專利名稱：一種耐空泡腐蝕雙相不銹鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金鋼技術(shù)領(lǐng)域，特指一種鐵素體-奧氏體耐空泡腐蝕雙相不銹 鋼，適用于制作空泡腐蝕條件下的各種構(gòu)件，并有效提高構(gòu)件的使用壽命。
背景技術(shù)：
空泡腐蝕是發(fā)生在水輪機(jī)、螺旋槳、水泵等流體設(shè)備上的腐蝕行為，是由靠近 葉片表面的水中的壓力差造成的，當(dāng)局部壓力降到水蒸氣壓以下時(shí)，液體中產(chǎn)生空泡或 者蒸汽泡，當(dāng)壓力又升到水蒸氣壓以上時(shí)，蒸汽泡突然破滅，向金屬表面發(fā)出一個(gè)沖擊 波，最終導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)金屬疲勞，形成裂紋并引起表層材料剝落；船舶上大量使用的葉輪 以及螺旋槳目前大多采用銅合金材料，其最大問題是耐空泡腐蝕性能差，壽命短，需要 經(jīng)常更換；盡管銅合金材料不斷更新，但是其耐空泡腐蝕性能提高不大，高速螺旋槳的 累積壽命僅200-300小時(shí)，不能滿足需要。因此研究新型材料以提高螺旋槳、水泵等的 耐空泡腐蝕能力，延長(zhǎng)壽命具有重要意義。前人對(duì)耐空泡腐蝕用的鋼材進(jìn)行了一些研究，文獻(xiàn)[1](陳剛，趙玉濤.鐵基 塊體非晶合金的空泡腐蝕研究，稀有金屬材料與工程2008,37 (S4) :745-748)分析了 Fe74A14Ga2P12B4Si4鐵基塊體非晶合金的空蝕過程。分別采用處于晶態(tài)和非晶態(tài)的鐵基 塊體合金，在自來(lái)水中進(jìn)行超聲空化實(shí)驗(yàn)，確定了材料特性對(duì)空蝕過程的影響。主要是 提出了鐵基塊體非晶合金的耐空蝕機(jī)理，超聲空化效應(yīng)下5小時(shí)失重超過了 10mg，因?yàn)?非晶合金的特性，不適用于螺旋槳等產(chǎn)品構(gòu)件制造。美國(guó)斯圖迪公司的R.邁農(nóng)等人發(fā) 明的專利ZL96193879.X給出了一種抗空泡腐蝕鋼，其所述的合金含有，以重量百分比表 示，10_40Cr 的碳化物形成體，5-15Mn, 3.5_7Si，1.8-4.8Ν , 0.15-3.5C 和 B，0-0.3N， 其余為Fe。本發(fā)明專利在ZL 96193879.X基礎(chǔ)上，根據(jù)雙相不銹鋼中第二相能阻礙裂紋擴(kuò) 展的原理以及奧氏體在水流或者固體顆粒沖擊時(shí)會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變能吸收部分能量的原 理，降低碳元素含量，進(jìn)一步優(yōu)化Cr的范圍，改變Mn和Ni含量并添加稀土，設(shè)計(jì)一種 鐵素體體積百分含量為35-50%鐵素體-奧氏體雙相耐空泡腐蝕不銹鋼，達(dá)到提高材料耐 空泡腐蝕能力，延長(zhǎng)使用壽命的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種耐空泡腐蝕的鐵素體_奧氏體雙相不銹鋼。本發(fā)明具體技術(shù)方案為，一種鐵素體-奧氏體耐空泡腐蝕雙相不銹鋼，其特征 在于Cr 21-24%，Ni 5-6.8%，Mn 1.5-3%, Mo 3-5%, Si 0.2-1%, C 0.01-0.025%，稀 土 Ce或者Y 0.02-0.1%,余量為Fe，鐵素體體積百分含量為35-50%，S和P的含量控制 在0.03%以下。通過良好的平衡組合元素Cr、Mo、Ni、Mn、Y (Ce)實(shí)現(xiàn)這些元素在奧氏體 和鐵素體中的分配，其中添加稀土 Y或者Ce的作用除了傳統(tǒng)的細(xì)化晶粒作用，在本發(fā)明中主要是與硫形成球形硫化物，改善硫化物形態(tài)，改善其性能；另外一個(gè)作用穩(wěn)定鐵素 體比例并保證雙相不銹鋼的性能，因?yàn)榭张莞g環(huán)境下雙相不銹鋼性能的降低主要是由 于σ相等脆硬金屬間相的形成，而金屬間化合物尤其是Cr、Mo的化合物又會(huì)降低鐵素 體的穩(wěn)定性，而稀土在形核過程及凝固過程中能與金屬形成球形化合物并能阻礙脆硬相 的形成，因此適量的Y或者Ce元素能提高該材料的抗空泡腐蝕性能及鐵素體穩(wěn)定性。此 處Y或者Ce的含量為0.02-0.1%;而碳元素降低是由于碳(C)在鐵素體和奧氏體中溶 解度有限，有限的溶解度意味著碳化鉻析出的危險(xiǎn)，因此碳的含量不能超過0.025wt%。鎳(Ni)是奧氏體形成元素，適量的鎳還可以獲得所需含量的鐵素體?？?以改善金屬在還原介質(zhì)中的耐蝕性和耐空泡腐蝕性能以及在流動(dòng)的含泥沙的水中的耐 磨蝕性能，為了獲得35-50%的鐵素體體積百分比和所需的性能，材料中鎳含量應(yīng)在 4.0 6.0wt% 之間。錳(Mn)是比較弱的奧氏體形成元素，但具有強(qiáng)烈的穩(wěn)定奧氏體的作用，同 時(shí)是有效的脫氧和脫硫劑。錳還可以提高材料強(qiáng)度，含量要求控制在1.5-3wt%。其他 元素范圍的選擇理由如下鉻(Cr)鉻是鐵素體穩(wěn)定化元素，能提高大多數(shù)類型腐蝕的 耐受能力，要求Cr含量保持盡可能高以改善抗腐蝕性能，但是，鉻含量過高，將顯著增 加淬火、回火條件下的穩(wěn)定鐵素體含量，降低材料的硬度和抗拉強(qiáng)度，也易引起金屬間 化合物的析出危險(xiǎn)，同時(shí)為了保持Cr元素在鐵素體和奧氏體中的分配，要求其含量在 21-24wt%。鉬(Mo)能夠改善在弱酸環(huán)境下和氯化物中的抗腐蝕能力，這有利于海水中的 抗腐蝕能力提高，但太高的鉬有可能會(huì)與鉻形成金屬間析出物，本發(fā)明中鉬含量的優(yōu)選 范圍應(yīng)在3% 5%之間。硅(Si)在生產(chǎn)中主要的脫氧元素，在生產(chǎn)和焊接過程中也會(huì)增加金屬流動(dòng) 性，但過高的硅含量會(huì)產(chǎn)生有害的金屬間析出，因此硅的含量?jī)?yōu)選為0.3 0.8%。硫、磷都是鋼中的有害雜質(zhì)。應(yīng)盡量將S、P含量控制在0.03%以下。根據(jù)本發(fā)明的材料由于其高合金成分而具有優(yōu)良的力學(xué)性能，具有良好的可加 工性能，尤其是熱加工性能，如其可焊接性，由此非常適用于生產(chǎn)例如棒材、管材如焊 管和無(wú)縫管、板材、帶材、線材焊材以及結(jié)構(gòu)零件典型的如螺旋槳、水泵葉輪等。


圖1為空蝕不同階段下試樣的表面形貌；
圖1中，(a)為空蝕2.5h后的表面形貌；(b)為空蝕7.5h后的表面形貌；(c)為空蝕 17.5h后的表面形貌；(d)為空蝕37.5h后的表面形貌；(e)為空蝕47.5h后的表面形貌。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
在中頻電爐中冶煉本發(fā)明耐空泡腐蝕雙相不銹鋼(標(biāo)記為1#鋼)成分為Cr 22%， Ni 5%, Mn 2%, Mo 4%, Si 0.6%, C 0.02%, Ce 0.03%,雜質(zhì) S 和 P 為 0.02%，余量
為Fe。冶煉后澆注成鋼錠及鑄態(tài)試樣。在超聲振動(dòng)空蝕試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，材料置于 5%NaCl+0.03ppm硫化物溶液中，控制溫度為恒定20攝氏度，PH值控制在8.1。材料的失重量及累積失重率如表1所示。試樣的空泡腐蝕形貌如圖1所示，(a) (e)分別為腐 蝕2.5h、7.5h、17.5h、37.5h、47.5h腐蝕后的形貌，如圖Ia所示，在空蝕進(jìn)行2.5h后，雙 相不銹鋼表面發(fā)生輕微塑性變形，鐵素體相上出現(xiàn)局部的凸起。隨著空蝕過程的進(jìn)行， 局部凸起變得越來(lái)越明顯，它們的邊緣開始扭曲，在進(jìn)行7.5h空蝕后的試樣表面能清晰 的看到(如圖lb)。此時(shí)，沿著鐵素體和奧氏體相邊界出現(xiàn)了細(xì)小的呈狹長(zhǎng)狀的淺空蝕 坑，鐵素體相上的凸起和滑移線明顯增多，這種變形導(dǎo)致了鐵素體的脆性斷裂，這是一 種更有效吸收沖擊能的方法，周圍堅(jiān)硬的奧氏體阻止了裂紋的擴(kuò)展，失重量的增加隨后 發(fā)生。在空蝕進(jìn)行17.5h后，試樣表面的鐵素體相已經(jīng)大面積脫落，這時(shí)鐵素體相和奧 氏體相的脫落速度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，失重也達(dá)到一個(gè)短暫的穩(wěn)定期，如圖Ic雙相不銹鋼試 樣整個(gè)表面已經(jīng)嚴(yán)重被空蝕破壞，出現(xiàn)了典型的空蝕坑。隨著不斷地積累，裂紋持續(xù)的 生長(zhǎng)，表層材料開始剝離。如圖Id所示在超聲空蝕37.5h后，由于失重，材料表面形成 的形貌。圖Ie是表面堆焊試樣空蝕47.5h后的SEM形貌。與雙相不銹鋼空蝕7.5h (如 圖lb)后試樣相比，該試樣表面已經(jīng)出現(xiàn)局部的材料層狀斷裂，以及一些空蝕坑。當(dāng)試 樣表面產(chǎn)生空蝕坑后，空蝕坑處受到的沖擊作用比其他部位強(qiáng)烈，這使得空蝕坑繼續(xù)加 深，導(dǎo)致在試樣的局部出現(xiàn)明顯深于其他部位的空蝕坑。隨著空蝕的進(jìn)行，試樣表面在 層狀剝離后，裸露出新的鐵素體_奧氏體相繼續(xù)吸收空泡潰滅而產(chǎn)生的脈沖能量。實(shí)施例2:
在中頻電爐中冶煉本發(fā)明耐空泡腐蝕雙相不銹鋼(標(biāo)記為2#鋼)成分為 Cr 23%, Ni 6.5%, Mn 1.8%, Mo 4.5%, Si 0.4%, C 0.015%, Y 0.03%,雜質(zhì) S 和 P 為0.02%，余量為Fe。冶煉后澆注成鋼錠及鑄態(tài)試樣。鋼錠鍛造拉制成焊絲盤條并經(jīng)過 多道拉拔制成直徑為1.6mm的焊絲，采用鎢極氬弧焊(TIG)方法采用該材料焊絲在普 通碳鋼Q235表面進(jìn)行堆焊，焊接電流130A，焊接電壓16V，保護(hù)氣體為純度99.9%的氬 氣，流量為15L/min，堆焊3層，2#焊絲本身及堆焊后的試樣置于如實(shí)施例1所述的試驗(yàn) 條件下試驗(yàn)。堆焊層材料和2#材料本身的失重量及累積失重率表1所示。通過表1的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的耐空泡腐蝕雙相不銹鋼在超聲振動(dòng)空蝕試驗(yàn)機(jī) 上經(jīng)過42.5小時(shí)后的腐蝕僅失重最多15.2mg，5小時(shí)失重最大低于3mg，明顯高于普通 碳鋼的耐空泡腐蝕性。采用鎢極氬弧焊的方法在普通碳鋼Q235上進(jìn)行堆焊后堆焊層的耐 腐蝕性能略低于材料本身，但明顯高于Q235鋼本身的耐空泡腐蝕性能，該材料采用表面 堆焊方法進(jìn)行使用時(shí)，堆焊層應(yīng)多于3層。表1耐空泡腐蝕性能對(duì)照表
權(quán)利要求
1.一種耐空泡腐蝕雙相不銹鋼，其特征在于所述不銹鋼具有鐵素體-奧氏體基 體，所述不銹鋼成份按照重量百分比計(jì)算為Cr 21-24%，Ni 5-6.8%，Mn 1.5-3%, Mo 3-5%, Si 0.2-1%, C 0.01-0.025%,稀土 Ce 或者 Y 0.02-0.1%,余量為 Fe，S 和 P 的含量 控制在0.03%以下。
2.如權(quán)利要求1所述的一種耐空泡腐蝕雙相不銹鋼，其特征在于鐵素體體積百分 含量為35-50%。
3.如權(quán)利要求1所述的耐空泡腐蝕雙相不銹鋼制成的焊絲在鎢極氬弧焊中的應(yīng)用。
4.如權(quán)利要求3所述的耐空泡腐蝕雙相不銹鋼制成的焊絲在鎢極氬弧焊中的應(yīng)用指 采用鎢極氬弧焊方法并采用所述不銹鋼制成的焊絲在普通碳鋼Q235表面進(jìn)行堆焊，焊接 電流130A，焊接電壓16V，保護(hù)氣體為純度99.9%的氬氣，流量為15L/min，堆焊3層。
5.如權(quán)利要求1所述的一種耐空泡腐蝕雙相不銹鋼，其特征在于所述耐空泡腐蝕 雙相不銹鋼在硫化物溶液中經(jīng)過42.5小時(shí)后的腐蝕失重最多僅為15.2mg，5小時(shí)失重最 大低于3mg。
6.如權(quán)利要求1所述的一種耐空泡腐蝕雙相不銹鋼，其特征在于所述硫化物溶液 為5%NaCl+0.03ppm的硫化物溶液。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種耐空泡腐蝕雙相鋼合金材料，屬于合金鋼技術(shù)領(lǐng)域。它具有鐵素體-奧氏體基體，并且鐵素體體積百分含量為35-50％，該材料具有高耐海水腐蝕和耐空泡腐蝕性能，其特征在于具有如下的成分及質(zhì)量百分比Cr21-24%，Ni5-6.8%，Mn1.5-3%，Mo3-5%，Si0.2-1%，C0.01-0.025%，稀土Ce或者Y0.05-0.1%,余量為Fe。該材料具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱加工性能，因此適合于制造棒材、管材如焊管和無(wú)縫鋼管、焊接材料、結(jié)構(gòu)材料。本發(fā)明主要用于螺旋槳、海水泵、葉輪葉片等具有空泡腐蝕特性的產(chǎn)品中，其最大耐空泡腐蝕失重低于3mg/5h，在海水環(huán)境中具有優(yōu)異的耐空泡腐蝕性能和海水沖蝕性能，強(qiáng)度高、韌性好。
文檔編號(hào)B23K35/30GK102011067SQ201010586600
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者李濤, 陳希章, 雷玉成 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)