧性。但是镍明显降低Mf(马氏体转变终了点),且是贵重元素,应视组织性能要求适量加入。综合考虑用户对材料化学成分、性能和成本的要求,宝钢水电用低碳马氏体不锈钢0Cr16Ni5Mo的主要化学成分质量分数见表。0Cr16Ni5Mo热轧过程中出现的边裂会严重影响产品的质量和生产,为了尽量避免此类缺陷,参照上述的合金成分设计,利用Thermo-Calc软件对试样进行了热力学计算得到平衡相图,即相组成与温度、铬含量的关系,见图。由相图可以看到,含铬为16.0%时该不锈钢在热加工区间(850~1100℃)具有奥氏体单一组织,可以保证在高温加热过程中不出现双相区轧制引起的轧制边裂问题。由此,该成分设计和生产工艺条件可以满足生产技术要求。

 

 2.试验方案

  为了获得满足水电用钢要求的0Cr16Ni5Mo,先通过实验室开发确认材料的性能情况及加工工艺的可行性,利用工业试制产品检验使用性能。采用实验室的200kg真空感应炉冶炼得到钢锭,铸坯经锻造后切割成为200mm×150mm×70mm的料坯。热轧试验设备为370两辊试验机。试验轧制工艺为:1100℃加热2小时,终轧温度高于850℃,轧后空冷。锻坯经轧制后得到厚度为12mm的热轧试验板料。利用箱式加热炉调整不同加热工艺以确定合理的回火热处理工艺。热处理后试样进行力学性能检测和典型组织观察。依照GB/T17897—1999在PrincetonVMP3多通道恒电位仪上测试了材料的点蚀电位。材料抗磨蚀性能评价采用常用的旋转圆盘仪,试样用塑料夹具固定以防电偶腐蚀,试样的表面与盘面保持在同一水平面,圆盘在高速旋转过程中引起试样表面液体中的石英砂对试样表面的小攻角冲刷。试样尺寸为30.4×2.1mm。试验前试样工作面依次经150#~800#水磨砂纸打磨,并用无水乙醇超声清洗并吹干,然后用感量为0.1mg的德国SartoriusBS210S型电子天平称重。试验参数如表所示,试验周期为12小时。工业生产0Cr16Ni5Mo中板的流程为:炼钢→连铸→修磨→热轧→热处理→切边→交货。

 

二、试验结果及分析

 1. 实验室研究

  实验室轧制后,热轧板的边部基本无边裂,说明此次的0Cr16Ni5Mo具有良好的热加工性能。表明,经热处理(550℃回火)后不锈钢样品的屈服强度达到865MPa,抗拉强度达到1010MPa,延伸率和冲击功分别达到20.0%和125J,布氏硬度值达到310。从图中组织形貌看,550℃回火后材料的组织主要为回火马氏体+少量的δ铁素体组织,组织均匀细小。由此可见,按照上述实验室加工工艺获得的0Cr16Ni5Mo的力学性能满足用户要求。图是试样在不同温度下的冲击功,在室温时材料具有较高的冲击功,随着温度的下降,冲击功的值下降幅度并不大,零下80℃条件下的冲击功仍然可以达到100J以上,高于表中要求的80J,证明该材料可以满足水电站在低温条件下的使用要求。

  点蚀电位值是用来表征材料耐点蚀能力的指标,点蚀电位越高表示耐点蚀的能力越强。图4是不同温度回火后试样的点蚀电位值,在500~700℃回火时点蚀电位可以达到0.17~0.22V,在550、600和700℃回火时点蚀电位值达到0.21V以上。

  图是不同温度回火后试样的布氏硬度值及对应的砂水冲刷12小后的累积失重量。500、550℃回火时材料的硬度较高,对应的累积失重量较小;在600、650和700℃回火时材料的硬度较低,累积失重量相对较高。因而在冲刷磨损性能上,具有高硬度的材料更有优势。

 

 2. 工业试制结果

  工业生产采用200mm厚度的连铸坯热轧成厚度为20mm的热轧板,热轧板表面平整,仅边部局部位置有轻微边裂,裂口均不超过10mm,符合切边对高收得率的要求。检测了钢中非金属夹杂物情况,夹杂物为细系,都不超过1.5级,可见纯净度相对较高。金相检测结果显示,钢中的δ铁素体含量不超过5%,晶粒均匀、细小。

  经回火后对多块工业板的力学性能实测结果见表,其屈服强度为860~950MPa,抗拉强度为970~1030MPa,延伸率达到27.0%~31.5%,冲击功达到105~150J,布氏硬度值为294~320,全部符合表中的用户要求值。与国内同类产品相比,各项性能均满足或超过了其性能;对照国外同类产品的要求,各项性能均达到了要求。

 

三、结论

 1. 通过化学成分合理设计、轧制工艺的严格控制,研制出了边裂轻微的低碳马氏体不锈钢0Cr16Ni5Mo钢板。

 2. 实验室研究表明,0Cr16Ni5Mo常温力学性能合格、具有较高的低温冲击功、较高的点蚀电位值和一定的抗冲刷磨损性能。

 3. 工业生产的0Cr16Ni5Mo热轧板经热处理后,各项力学性能均满足了用户的使用要求,质量达到了国内外同类产品水平。

 

 
 

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