CN110029290A

CN110029290A - 一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法

Info

Publication number: CN110029290A
Application number: CN201910103262.3A
Authority: CN
Inventors: 陈菊生; 吴崇源; 简忠贤; 张健; 陈坚; 柳豪
Original assignee: Shanghai Jianing New Material Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Jianing New Material Technology Co Ltd
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2019-07-19
Anticipated expiration: 2039-02-01
Also published as: CN110029290B

Abstract

本发明公开了一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法，包括以下步骤：选用原材料并进行净化处理；清洗炉膛和钢包；使得净化处理后的原材料按照规定比例、工艺获得如下质量百分比的钢锭：C≤0.08%，9.0%≤Mn≤11.5%，Si≤1.0%，S≤0.03%，P≤0.03%，12.0%≤Cr≤14.0%，9.0%≤Ni≤11.0%，0.40%≤N≤0.50%，其余为Fe；规定比例指的是各原材料的配比，规定工艺指的是原材料依次经EF熔炼、VOD精炼以及ESR电渣重熔的工艺条件；对炼得的钢锭进行强压快锻获得锻件；对锻件进行固溶热处理，然后进行低温锻造，冷作强化；最终加工获得叶轮轴。本发明的优点是：冶炼时严格控制有害元素的含量，生产出来的叶轮轴在超低温下具有高强度、极低的磁导率和稳定的奥氏体组织的优越性能。

Description

一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法

技术领域

本发明涉及叶轮轴制造技术领域，具体涉及一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法。

背景技术

随着低温超导、电子仪表、海洋工程等行业的快速发展，钢铁材料的服役环境日益复杂，一些精密零部件或特种装备可能要求材料同时具备良好的无磁性、耐蚀性、抗氧化性以及力学性能，这则需要设计和研发专门的无磁不锈钢新品种，以满足不同的使用要求。用于制造核聚变工程、海洋工程、液氮、液氦等领域的设备及装置的深冷钢和超低温钢，其要求温度在－196℃、－269℃，并且要求高强度（抗拉强度Rm≥1300Mpa）、高韧性（断裂韧性≥100Mpa m1/2）、无磁、磁导率μ≤1.005。现有的钢种无法同时满足上述多种性能指标要求。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供了一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法，该制造方法通过控制钢锭的组份配比以及锻造方法，并采用阶梯型加热法对钢锭进行加热，使其在超低温下具有高强度、低磁导率和稳定的奥氏体组织。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法，其特征在于所述制造方法包括以下步骤：

选用微碳铬铁、镍板和金属锰作为原材料并进行净化处理；

清洗炉膛和钢包；

使得净化处理后的所述原材料按照规定比例以及规定工艺获得如下质量百分比的钢锭：C≤0.08%，9.0%≤Mn≤11.5%，Si≤1.0%，S≤0.03%，P≤0.03%，12.0%≤Cr≤14.0%，9.0%≤Ni≤11.0%，0.40%≤N≤0.50%，其余为Fe；所述规定比例指的是各所述原材料的配比，所述规定工艺指的是所述原材料依次经EF熔炼、VOD精炼以及ESR电渣重熔的工艺条件；

对炼得的所述钢锭进行强压快锻获得锻件；

对所述锻件进行固溶热处理，然后进行低温锻造，冷作强化，强化变形量控制在12-15%；

按设计图纸规定尺寸进行加工以获得所述叶轮轴。

对炼得的所述钢锭进行强压快锻获得所述锻件的具体过程如下：

采用阶梯型加热法分段加热所述钢锭；

加热完成且所述钢锭内部温度达到表面温度后应用FM法强压快锻，锻造比≥3。

采用阶梯型加热法分段加热所述钢锭的具体过程为：所述钢锭的入炉温度≤200℃，在20℃-560℃之间，每小时升温控制在80℃，在560℃-860℃之间，每小时升温控制在120℃，在860-1200℃之间，每小时升温控制在150摄氏度，加热到1200℃±10℃后充分保温。

应用FM法强压快锻的始锻温度为1200±10℃、终锻温度为850±10℃；所述的固溶热处理的加热过程中每小时升温80±10℃，固溶温度为1050±10℃；所述的低温锻造温度为720-760℃。

在EF电弧炉熔炼过程中加入如下组分的复合脱氧剂：7%≤Si≤11%，16%≤Mn≤20%，4.5%≤Al≤5.5%，3.5%≤Ca≤4.5%，其余为Fe；使其与钢水中的氧化物、硫化物形成钢渣，在氧化期、还原期和出钢前三次扒渣，清除非金属夹杂物，净化钢水，使其氧化物、硫化物总和≤4级。

由EF熔炼后，钢水进入VOD真空精炼炉进行精炼时，脱碳、脱气，使0.05%≤C≤0.07%、使﹝H﹞≤1.6ppm、﹝O﹞≤20ppm。

对所述原材料进行净化处理的具体过程如下：用5%-7%的稀硫酸进行清洗，再用清水进行清洗，然后进行烘干。

所述钢锭各组分的优化组合如下：0.05%≤C≤0.07%，10.0%≤Mn≤11.0%，0.40%≤Si≤0.69%，S≤0.015%，P≤0.015%，13.0%≤Cr≤13.5%，9.5%≤Ni≤10.5%，0.42%≤N≤0.48%，其余为Fe。

本发明的优点是：各组分设计科学合理，冶炼时严格控制有害元素的含量，使有害元素Pb+Sn+Sb+As+Bi≤0.05%，生产出来的叶轮轴在超低温下具有高强度、极低的磁导率和稳定的奥氏体组织的优越性能。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：本实施例具体涉及一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法，该制造方法通过合理设计本钢种各组分的含量，在冶炼时严格控制有害元素的含量以提高钢水的纯净度，并采用阶梯型加热法对钢锭进行加热，使其在超低温下具有高强度、低磁导率和稳定的奥氏体组织。

本实施例提供的一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法包括以下步骤：

（1）选用优质原材料：微碳铬铁、镍板和金属锰，其中镍板选用0#镍板；然后用5%-7%的稀硫酸对上述原材料进行清洗，除去原材料中可能含有的铁锈、泥沙和油渍等，再用清水洗掉留在原材料上的酸汁，然后进行烘干。

（2）由于炉膛壁和钢包壁上通常残留有少量钢水，这些钢水中含有各种元素，如Pb、Sn、Sb、Co等，若直接熔炼本钢的原材料，这些有害元素将带入本钢种中，造成污染，故在熔炼本钢种原材料前需先清洗炉膛和钢包，具体的清洗过程为：先熔炼2-3炉与本钢种化学成分相同或相近的钢种，利用其将附在炉膛和钢包壁上的残余钢水中的有害元素去除干净。

（3）将经过净化处理的原材料按规定比例进行配比，并采用EF+VOD+ESR冶炼方式，电弧炉+真空精炼炉+电渣重熔，使其均质化，具体过程如下：在EF电弧炉熔炼过程中加入自制复合脱氧剂Fe- Si-Mn-Al-Ca，其各组分为：7%≤Si≤11%，16%≤Mn≤20%，4.5%≤Al≤5.5%，3.5%≤Ca≤4.5%，其余为Fe，使其与钢水中的氧化物、硫化物经化合作用形成钢渣，浮在钢液表面，在氧化期、还原期以及出钢前三次扒渣，清除非金属夹杂物，净化钢水，使其氧化物、硫化物总和≤4级，严格控制P的含量，使其低于0.015%，同时控制有害元素Pb+Sn+Sb+As+Bi≤0.05%；由EF熔炼后的钢水倒入VOD真空精炼炉精炼，脱碳、脱气，使0.05%≤C≤0.07%、﹝H﹞≤1.6ppm、﹝O﹞≤20ppm；再经ESR电渣重熔，2次精炼，使钢锭达到均质；

获得的钢锭的各组分质量百分比如下：C≤0.08%，9.0%≤Mn≤11.5%，Si≤1.0%，S≤0.03%，P≤0.03%，12.0%≤Cr≤14.0%，9.0%≤Ni≤11.0%，0.40%≤N≤0.50%，其余为Fe；进一步对各化学元素进行优化组合，强化元素C、Mn、N取上限，塑性韧性元素Si、Cr、Ni取中上限，以Mn代替部分Ni，扩大奥氏体相，由于深冷钢中P会导致低温脆性，故冶炼时需严格控制P的含量，使其低于0.015%，同时控制有害元素Pb+Sn+Sb+As+Bi≤0.05%，各组分如下表1所示。

表1：

（4）对钢锭利用阶梯型加热法进行加热，具体过程如下：钢锭进加热炉时的炉温不宜太高，最好室温开始加热，一般进炉温度≤200℃，然后采用阶梯型加热法进行加热，即在20℃-560℃之间（误差在±10℃），每小时升温控制在80℃，在560℃-860℃之间（误差在±10℃），每小时升温控制在120℃，在860-1200℃之间（误差在±10℃），每小时升温控制在150摄氏度，其中每2英寸厚度为1小时，加热时钢锭下面需垫高，加热过程中钢锭要进行翻转，使其上、下加热均匀，当加热到1200℃±10℃后充分保温，具体的保温时间根据钢锭的尺寸确定。

（5）当钢锭中心温度与表面温度基本一致时可进行强压快锻，应用FM法强压快锻的始锻温度为1200±10℃、终锻温度为850±10℃，采用大压机，锻造比≥3；锻后空冷，但不宜与碳钢放在一起。

（6）锻件的毛坯经粗加工、并经超声波探伤确定无裂纹和缺陷后进炉加热，每小时升温80±10℃，固溶温度为1050±10℃，保温1-2小时，采用足够大的水池，快速冷却，固溶时工件要上下、左右摆动，采用循环水或鼓风机鼓风加速冷却。

（7）在720-760℃（误差在±10℃）进行低温锻造，冷作强化，强化变形量控制在12%-15%之间，最后按机械加工图纸规定的尺寸进行加工，最终获得超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴。

（8）性能检测，对获得的超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴进行性能测试，测试结果如下表2所示：

表2：

从表2可以看出，本实施例制造出来的超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的抗拉强度、屈服强度、延伸率、断裂韧性和杨氏模量均满足指标要求。

为了进一步验证各化学元素组分之间的配比关系对成品各项性能的影响，本实施例提供了以下七组样品，各样品的化学组分如表3所示：

表3:

对上述七组样品继续进行性能检测，各项性能检测结果如下表4所示：

表4：

由上表4可以看出，当各化学元素的配比低于本实施例中组分范围下限时，样品的抗拉强度、屈服强度等性能均不达标，当各化学元素的配比在本实施例中组分范围内时，样品的性能均达标，同时当各化学元素的配比在优化配比范围内时，样品的性能随着各化学元素的配比的增加逐渐变优而后又逐渐下降，但当各化学元素的配比高于本实施例中组分范围上限时，样品的性能又不达标。

本实施例的有益效果是：（1）各组分设计科学合理，冶炼时严格控制有害元素的含量，使有害元素Pb+Sn+Sb+As+Bi≤0.05%；（2）生产出来的叶轮轴在超低温下具有高强度、极低的磁导率和稳定的奥氏体组织的优越性能。

Claims

1.一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法，其特征在于所述制造方法包括以下步骤：

选用微碳铬铁、镍板和金属锰作为原材料并进行净化处理；

清洗炉膛和钢包；

对炼得的所述钢锭进行强压快锻获得锻件；

按设计图纸规定尺寸进行加工以获得所述叶轮轴。

2.根据权利要求1所述的一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法，其特征在于对炼得的所述钢锭进行强压快锻获得所述锻件的具体过程如下：

采用阶梯型加热法分段加热所述钢锭；

3.根据权利要求2所述的一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法，其特征在于采用阶梯型加热法分段加热所述钢锭的具体过程为：所述钢锭的入炉温度≤200℃，在20℃-560℃之间，每小时升温控制在80℃，在560℃-860℃之间，每小时升温控制在120℃，在860-1200℃之间，每小时升温控制在150摄氏度，加热到1200℃±10℃后充分保温。

4.根据权利要求2所述的一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法，其特征在于应用FM法强压快锻的始锻温度为1200±10℃、终锻温度为850±10℃；所述的固溶热处理的加热过程中每小时升温80±10℃，固溶温度为1050±10℃；所述的低温锻造温度为720-760℃。

5.根据权利要求1所述的一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法，其特征在于在EF电弧炉熔炼过程中加入如下组分的复合脱氧剂：7%≤Si≤11%，16%≤Mn≤20%，4.5%≤Al≤5.5%，3.5%≤Ca≤4.5%，其余为Fe；使其与钢水中的氧化物、硫化物形成钢渣，在氧化期、还原期和出钢前三次扒渣，清除非金属夹杂物，净化钢水，使其氧化物、硫化物总和≤4级。

6.根据权利要求1所述的一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法，其特征在于由EF熔炼后，钢水进入VOD真空精炼炉进行精炼时，脱碳、脱气，使0.05%≤C≤0.07%、使﹝H﹞≤1.6ppm、﹝O﹞≤20ppm。

7.根据权利要求1所述的一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法，其特征在于对所述原材料进行净化处理的具体过程如下：用5%-7%的稀硫酸进行清洗，再用清水进行清洗，然后进行烘干。

8.根据权利要求1所述的一种超低温高强度无磁不锈钢叶轮轴的制造方法，其特征在于所述钢锭各组分的优化组合如下：0.05%≤C≤0.07%，10.0%≤Mn≤11.0%，0.40%≤Si≤0.69%，S≤0.015%，P≤0.015%，13.0%≤Cr≤13.5%，9.5%≤Ni≤10.5%，0.42%≤N≤0.48%，其余为Fe。