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水電站設備用低碳馬氏體不銹鋼0Cr16Ni5Mo的研制結果及方案
發布者:不銹鋼管廠(www.9600014.live) 發布時間:2020/4/25 閱讀:164

  浙江宏盛特鋼有限公司介紹了寶鋼低碳馬氏體不銹鋼0Cr16Ni5Mo的研制過程。為了獲得滿足水電設備制造要求的0Cr16Ni5Mo,通過分析主要元素的作用,設計了化學成分;通過軟件計算,制定了軋制工藝;通過實驗室煉鋼、軋制和熱處理,確認了材料的性能能夠達到要求及加工工藝可行。工業試生產證明,寶鋼開發的0Cr16Ni5Mo熱加工性良好,力學性能能夠達到國內外同類產品的水平。

 

 0Cr16Ni5Mo屬于低碳馬氏體不銹鋼,主要用于水電設施中的耐磨件,如水輪機葉片、水輪機轉動墊圈、升船機滑動軌道墊板等。在運行時不僅要經歷一般腐蝕介質的侵襲,還要經受泥沙的沖蝕、空蝕等復合作用,使用條件比較惡劣,這些關鍵部件應具有良好耐蝕性、高強度和高硬度,以取得良好的耐磨性能;應具有優異的沖擊韌性,以抵御在深水區空泡產生和湮滅過程中形成的巨大沖擊力。與常用的低碳馬氏體不銹鋼0Cr13Ni5Mo、17-4PH相比,0Cr16Ni5Mo具有更高的強度、硬度、耐空蝕性,還保持較好的韌塑性和水下抗疲勞性能,同時還具有更優的可焊性。但是,由于0Cr16Ni5Mo在高溫狀態下為奧氏體和鐵素體雙相組織,高溫塑性差以致熱軋時產生邊裂,δ鐵素體的比例為15%時尚可獲得較滿意的加工塑性,隨著比例的繼續提高,鋼的高溫塑性驟降。另外,回火工藝的變化會對低碳馬氏體不銹鋼的組織性能產生很大影響。因此,δ鐵素體控制、回火工藝制定是生產優質0Cr16Ni5Mo的關鍵。繼順利開發了0Cr13Ni5Mo后,寶鋼通過合理設計化學成分、嚴格控制軋制和熱處理工藝,順利開發0Cr16Ni5Mo馬氏體不銹鋼,該鋼種具有良好的加工性能和力學性能。

 

一、成分設計試驗方案

 

 1. 成分設計

  為了保證0Cr16Ni5Mo經熱處理后具有較高的強度、硬度,需要加入一定量的碳、氮元素,但是碳、氮添加過多不僅不利于耐腐蝕性能的提高,也會使韌性降低。為了提高耐蝕性,在馬氏體不銹鋼中加入了一定的鉻、鉬,其含量的上限應嚴格控制,以避免組織中出現過多的δ鐵素體組織,δ鐵素體使材料的高溫加工性能變差。鉬的添加可以明顯地提高不銹鋼的點蝕電位、降低鋼的回火脆性、增加材料熱處理后的強度。鎳是強烈的奧氏體化形成元素,不僅減少δ鐵素體,還使高溫回火后組織中存在一定量的逆變奧氏體,可以提高材料的韌性。但是鎳明顯降低Mf(馬氏體轉變終了點),且是貴重元素,應視組織性能要求適量加入。綜合考慮用戶對材料化學成分、性能和成本的要求,寶鋼水電用低碳馬氏體不銹鋼0Cr16Ni5Mo的主要化學成分質量分數見表。0Cr16Ni5Mo熱軋過程中出現的邊裂會嚴重影響產品的質量和生產,為了盡量避免此類缺陷,參照上述的合金成分設計,利用Thermo-Calc軟件對試樣進行了熱力學計算得到平衡相圖,即相組成與溫度、鉻含量的關系,見圖。由相圖可以看到,含鉻為16.0%時該不銹鋼在熱加工區間(850~1100℃)具有奧氏體單一組織,可以保證在高溫加熱過程中不出現雙相區軋制引起的軋制邊裂問題。由此,該成分設計和生產工藝條件可以滿足生產技術要求。

 

 2.試驗方案

  為了獲得滿足水電用鋼要求的0Cr16Ni5Mo,先通過實驗室開發確認材料的性能情況及加工工藝的可行性,利用工業試制產品檢驗使用性能。采用實驗室的200kg真空感應爐冶煉得到鋼錠,鑄坯經鍛造后切割成為200mm×150mm×70mm的料坯。熱軋試驗設備為370兩輥試驗機。試驗軋制工藝為:1100℃加熱2小時,終軋溫度高于850℃,軋后空冷。鍛坯經軋制后得到厚度為12mm的熱軋試驗板料。利用箱式加熱爐調整不同加熱工藝以確定合理的回火熱處理工藝。熱處理后試樣進行力學性能檢測和典型組織觀察。依照GB/T17897—1999在PrincetonVMP3多通道恒電位儀上測試了材料的點蝕電位。材料抗磨蝕性能評價采用常用的旋轉圓盤儀,試樣用塑料夾具固定以防電偶腐蝕,試樣的表面與盤面保持在同一水平面,圓盤在高速旋轉過程中引起試樣表面液體中的石英砂對試樣表面的小攻角沖刷。試樣尺寸為30.4×2.1mm。試驗前試樣工作面依次經150#~800#水磨砂紙打磨,并用無水乙醇超聲清洗并吹干,然后用感量為0.1mg的德國SartoriusBS210S型電子天平稱重。試驗參數如表所示,試驗周期為12小時。工業生產0Cr16Ni5Mo中板的流程為:煉鋼→連鑄→修磨→熱軋→熱處理→切邊→交貨。

 

二、試驗結果及分析

 1. 實驗室研究

  實驗室軋制后,熱軋板的邊部基本無邊裂,說明此次的0Cr16Ni5Mo具有良好的熱加工性能。表明,經熱處理(550℃回火)后不銹鋼樣品的屈服強度達到865MPa,抗拉強度達到1010MPa,延伸率和沖擊功分別達到20.0%和125J,布氏硬度值達到310。從圖中組織形貌看,550℃回火后材料的組織主要為回火馬氏體+少量的δ鐵素體組織,組織均勻細小。由此可見,按照上述實驗室加工工藝獲得的0Cr16Ni5Mo的力學性能滿足用戶要求。圖是試樣在不同溫度下的沖擊功,在室溫時材料具有較高的沖擊功,隨著溫度的下降,沖擊功的值下降幅度并不大,零下80℃條件下的沖擊功仍然可以達到100J以上,高于表中要求的80J,證明該材料可以滿足水電站在低溫條件下的使用要求。

  點蝕電位值是用來表征材料耐點蝕能力的指標,點蝕電位越高表示耐點蝕的能力越強。圖4是不同溫度回火后試樣的點蝕電位值,在500~700℃回火時點蝕電位可以達到0.17~0.22V,在550、600和700℃回火時點蝕電位值達到0.21V以上。

  圖是不同溫度回火后試樣的布氏硬度值及對應的砂水沖刷12小后的累積失重量。500、550℃回火時材料的硬度較高,對應的累積失重量較;在600、650和700℃回火時材料的硬度較低,累積失重量相對較高。因而在沖刷磨損性能上,具有高硬度的材料更有優勢。

 

 2. 工業試制結果

  工業生產采用200mm厚度的連鑄坯熱軋成厚度為20mm的熱軋板,熱軋板表面平整,僅邊部局部位置有輕微邊裂,裂口均不超過10mm,符合切邊對高收得率的要求。檢測了鋼中非金屬夾雜物情況,夾雜物為細系,都不超過1.5級,可見純凈度相對較高。金相檢測結果顯示,鋼中的δ鐵素體含量不超過5%,晶粒均勻、細小。

  經回火后對多塊工業板的力學性能實測結果見表,其屈服強度為860~950MPa,抗拉強度為970~1030MPa,延伸率達到27.0%~31.5%,沖擊功達到105~150J,布氏硬度值為294~320,全部符合表中的用戶要求值。與國內同類產品相比,各項性能均滿足或超過了其性能;對照國外同類產品的要求,各項性能均達到了要求。

 

三、結論

 1. 通過化學成分合理設計、軋制工藝的嚴格控制,研制出了邊裂輕微的低碳馬氏體不銹鋼0Cr16Ni5Mo鋼板。

 2. 實驗室研究表明,0Cr16Ni5Mo常溫力學性能合格、具有較高的低溫沖擊功、較高的點蝕電位值和一定的抗沖刷磨損性能。

 3. 工業生產的0Cr16Ni5Mo熱軋板經熱處理后,各項力學性能均滿足了用戶的使用要求,質量達到了國內外同類產品水平。

 

 
 

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