CN108396257A - 一种控制析出法制备海洋平台用超级双相不锈钢阀门的方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制析出法制备海洋平台用超级双相不锈钢阀门的方法，步骤：化学成分百分含量为：C：≤0.03％，Si：0.5～0.8％，Cr：26～28％，Mn：1.0～1.5％，Ni：7～8％，Mo：3.5～4.0％，N：0.4～0.6％，Al：0.8～1.5％，Nb：0.025～0.035％，Fe：余量；熔炼铸造，待铸锭完全凝固冷却、切除冒口后，加热至1160～1200℃，保温1～2小时，采用真空加压气淬工艺，控制冷却工艺控制析出相的比例。本发明配比科学、工艺合理，在保证奥氏体、铁素体两相比精准控制下，通过化学成分、奥氏体化温度、控制冷却等沉淀动力学原理，采用真空加压氮气气淬法，分段式控制冷却工艺，使析出相的比例控制在0.5％以内，在提高力学性能的同时，通过钢中两相比例的平衡控制，使钢具有高的耐点蚀、缝隙腐蚀性能。

Description

一种控制析出法制备海洋平台用超级双相不锈钢阀门的方法
技术领域
本发明涉及一种控制析出法制备海洋平台用超级双相不锈钢阀门的方法。
背景技术
近年来，我国建立了许多海水淡化装置，从海水中寻找水资源，取得了良好的效果。在我国已经建成的海水淡化工程中，近80％的装机规模都是引进国外技术建造而成，反渗透膜、能量回收和高压泵并列为反渗透海水淡化***中的三大技术。其核心技术和专利多被美、德、日等国掌握，特别是大吨位海水淡化能量回收装置、高压阀门还完全依赖进口，导致淡化费用高昂。
在海水淡化工程中，阀门材料问题较多出现在过流部件上。目前，常用过流部件材料主要有镍铝青铜、不锈钢、双相不锈钢和金属涂层等，用量最大的是316系列奥氏体不锈钢，产品主要为球阀、占总量的80％，316奥氏体不锈钢在含氯化物＜2×10－3的亚海水环境下，具有耐点腐蚀和耐裂隙腐蚀性，海水的氯离子含量约1.83×10－2，海水浓缩液的氯离子浓度3.4×10－2，操作压力约为7MPa，当海水超过临界流速时，316奥氏体不锈钢耐应力开裂腐蚀、耐疲劳腐蚀、耐空泡腐蚀、耐冲刷和抗海生物污损等性能均受到影响，腐蚀速度急剧增加。海洋平台苛刻的使用环境，对材料性能力学性能、耐蚀性能均提出了更高的要求。
现有材料已远远不能适应大型海水淡化装置苛刻条件下的应用。目前，世界各国针对海水特定腐蚀介质，不断在节省资源成本、专用化等方面开发了新型及特殊用途的超级双相不锈钢新钢种，并已在海洋、石油化工等通用阀门上得到应用。
经查，现有专利号为CN201710177701.6的中国专利《一种耐腐蚀的双相不锈钢及其制备方法》，该双相不锈钢包括以下成分：C、Mn、Ni、Cr、Si、N、Al、Mo、B、Te、Nb，余量为Fe及不可避免的杂质，其制备方法是先将原料置于电炉中冶炼，控制电炉中母液成分及温度，然后转移至氩氧精炼炉内进行吹氧脱碳、吹氮及成分调整，最后通过浇铸、锻造、轧制固溶和淬火处理制得。该专利采用固溶和淬火处理的方式，并且固溶处理时间较长为6～8小时，这种方法降低了双相不锈钢中贵重元素镍的含量，提高了铬及其它元素的含量，增加了B、Te和Nb元素，使得不锈钢制品在受时效热处理的影响下，仍然具有优良的抗应力腐蚀开裂及点状腐蚀的能力，抗腐蚀性能得到提高，但是还不够理想，特别对于大型海水淡化装备用阀门等处于恶劣的腐蚀环境下，对于耐点蚀、缝隙腐蚀性能有较高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单合理的控制析出法制备海洋平台用超级双相不锈钢阀门的方法，制备的超级双相不锈钢阀门具有优异的力学和耐腐蚀性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种控制析出法制备海洋平台用超级双相不锈钢阀门的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)超级双相不锈钢阀门的化学成分百分含量为：C：≤0.03％，Si：0.5～0.8％，Cr：26～28％，Mn：1.0～1.5％，Ni：7～8％，Mo：3.5～4.0％，N：0.4～0.6％，Al：0.8～1.5％，Nb：0.025～0.035％，Fe：余量；
2)按上述比例将原材料称量后采用氮气加压和氮合金化方法进行熔炼铸造，待铸锭完全凝固冷却、切除冒口后，加热至1160～1200℃，保温1～2小时，采用真空加压气淬工艺，由控制冷却工艺控制析出相的比例；
3)相比例控制在：奥氏体45～55％、铁素体44.5～55％，金属间析出相0～0.5％。
作为优选，所述步骤2)的保温温度为1180℃，保温时间1.5小时。
进一步，所述步骤2)的冷却工艺是采用分段式冷却控制，1180℃～650℃温度区间，氮气压力9～10MPa，冷却速度:160～180℃/min；650℃～50℃温度区间，氮气压力6～7Mpa，冷却速度：20～40℃/min。
最后，所述步骤2)的冷却工艺中1180℃～650℃温度区间，冷却速度：170℃/min；650℃～50℃温度区间，冷却速度：30℃/min。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在保证奥氏体、铁素体两相比精准控制下，通过化学成分、奥氏体化温度、控制冷却等沉淀动力学原理，采用真空加压氮气气淬法，由分段式控制冷却工艺，使析出相的比例控制在0.5％以内，在提高力学性能的同时，通过钢中两相比例的平衡控制，使钢具有高的耐点蚀、缝隙腐蚀性能。本发明合金成分配比科学、制备工艺合理，制备的超级双相不锈钢具有优异的力学性能和耐腐蚀性能，可用于石油、化工厂用各种容器、海水淡水化处理设备、离心分离器的旋转体等恶劣的腐蚀环境。
附图说明
图1是本发明提供的冷却工艺中的冷却速度曲线图；
图2a～2b是实施例1制备出的材料组织形貌图；
图3是实施例2制备出材料的XRD衍射图谱；
图4a～4b是实施例3制备出的材料35天挂片试验后试样与316不锈钢的对比图，其中a是实施例3的宏观形貌，b是316不锈钢；
图5是实施例3制备出材料在NaCl溶液中测得的tafel曲线；
图6是实施例3制备出材料在NaCl溶液中测得的电化学交流阻抗谱图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种控制析出法制备海洋平台用超级双相不锈钢阀门的方法，步骤为：
超级双相不锈钢阀门的化学成分百分含量为：C：0.026wt％、Si：0.62wt％、Mn：1.28wt％、Cr：26.85％、Ni：7.42％、Mo：3.68％、N：0.52％，Al：0.89％、Nb：0.029％、Fe：余量；
按上述比例将原材料称量后采用氮气加压和氮合金化方法进行熔炼铸造，待铸锭完全凝固冷却、切除冒口后，浇注坯加热至1180℃，保温1.5小时进行真空气淬冷却处理，冷却采用分段冷却，1180℃～650℃温度区间，氮气压力10MPa，冷却速度170℃/min；650℃～50℃温度区间氮气压力6MPa，冷却速度30℃/min，冷却速度如图1所示；
采用氢氧化钾和铁氢化钾腐蚀剂，根据不同的染色分辨奥氏体相、铁素体相和析出物相，组织经计算估算奥氏体含量52％、铁素体47.7％、析出物组织0.3％，组织形貌见图2。
通过两相比例的精准控制和控制冷却析出强化作用，材料力学性能超过相同化学成分固溶处理力学性能，如表1。
表1超级双相不锈钢力学性能
实施例2
一种控制析出法制备海洋平台用超级双相不锈钢阀门的方法，步骤为：
超级双相不锈钢阀门的化学成分百分含量为：C：0.028wt％、Si：0.58wt％、Mn：1.10wt％、Cr：26.45％、Ni：7.12％、Mo：3.63％、N：0.45％，Al：1.18％、Nb：0.031％、Fe：余量；
按上述比例将原材料称量后采用氮气加压和氮合金化方法进行熔炼铸造，待铸锭完全凝固冷却、切除冒口后，浇注坯加热至1180℃，保温1.5小时进行真空气淬冷却处理，冷却采用分段冷却：1180℃～650℃温度区间，氮气压力9MPa，冷却速度170℃/min；650℃～50℃温度区间，氮气压力7MPa，冷却速度30℃/min，冷却速度如图1所示；
采用XRD分析技术，根据衍射峰的积分强度确定双相不锈钢中铁素体与奥氏体的相比例体积分数，经计算估算奥氏体含量54.3％，铁素体45.5％，析出物组织0.2％，衍射图谱见图3；
通过两相比例的精准控制和控制冷却析出强化作用，材料力学性能达到相同化学成分锻造处理后的力学性能，如表2。
表2超级双相不锈钢力学性能
实施例3
一种控制析出法制备海洋平台用超级双相不锈钢阀门的方法，步骤为：
超级双相不锈钢阀门的化学成分百分含量为：C：0.029wt％、Si：0.78wt％、Mn：1.42wt％、Cr：27.68％、Ni：7.71％、Mo：3.83％、N：0.58％，Al：1.38％、Nb：0.034％、Fe：余量。
按上述比例将原材料称量后采用氮气加压和氮合金化方法进行熔炼铸造，待铸锭完全凝固冷却、切除冒口后，浇注坯加热至1180℃，保温1.5小时进行真空气淬冷却处理，冷却采用分段冷却：1180℃～650℃温度区间，氮气压力10MPa，冷却速度170℃/min；650℃～50℃温度区间氮气压力6MPa，冷却速度30℃/min，冷却速度如图1所示；
将制备的超级双相不锈钢进行耐蚀实验：根据不同的染色分辨奥氏体相、铁素体相和析出物相，组织经计算估算奥氏体含量47％、铁素体52.8％、析出物组织0.2％，超级双相不锈钢在3.5％的NaCl溶液中分别在室温下浸泡35天后NaCl溶液腐蚀的能力优于316不锈钢，如图4所示。不锈钢在NaCl溶液中的失重腐蚀速率见表3，电化学性能见表4；在NaCl溶液中的tafel曲线见图5，电化学交流阻抗谱见图6。
表3不锈钢在NaCl溶液中的失重腐蚀速率
材料 平均腐蚀速率/g·cm-2·h-1 平均年腐蚀速率/mm·a-1
超级双相不锈钢 2.766E-6 0.0346
316不锈钢 3.039E-6 0.0356
表4超级双相不锈钢电化学性能
材料 ba/mV·dec-1 bc/mV·dec-1 I0/A·cm-2 E0/V η/mm·a-1
超级双相不锈钢 193.77 107.9 2.1634E-7 -0.19606 0.025446
可以看到，在人工海水(NaCl溶液)中的自腐蚀电位、临界温度、点蚀当量等特定环境的参数表明：超级双相不锈钢具有强的耐点蚀、缝隙腐蚀性能。
从上述实施例可以得出，本发明采用真空加压氮气气淬法，由分段式控制冷却工艺，使析出相的比例控制在0.5％以内，在提高力学性能的同时，通过钢中两相比例的平衡控制，使制备的超级双相不锈钢具有高的耐点蚀、缝隙腐蚀性能。

Claims (4)

1.一种控制析出法制备海洋平台用超级双相不锈钢阀门的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)超级双相不锈钢阀门的化学成分百分含量为：C：≤0.03％，Si：0.5～0.8％，Cr：26～28％，Mn：1.0～1.5％，Ni：7～8％，Mo：3.5～4.0％，N：0.4～0.6％，Al：0.8～1.5％，Nb：0.025～0.035％，Fe：余量；
2)按上述比例将原材料称量后采用氮气加压和氮合金化方法进行熔炼铸造，待铸锭完全凝固冷却、切除冒口后，加热至1160～1200℃，保温1～2小时，采用真空加压气淬工艺，由控制冷却工艺控制析出相的比例；
3)相比例控制在：奥氏体45～55％、铁素体44.5～55％，金属间析出相0～0.5％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)的保温温度为1180℃，保温时间1.5小时。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)的冷却工艺是采用分段式冷却控制，1180℃～650℃温度区间，氮气压力9～10MPa，冷却速度：160～180℃/min；650℃～50℃温度区间，氮气压力6～7Mpa，冷却速度：20～40℃/min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)的冷却工艺中1180℃～650℃温度区间，冷却速度：170℃/min；650℃～50℃温度区间，冷却速度：30℃/min。
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