專利名稱：用于壓縮機(jī)葉輪的馬氏體沉淀硬化不銹鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓縮機(jī)葉輪材料領(lǐng)域，具體為一種用于壓縮機(jī)葉輪的馬氏體沉淀硬化不銹鋼及其制備方法。

背景技術(shù)：
根據(jù)1976年引進(jìn)的意大利新比隆公司的離心壓縮機(jī)制造專利，離心壓縮機(jī)葉輪材料為FV520(B)，當(dāng)時未引進(jìn)葉輪材料技術(shù)。申請人從1980年制定了FV520(B)鋼的化學(xué)成分控制范圍并與齊齊哈爾鋼廠共同研究了其冶煉、鍛造、焊接及熱處理等工藝，開始用該鋼制造離心壓縮機(jī)葉輪并取得了成功。隨著產(chǎn)品的發(fā)展，尤其是半開式銑制葉輪及整體銑制葉輪的發(fā)展，該鋼的缺點(diǎn)就表現(xiàn)出來。首先該鋼經(jīng)固溶、調(diào)整及時效處理后只能保證σ0.2≥1029MPa，σb≥1078MPa強(qiáng)度級綜合力學(xué)性能要求。第二，對銑制葉輪FV520(B)鋼需經(jīng)固溶化并兩次過時效處理才能進(jìn)行銑削加工，銑削加工后需經(jīng)調(diào)整及時效處理后，強(qiáng)度方可達(dá)到技術(shù)要求，在調(diào)整處理時易導(dǎo)致葉輪葉型變化，影響了產(chǎn)品的氣動性能，進(jìn)而影響了新產(chǎn)品的開發(fā)及應(yīng)用。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于壓縮機(jī)葉輪的馬氏體沉淀硬化不銹鋼及其制備方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的綜合力學(xué)性能不夠以及葉輪銑制加工后熱處理的變形導(dǎo)致葉型變化從而影響產(chǎn)品氣動性能等問題，進(jìn)一步提高了壓縮機(jī)葉輪強(qiáng)度，利于銑削加工。
本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種用于壓縮機(jī)葉輪的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，按重量百分比計，其化學(xué)成分為 C≤0.10％；Cr 10～18％；Ni 4～8％；Mo 0.3～2.5％；Cu 1～5％；Nb 0.1～0.5％；Si≤1.0％；Mn≤1.0％；S≤0.03％；P≤0.03％；Fe余量。
所述的馬氏體沉淀硬化不銹鋼的制備方法，包括熔煉、熱處理工藝，所述熱處理工藝如下 (1)在1050℃±10℃下，按工件有效厚度每100mm保溫2.5～3小時，水冷、油冷或風(fēng)冷至室溫； (2)根據(jù)葉輪力學(xué)性能要求，在470-630℃范圍內(nèi)選取時效溫度，葉輪保溫4～6小時，空冷。
本發(fā)明的有益效果是 1、本發(fā)明通過對鋼的化學(xué)成分、顯微組織和材料性能的研究，選定鋼的化學(xué)成分，研究鋼的制造工藝，以達(dá)到其金相組織、力學(xué)性能及耐蝕性能的要求，可達(dá)到σ0.2≥1175MPa，σb≥1220MPa強(qiáng)度級綜合力學(xué)性能要求。
2、本發(fā)明鋼種在固溶處理后即可進(jìn)行銑削加工，銑削加工后只需進(jìn)行低溫時效就可達(dá)到強(qiáng)度要求。既節(jié)約了三道熱處理工序，節(jié)約了電能，更重要的是解決葉輪銑制加工后熱處理的變形導(dǎo)致葉型變化從而影響產(chǎn)品氣動性能。
3、本發(fā)明鋼種克服了FV520(B)鋼的缺點(diǎn)又繼承了其高強(qiáng)韌性、可焊接、可鍛軋、可鑄造的優(yōu)點(diǎn)，且易于銑削加工和時效硬化，并能滿足新產(chǎn)品發(fā)展的需要，不斷地為石化、冶金、環(huán)保等工業(yè)部門提供體積小、重量輕、效率高、節(jié)能好、長期安全運(yùn)轉(zhuǎn)的透平壓縮機(jī)。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明鋼種命名為S520(B)，按重量百分比計，其化學(xué)成分為C≤0.10％；Cr 10～18％；Ni 4～8％；Mo 0.3～2.5％；Cu 1～5％；Nb 0.1～0.5％；Si≤1.0％；Mn≤1.0％；S≤0.03％；P≤0.03％；Fe余量。S520(B)鋼可根據(jù)不同的服役條件，經(jīng)不同熱處理后達(dá)到不同強(qiáng)度級別和抗蝕性能的技術(shù)要求，并按表1規(guī)定選取強(qiáng)度級別。
本發(fā)明鋼種的化學(xué)成分優(yōu)化及應(yīng)用實(shí)例如下 碳碳在沉淀硬化不銹鋼和在其它鋼種一樣也是奧氏體形成元素，調(diào)整鉻不銹鋼的碳含量，可使不銹鋼的鐵素體基體組織為馬氏體所代替碳還可使沉淀硬化不銹鋼中的馬氏體基體上產(chǎn)生碳化物的時效沉淀，出現(xiàn)第二相的沉淀強(qiáng)化效應(yīng)。這對鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性的提高無疑是有利的；同時，當(dāng)形成碳化物時要消耗一定數(shù)量的鉻，這有害于鋼的耐蝕性；而且碳化物沿晶界析出，義是引起鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的主要因素，并有可能導(dǎo)致晶間性應(yīng)力腐蝕開裂。此外，為改善鋼種的塑性形變成形性和可焊性，將碳含量控制在0.10％以下是適宜的。
鉻鉻是馬氏體沉淀硬化不銹鋼中的主要合金元素，對鋼的耐蝕性起著決定性作用。當(dāng)鉻含量達(dá)到和超過10％時，鋼的耐蝕性發(fā)生突變性的改善；此外，鉻是強(qiáng)烈鐵索體形成元素和縮小r-區(qū)元素，鉻含量高固溶處理后得不到全馬氏體組織，部份鐵素體的存在將影響鋼的力學(xué)性能；鉻還降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，右移TTT曲線，提高鋼的淬透性，增加鋼的475C脆性。綜上所述，鉻含量控制在10～18％。
鎳鎳是馬氏體沉淀硬化不銹鋼中不可缺少的重要元素之一。鎳是奧氏體形成元素，擴(kuò)大r-相區(qū)，隨著鋼中鎳含量的增加，奧氏體相區(qū)向高鉻方向移動，能保證沉淀硬化不銹鋼在固溶處理后得到馬氏體組織。和鉻一樣，鎳也降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度且其作用更強(qiáng)，鎳含量過高，鋼冷至室溫會形成更多的殘余奧氏體，從而導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低。故考慮沉淀硬化不銹鋼中其它合金元素的綜合作用結(jié)果，確定含鎳量控制在4～8％為宜。
銅銅是一種較弱的奧氏體形成元素，其形成奧氏體的能力約為鎳的30％。銅對相變溫度無明顯的影響，僅使馬氏體開始轉(zhuǎn)變的溫度和轉(zhuǎn)變終了溫度略有降低。銅在沉淀硬化不銹鋼中是強(qiáng)時效硬化元素，隨著強(qiáng)化效應(yīng)的增強(qiáng)，也導(dǎo)致材料塑性的降低。同時，銅在沉淀硬化不銹鋼中能提高鋼在鹽酸和硫酸中的耐蝕性能，也提高鋼的應(yīng)力腐蝕抗力。一般控制在1.0～5.0％之間。
鉬鉬是鐵素體形成元素，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，低鉬量形成M2X相增加時效硬化效果，高鉬量時形成Laves相或Chi相等，引起沉淀強(qiáng)化；鉬對馬氏體沉淀硬化不銹鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(Ms點(diǎn))的影響較鎳要小，只有鋼中鎳和鈷高時才強(qiáng)烈降低Ms點(diǎn)。2％Mo使不同固溶處理狀態(tài)的17Cr-4Ni鋼保持較高的硬度，鉬含量超過一定值后，由于鐵素體數(shù)量的增加，硬度急劇降低。鉬對沉淀硬化不銹鋼塑性的影響與其它時效硬化元素相比塑性降低的影響較為緩和。鉬促進(jìn)Fe-Cr合金鈍化以及鉬形成鉬酸鹽后的緩蝕作用，故鉬能提高鉻鎳鋼在硫酸、鹽酸、磷酸及有機(jī)酸中的耐蝕性，并能有效地抑制氯離子的點(diǎn)腐蝕傾向，提高鋼的抗晶間腐蝕能力。鉬含量一般控制在0.3～2.5％。
鈮鈮是一種較弱的鐵素體形成元素，也是一種強(qiáng)碳化物形成元素。在馬氏體沉淀硬化不銹鋼中與碳結(jié)合形成穩(wěn)定的碳化物，減少了固溶體中的碳含量而降低了碳的平衡-鐵素體的作用，并引起沉淀硬化效應(yīng)，使馬氏體沉淀硬化不銹鋼的強(qiáng)度及硬度提高，同時增加了鋼的抗回火性能。鈮是強(qiáng)碳化物形成元素，在鋼中優(yōu)先形成鈮的碳化物而減少有害的碳化物(Cr23C6)的形成，提高了鋼中有效鉻含量和減輕了因Cr23C6析出而引起的鉻的貧化程度，因而改進(jìn)了不銹鋼的耐蝕性。鈮控制在0.10～0.50％之間。
綜合上述，加入不銹鋼中的合金元素基本上分成兩類，一類以鎳為代表的奧氏體形成元素還有碳、氮、錳、銅等；另一類以鉻為代表的鐵素體形成元素還有鉬、硅、鈮和鈦等。分別以鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量來表示；從上面分析，這種分類在很大程度上只考慮到化學(xué)成分對-鐵素體數(shù)量的影響，而沒有考慮化學(xué)成分對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響。實(shí)踐證明，重視前者或后者忽略任何一方都是不妥的，結(jié)果必然導(dǎo)致鋼的性能惡化，不是韌性降低就是強(qiáng)度降低。為保證馬氏體沉淀硬化不銹鋼高強(qiáng)韌性的技術(shù)要求，在鋼種范圍內(nèi)必須嚴(yán)格控制鋼的具體成分范圍，即要全面控制形成鐵素體的鉻當(dāng)量和形成馬氏體的鉻當(dāng)量的要求。如表1所示，為保證高強(qiáng)韌性的技術(shù)要求，鋼的化學(xué)成分必須保證CrF≤4.6～5.2和-9≤CrM≤-5.5～-6.2，如表1中序號7～14所述。而當(dāng)CrF≥4.6～5.2和CrM≥-5.5～-6.2時，鋼中易出現(xiàn)δ-F造成材料沖擊韌性的降低，如表1中序號3～5所示。當(dāng)CrM≤-9時易出現(xiàn)過量的Ar而導(dǎo)致強(qiáng)度降低，如表1中序號1～2所示。
表1本發(fā)明鋼種形成鐵素體的鉻當(dāng)量和形成馬氏體的鉻當(dāng)量對性能的影響 表中，CrF表示形成鐵素體的鉻當(dāng)量；CrM為形成馬氏體的鉻當(dāng)量；AKV2、AKU2分別表示V型、U型缺口試樣的沖擊功，括號內(nèi)的數(shù)據(jù)為AKU2。
表2本發(fā)明鋼種化學(xué)成分實(shí)例 表3本發(fā)明葉輪鍛件本體試樣的力學(xué)性能(切向)
表中，AKV表示平均沖擊功(三個試樣取平均值)，其括號中的數(shù)值為三個試樣中最低值；aku表示沖擊韌性。
本發(fā)明鋼種的材料規(guī)范及熱處理過程如下 本發(fā)明鋼種的熔煉采用電爐冶煉加氬氧精煉加電渣重熔，經(jīng)過上述常規(guī)的冶煉以及鍛軋后，本發(fā)明S520(B)鋼經(jīng)不同熱處理后可滿足葉輪在不同工況下服役的要求。根據(jù)葉輪服役條件按表3具體選定材料規(guī)范并按表4選擇相應(yīng)的熱處理規(guī)范。首先，根據(jù)葉輪的強(qiáng)度計算(力學(xué)因素)及葉輪的工作溫度及輸送介質(zhì)(環(huán)境因素)，并考慮到材料在不同服役條件下所表現(xiàn)的強(qiáng)度、塑性、韌性、均勻腐蝕抗力、疲勞抗力、腐蝕疲勞抗力、應(yīng)力腐蝕抗力和抗點(diǎn)蝕能力等材料因素，上述三個主要方面進(jìn)行材料規(guī)范的選擇。一般情況下，按葉輪所受應(yīng)力大小選擇屈服強(qiáng)度Rp0.2并輔之予適當(dāng)?shù)乃苄约绊g性配合。按Rp0.2＝K[σ]，其中K為安全系數(shù)，σ為切向應(yīng)力。由表3選擇S520(B)-1/S520(B)-4；在高壓氫氣和含硫化氫的介質(zhì)下服役的葉輪按表3選擇S520(B)-S1/S520(B)-S3。按設(shè)計技術(shù)要求和表4選擇相應(yīng)的熱處理工藝。
表4本發(fā)明鋼種熱處理規(guī)范 表5本發(fā)明鋼種與現(xiàn)有技術(shù)鋼種各項(xiàng)指標(biāo)對比


權(quán)利要求
1.一種用于壓縮機(jī)葉輪的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，其特征在于，按重量百分比計，其化學(xué)成分為
C≤0.10％；Cr 10～18％；Ni 4～8％；Mo 0.3～2.5％；Cu 1～5％；Nb 0.1～0.5％；Si≤1.0％；Mn≤1.0％；S≤0.03％；P≤0.03％；Fe余量。
2.按照權(quán)利要求1所述的馬氏體沉淀硬化不銹鋼的制備方法，包括熔煉、熱處理工藝，其特征在于所述熱處理工藝如下
(1)在1050℃±10℃下，按工件有效厚度每100mm保溫2.5～3小時，水冷、油冷或風(fēng)冷至室溫；
(2)根據(jù)葉輪力學(xué)性能要求，在470-630℃范圍內(nèi)選取時效溫度，葉輪保溫4～6小時，空冷。
全文摘要
本發(fā)明涉及壓縮機(jī)葉輪材料領(lǐng)域，具體為一種用于壓縮機(jī)葉輪的馬氏體沉淀硬化不銹鋼及其制備方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的綜合力學(xué)性能不夠以及葉輪銑制加工后熱處理的變形導(dǎo)致葉型變化從而影響產(chǎn)品氣動性能等問題，進(jìn)一步提高了壓縮機(jī)葉輪強(qiáng)度，利于銑削加工。按重量百分比計，其化學(xué)成分為C≤0.10％；Cr 10～18％；Ni 4～8％；Mo 0.3～2.5％；Cu 1～5％；Nb 0.1～0.5％；Si≤1.0％；Mn≤1.0％；S≤0.03％；P≤0.03％；Fe余量；經(jīng)過熔煉鍛軋后，進(jìn)行固溶處理和時效處理相結(jié)合的熱處理。本發(fā)明通過對鋼的化學(xué)成分、顯微組織和材料性能的研究，選定鋼的化學(xué)成分，研究鋼的制造工藝，以達(dá)到其金相組織、力學(xué)性能及耐蝕性能的要求。
文檔編號C22C38/48GK101210304SQ20061013508
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者譚朝鑫, 李榮朋 申請人:沈陽鼓風(fēng)機(jī)(集團(tuán))有限公司