[发明专利]一种消除高强韧性马氏体不锈钢中δ铁素体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料领域，具体为一种消除高强韧性马氏体不锈钢中δ铁素体的方法，尤其是涉及一类铸造马氏体不锈钢材料的成分设计和相控制方法。

背景技术

0Cr13Ni4～6Mo型马氏体不锈钢，具有良好的铸造性、大截面均一性和焊接性，在铸造界被誉为“铸造者梦寐以求之成功钢种”。由于具有优异的常温和低温力学性能、水下疲劳性能、焊接工艺性能以及抗空蚀磨损性能，铸造高强韧性马氏体不锈钢(0Cr13Ni4～6Mo型)被广泛应用在水电站过流部件、水泵、压缩机叶轮、原子能电站铸件和压力容器等部件上。在我国随着水轮机组向大功率、高水头的大型和巨型机组发展，对0Cr13Ni4～6Mo型材料的性能要求也越来越高，在提高强度要求的同时，也对塑性和韧性也提出了更高的要求，因此合理控制0Cr13Ni4～6Mo型马氏体不锈钢的微观组织越来越得到各厂商的重视。

如果不能合理地控制各种合金元素的含量和铸造过程的冷却速度，该类型钢种中易出现由于包晶反应不完全而残留至室温的δ铁素体相，见附图1。同时由于δ铁素体相生成温度较高，铸造完成后的常规热处理方法无法将其消除，只能存留至服役状态。δ铁素体属于软化相，常分布于原奥氏体晶界，在受到拉伸、冲击及空泡腐蚀时往往成为裂纹首先萌生的位置，见附图2。由于其止裂性能差，当裂纹产生后，又会沿着δ铁素体扩展，使材料的强度、塑性、韧性及抗空蚀性能严重下降，降低材料的使用性能和使用寿命，直接影响大中型水轮机转轮制造和运行过程中的可靠性和安全性。随着大型水轮机组设计和使用条件对材料要求的提高，消除0Cr13Ni4～6Mo型马氏体不锈钢中的δ铁素体相，提高材料综合性能显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种克服0Cr13Ni4～6Mo型马氏体不锈钢中易存在δ铁素体的问题的方法，解决了实际生产过程中难以控制和消除δ铁素体的问题；采用合金设计和铸造冷速双重控制的方法，不增加任何生产工序和成本。

本发明采用的技术方案是：

一种消除高强韧性马氏体不锈钢中δ铁素体的方法，通过控制0Cr13Ni4～6Mo型马氏体不锈钢中的镍当量和铬当量比及铸件高温阶段的冷却速度实现完全消除δ铁素体。

1)将合金元素中的奥氏体化元素含量用镍当量表示，铁素体化元素含量用铬当量表示，镍当量(Ni_eq)和铬当量(Cr_eq)的计算方法如下：

Ni_eq＝Ni+30(C+N)+0.5Mn；

Cr_eq＝Cr+Mo+1.5Si；

以上各元素均按质量百分含量计算。

2)控制Ni_eq/Cr_eq≥0.42(一般为0.42～0.65)；

3)浇注时，通过调整浇注温度、铸型材料、冒口尺寸和保温材料等，控制铸件在材料固相线和1300℃之间的平均冷却速度≤500℃/h(冷却速度的下限可以不受限制)。

0Cr13Ni4～6Mo型马氏体不锈钢的化学成分是(质量百分含量)：C≤0.06，Si≤1.00，Mn≤1.00，Cr 11.5～14.0，Ni 3.5～6.0，Mo 0.40～1.00，N≤0.02，S≤0.03，P≤0.04，Fe余量。

本发明消除高强韧性马氏体不锈钢中δ铁素体的机理如下：

该类型不锈钢中，镍、碳、氮和锰属于铁素体化元素，促进铁素体的形成和稳定，扩大高温δ铁素体相区；铬、钼和硅属于奥氏体化元素，促进奥氏体的形成和稳定，扩大奥氏体相区。本发明根据各元素促进铁素体和奥氏体化能力的不同，设置不同的权重因子，将其分别等效为镍当量和铬当量。通过控制镍当量/铬当量来综合控制铁素体化元素含量和奥氏体化元素含量，使该类型材料在平衡状态相图中能完全消除δ铁素体。同时，由于高温阶段δ铁素体向奥氏体转变的包晶反应L+δ→γ受冷却速度影响较大，过快的冷速将会使包晶反应不完全，所以必须对材料在固相线温度和1300℃之间的冷却速度进行限定，使该反应能在近似平衡状态下进行。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明在不增加生产工序和成本的前提下，通过控制材料的成分配比和铸造过程冷速实现准确、方便地控制和消除0Cr13Ni4～6Mo类型马氏体不锈钢中的有害δ铁素体相，提高了材料的综合力学性能。

2.本发明的应用可解决长期困扰国内水电厂商对0Cr13Ni4～6Mo型马氏体不锈钢组织控制难的问题，为实现大型水轮机组国产化打下基础，进而解决我国大型水轮机组件依赖进口的局面。