一种马氏体不锈钢锻件及其锻轧热处理一体化生产工艺

摘要

本发明是一种马氏体不锈钢锻件及其锻轧热处理一体化生产工艺，其化学成分为C：0.4-0.7%，Si：0.1-0.3%，Mn：1.6-1.8%，P：0.01%，S：0.008%，Nb：0.03-0.05%，V：0.02-0.06%，Ti：0.006-0.015%，Ni：0.9-1.3%，Cr：13.3-13.6%，Cu：0.2-0.4%，Mo：0.4-0.6%，N：0.08-0.09%，Al：0.1-0.3%，B：0.008-0.009%，复合稀土：0.1-0.3%，余量Fe。本发明通过成分及工艺参数的限定，保证了不锈钢锻件的抗腐蚀性能，特别是提高水珠飞溅部位的耐腐蚀性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种锻件及制造工艺，具体的说是一种马氏体不锈钢锻件及其锻轧热处理一体化生产工艺。

背景技术

汽轮机中的不锈钢零部件有许多都为锻件，需要锻件具有较好的抗腐蚀性能；现有技术中，技术人员已对汽轮机中的不锈钢锻件的腐蚀作了很多研究，并采取了一系列的防范措施，如涂层保护和阴极保护等，也取得了很多研究成果。但由于汽轮机的特殊工况，使得阴极保护不起作用，涂层保护效果也并不是很好。汽轮机有些区域受到干湿交替、水珠飞沫、大气中腐蚀性成分和氧气等一系列外部因素的作用，同时还有钢铁材料本身的影响，使得腐蚀机理相当复杂，研究难度较大，但由于汽轮机的不锈钢锻件腐蚀较为严重，所以一直受到人们的关注。从目前的技术来看，汽轮机中不锈钢锻件的抗拉强度、屈服强度、延伸率、端面收缩率和抗腐蚀性能都不高，是有待改进的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

如何保证马氏体不锈钢锻件具有突出的抗腐蚀性能，特别是提高水珠飞溅部位的耐腐蚀性；

如何保证马氏体不锈钢锻件具有高抗拉强度和高屈服强度；

如何保证马氏体不锈钢锻件制造工艺在取消锻后热处理工序的简化工艺后保证产品仍具有较高抗拉强度和高屈服强度。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种马氏体不锈钢锻件，其化学成分的质量百分比为：C：0.4-0.7%，Si：0.1-0.3%，Mn：1.6-1.8%，P：≤0.01%，S：≤0.008%，Nb：0.03-0.05%，V：0.02-0.06%，Ti：0.006-0.015%，Ni：0.9-1.3%，Cr：13.3-13.6%，Cu：0.2-0.4%，Mo：0.4-0.6%，N:0.08-0.09%，Al:0.1-0.3%，B：0.008-0.009%，复合稀土：0.1-0.3%，余量为Fe。

马氏体不锈钢锻件的锻轧热处理一体化生产工艺，按以下工序进行：选材—下料—加热—锻造—轧环—热处理—冷却—回火—理化检验—超声波探伤—清洁—包装

加热工序采用分段加热，第一段加热温度为1150-1200℃，到温后保温20-23min，第二段加热温度为980-1000℃加热，到温后保温5-7min，然后水冷至室温；

轧环工序：粗轧开轧温度为1150-1210℃，粗轧终轧温度1000-1080℃，精轧开轧温度为850-900℃，精轧终轧温度为750-780℃；

热处理工序：采用两次正火，第一次正火温度大于第二次正火温度；第一次正火：采用分段加热，第一段加热温度为900-930℃，到温后保温17-19min，第二段加热温度为800-830℃，到温后保温21-23min，然后空冷5-7min后进行第二次正火；第二次正火：采用分段加热，第一段加热温度为720-750℃加热，到温后保温5-7min，第二段加热温度为630-650℃加热，到温后保温15-17min；

冷却工序：冷却速率8-15℃/s，终冷温度530-570℃，随后空冷至室温；

回火工序：回火温度180-250℃，回火保温时间为80-83min，随后空气冷却至室温。

以上工序中：选材、下料、锻造、理化检验、超声波探伤、清洁和包装都使用现有常用工艺。

本发明中钢成分的限定理由阐述如下：

限定C的上限为0.7%是为了防止降低加工性，从耐蚀性来看虽然C越少越好，但为了使之具有一定的机械强度，下限规定为0.4%。

Si用于脱氧，虽要依据不同的冶炼方式来确定其加入量，但要获得良好的性能，必须在0.10%以上，超过0.30%以上就会造成心部偏析及以及影响焊接性能，所以规定其上限为0.30%。

Mn有脱氧和提高热加工性的效果，并且可以细化晶粒，本发明中考虑到合金的综合加入，本发明规定锰含量加入量介于1.60-1.80%。

Cr是提高耐腐蚀性能最有效的元素，铬的加入可以增加钢的强度，但Cr与Cu含量过高将影响钢的韧性，并引起回火脆性，本发明中铬含量控制在13.3-13.6%。

Cu能降低水珠飞溅部位的腐蚀，含量低于0.20%则没有防腐蚀效果，加入0.40%效果即告饱和，再增加不仅无益于防腐蚀，反而有碍于热加工性，所以规定其上限为0.40%，下限为0.20%。

Ni通过与Cu、P复合添加，将有助于提高水珠飞溅部位的耐腐蚀性，含0.90%以上才会有效果，含1.30%时其效果即达顶点，并且含量再多对焊接结构件，Ni有引起脆性的危险，所以规定上限为0.9%，下限为1.3%。

Ti的微量加入也可以提升提高水珠飞溅部位的的耐蚀性，规定最小0.006%，上限为0.015%。

Mo与V复合添加，进一步提高水珠飞溅部位的耐蚀性，Mo对改善飞溅区的点蚀很有效，由于Al、Cr等有促使点蚀发展的倾向，所以往往复合添加Mo，当Mo与V共存时，可进一步提高钢的抗点蚀能力，一般Mo含0.40%以上耐蚀效果才能显著提升，不超过0.60%，V的添加量在0.020-0.060%时效果很好。

Nb也可以提高提高水珠飞溅部位的的耐蚀性，一般Nb添加量在0.010-0.050%时效果比较显著。

P虽能提高耐蚀性，但会降低低温韧性和妨碍可焊性，对结构钢是不适当的，规定在0.010%以下。

S形成夹杂物，对耐蚀性有不良影响，在一般炼钢中规定在0.0080%以下。

另外，本发明通过加入适量的复合稀土元素，一方面，与Mn的复合添加可以进一步细化马氏体组织，提高抗拉强度和屈服强度，另一方面，与N、Al和B的复合添加进一步提高水珠飞溅部位的耐蚀性，N在0.08%以上，Al在0.1以上并且B在0.008%以上时，耐蚀性开始表现出有所提高，但N高于0.09%，或Al高于0.3%，或B高于0.009%时，耐蚀性趋于平稳，不再有明显提高，因此将N、Al和B控制在合理范围之内。

本发明进一步限定的技术方案是：

前述的马氏体不锈钢锻件，复合稀土的组分质量百分比为：镧：12-15%，铈：15-18%，钪：16-19%，钇：9-11%，钐：7-9%，钕：11-13%，钆：7-9%，镨：1-3%，镝：8-15%，其余镧系元素：1-3%，以上各组分之和为100%。

前述的马氏体不锈钢锻件，其化学成分的质量百分比为：C：0.4%，Si：0.3%，Mn：1.6%，P：0.01%，S：0.006%，Nb：0.03%，V：0.06%，Ti：0.006%，Ni：1.3%，Cr：13.3%，Cu：0.2%，Mo：0.6%，N:0.08%，Al:0.1%，B：0.008%，复合稀土：0.3%，余量为Fe；所述复合稀土的组分质量百分比为：镧：12%，铈：18%，钪：19%，钇：9%，钐：7%，钕：11%，钆：7%，镨：1%，镝：15%，其余镧系元素：1%。

前述的马氏体不锈钢锻件，其化学成分的质量百分比为：C：0.7%，Si：0.1%，Mn：1.7%，P：0.008%，S：0.008%，Nb：0.04%，V：0.02%，Ti：0.015%，Ni：1.1%，Cr：13.5%，Cu：0.4%，Mo：0.5%，N:0.09%，Al:0.2%，B：0.008%，复合稀土：0.2%，余量为Fe；所述复合稀土的组分质量百分比为：镧：15%，铈：15%，钪：16%，钇：11%，钐：8%，钕：13%，钆：8%，镨：2%，镝：10%，其余镧系元素：2%。

前述的马氏体不锈钢锻件，其化学成分的质量百分比为：C：0.6%，Si：0.2%，Mn：1.8%，P：0.006%，S：0.005%，Nb：0.05%，V：0.05%，Ti：0.01%，Ni：0.9%，Cr：13.6%，Cu：0.3%，Mo：0.4%，N:0.08%，Al:0.3%，B：0.009%，复合稀土：0.1%，余量为Fe；所述复合稀土的组分质量百分比为：镧：13%，铈：16%，钪：17%，钇：10%，钐：9%，钕：12%，钆：9%，镨：3%，镝：8%，其余镧系元素：3%。

本发明的优点是：

本发明通过成分及工艺参数的限定，特别是添加适量的镧系稀土元素，以及加热温度、轧制温度、热处理温度、冷却和回火的控制，既避免了碳化物在晶间的析出，同时又防止了热处理过程的渗碳、渗氮和渗氢，保证了材料的抗腐蚀性能；本发明的加热工序采用分段加热，通过温度控制使基体组织在表淬后的变形较小，应力状态较好，保证后续加工对基体组织影响较小；通过轧制温度的控制，可以使组织更为均匀稳定，且晶粒更细化，使马氏体不锈钢锻件的抗拉强度、屈服强度、韧性以及低温冲击性能得到很大的提高；热处理两次正火后使马氏体不锈钢锻件的带状组织等缺陷减轻明显，组织细化均匀；回火后采用的冷却工艺，防止了热处理过程的渗碳和渗氮，保证了材料的抗腐蚀性能；通过冷却后的低温回火处理，有效地减轻了轧后残余应力的负面作用，另一方面，使不锈钢锻件中的氢含量得到有效的控制，使马氏体不锈钢锻件厚度方向组织细小均匀，极少出现气孔及沙眼，进一步保证了材料的抗腐蚀性能。本发明取消了锻造后的热处理工序，直接进行轧制，减少能耗15%，在减小工序下仍可保证马氏体不锈钢锻件具有较高性能。本发明马氏体不锈钢锻件的具体性能为：抗拉强度900-1050MP，屈服强度≥750MP，延伸率≥13，端面收缩率≥55的要求。本发明的马氏体不锈钢锻件经过NSS试验及ASS试验，试验结果均具有较为优异的耐腐蚀性能。

本发明的具体性能可见下表：

表1  本发明与常用的马氏体不锈钢锻件性能指标对比

具体实施方式

实施例1

本实施例的马氏体不锈钢锻件，其化学成分的质量百分比为：C：0.4%，Si：0.3%，Mn：1.6%，P：0.01%，S：0.006%，Nb：0.03%，V：0.06%，Ti：0.006%，Ni：1.3%，Cr：13.3%，Cu：0.2%，Mo：0.6%，N:0.08%，Al:0.1%，B：0.008%，复合稀土：0.3%，余量为Fe；所述复合稀土的组分质量百分比为：镧：12%，铈：18%，钪：19%，钇：9%，钐：7%，钕：11%，钆：7%，镨：1%，镝：15%，其余镧系元素：1%。

本实施例的马氏体不锈钢锻件的锻轧热处理一体化生产工艺，按以下工序进行：选材—下料—加热—锻造—轧环—热处理—冷却—回火—理化检验—超声波探伤—清洁—包装

加热工序采用分段加热，第一段加热温度为1150℃，到温后保温20min，第二段加热温度为980℃加热，到温后保温5min，然后水冷至室温；

轧环工序：粗轧开轧温度为1150℃，粗轧终轧温度1000℃，精轧开轧温度为850℃，精轧终轧温度为750℃；

热处理工序：采用两次正火，第一次正火温度大于第二次正火温度；第一次正火：采用分段加热，第一段加热温度为900℃，到温后保温17min，第二段加热温度为800℃，到温后保温21min，然后空冷5min后进行第二次正火；第二次正火：采用分段加热，第一段加热温度为720℃加热，到温后保温5min，第二段加热温度为630℃加热，到温后保温15min；

冷却工序：冷却速率8℃/s，终冷温度530℃，随后空冷至室温；

回火工序：回火温度180℃，回火保温时间为80min，随后空气冷却至室温。

实施例2

本实施例的马氏体不锈钢锻件，其化学成分的质量百分比为：C：0.7%，Si：0.1%，Mn：1.7%，P：0.008%，S：0.008%，Nb：0.04%，V：0.02%，Ti：0.015%，Ni：1.1%，Cr：13.5%，Cu：0.4%，Mo：0.5%，N:0.09%，Al:0.2%，B：0.008%，复合稀土：0.2%，余量为Fe；所述复合稀土的组分质量百分比为：镧：15%，铈：15%，钪：16%，钇：11%，钐：8%，钕：13%，钆：8%，镨：2%，镝：10%，其余镧系元素：2%。

本实施例的马氏体不锈钢锻件的锻轧热处理一体化生产工艺，按以下工序进行：选材—下料—加热—锻造—轧环—热处理—冷却—回火—理化检验—超声波探伤—清洁—包装

加热工序采用分段加热，第一段加热温度为1170℃，到温后保温25min，第二段加热温度为990℃加热，到温后保温6min，然后水冷至室温；

轧环工序：粗轧开轧温度为1190℃，粗轧终轧温度1040℃，精轧开轧温度为880℃，精轧终轧温度为760℃；

热处理工序：采用两次正火，第一次正火温度大于第二次正火温度；第一次正火：采用分段加热，第一段加热温度为920℃，到温后保温18min，第二段加热温度为820℃，到温后保温22min，然后空冷6min后进行第二次正火；所述第二次正火：采用分段加热，第一段加热温度为730℃加热，到温后保温6min，第二段加热温度为640℃加热，到温后保温16min；

冷却工序：冷却速率10℃/s，终冷温度550℃，随后空冷至室温；

回火工序：回火温度200℃，回火保温时间为82min，随后空气冷却至室温。

实施例3

本实施例的马氏体不锈钢锻件，其化学成分的质量百分比为：C：0.6%，Si：0.2%，Mn：1.8%，P：0.006%，S：0.005%，Nb：0.05%，V：0.05%，Ti：0.01%，Ni：0.9%，Cr：13.6%，Cu：0.3%，Mo：0.4%，N:0.08%，Al:0.3%，B：0.009%，复合稀土：0.1%，余量为Fe；所述复合稀土的组分质量百分比为：镧：13%，铈：16%，钪：17%，钇：10%，钐：9%，钕：12%，钆：9%，镨：3%，镝：8%，其余镧系元素：3%。

本实施例的马氏体不锈钢锻件的锻轧热处理一体化生产工艺，按以下工序进行：选材—下料—加热—锻造—轧环—热处理—冷却—回火—理化检验—超声波探伤—清洁—包装

加热工序采用分段加热，第一段加热温度为1200℃，到温后保温23min，第二段加热温度为1000℃加热，到温后保温7min，然后水冷至室温；

轧环工序：粗轧开轧温度为1210℃，粗轧终轧温度1080℃，精轧开轧温度为900℃，精轧终轧温度为780℃；

热处理工序：采用两次正火，第一次正火温度大于第二次正火温度；第一次正火：采用分段加热，第一段加热温度为930℃，到温后保温19min，第二段加热温度为830℃，到温后保温23min，然后空冷7min后进行第二次正火；第二次正火：采用分段加热，第一段加热温度为750℃加热，到温后保温7min，第二段加热温度为650℃加热，到温后保温17min；

冷却工序：冷却速率15℃/s，终冷温度570℃，随后空冷至室温；

回火工序：回火温度250℃，回火保温时间为83min，随后空气冷却至室温。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。