CN117987740B - 一种耐磨不锈钢及其制备方法与制件 - Google Patents

Abstract

一种耐磨不锈钢及其制备方法与制件，该耐磨不锈钢的成分按重量比计包括14.5%‑16.0%的Cr，2.5%‑3.8%的Mo，1.2%‑1.8%的W，0.6%‑0.8%的V，0.1%‑0.3%的Si，1.0%‑1.2%的Mn，0.02%‑0.08%的Ce，0.4%‑0.6%的C，余量为Fe及不可避免的杂质。该耐磨不锈钢软态下具有良好的加工性能，硬态下具有良好的力学性能和耐磨性能，耐腐蚀性能良好，适用于高温腐蚀工况下传动机构的制造；本发明还提供一种耐磨不锈钢的制造方法与耐磨不锈钢制件。

Description

一种耐磨不锈钢及其制备方法与制件

技术领域

本发明属于不锈钢领域，具体涉及一种耐磨不锈钢及其制备方法与制件。

背景技术

控制棒驱动机构是压水堆核电站控制系统的核心部件之一，用于在垂直方向上定位控制棒组件，通过改变或保持控制棒组件垂直方向上的高度来实现反应堆的启停控制以及在反应堆运行过程中调节功率水平或在事故工况下紧急停堆。控制棒驱动机构设置在反应堆压力容器内部，服役环境具有高温、高压、高辐照的特点，并需要长期承受冷却剂的冲刷。在一些新型反应堆方案中控制棒驱动机构采用由螺母与丝杠组成的螺旋传动部件来实现控制棒组件的插拔动作。在驱动控制棒组件上提时，驱动电机驱动螺旋传动部件的螺母旋转，将螺旋传动部件的丝杠提升；当驱动控制棒组件下插时，驱动电机驱动螺旋传动部件的螺母旋转，将螺旋传动部件的丝杠下降。螺旋传动部件需要具备良好的高温力学性能与高温耐腐蚀性能，同时在长期服役条件下需要保持良好的控制精度与可靠性，制造常规丝杠的各类工具钢或轴承钢无法满足反应堆控制棒驱动机构的设计需求，而各类镍基合金则存在成本高、机械加工困难的问题。因此，提供一种适用于反应堆螺旋传动部件的耐磨不锈钢对于提高反应堆控制系统的安全性与可靠性具有积极意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种耐磨不锈钢，在软态下具有良好的机加工性能，在硬态下具有高强度。本发明还体用一种耐磨不锈钢的制造方法以及一种耐磨不锈钢制件。

根据本发明一个方面的实施例，提供一种耐磨不锈钢，该耐磨不锈钢按重量比计包括14.5%-16.0%的Cr，2.5%-3.8%的Mo，1.2%-1.8%的W，0.6%-0.8%的V，0.1%-0.3%的Si，1.0%-1.2%的Mn，0.02%-0.08%的Ce，0.4%-0.6%的C，余量为Fe及不可避免的杂质。

Cr与Mo能够促进不锈钢基在腐蚀性介质中的钝化，提高不锈钢的耐腐蚀性能，Mo还能够有效提高不锈钢耐点蚀的性能；W和V能够提高不锈钢的耐磨性能和耐高温性能；Si有较强的固溶强化作用，有助于提高不锈钢的硬度与强度，Si还能够进一步在材料表面形成氧化层从而改善材料的耐腐蚀性能；Mn能够提高材料的硬度与强度，同时起到脱硫与脱氧的作用，改善材料的热加工性能；Ce能够细化晶粒、提高晶界密度，提高合金强度的同时促进Cr、Si等元素在腐蚀环境中沿晶界向外扩散以形成保护膜；C能够提高不锈钢基体的硬度与耐磨性能。

进一步地，在部分实施例中，按重量比计，所述耐磨不锈钢组织中含有0<N≤0.5%，Cu≤0.5%，Ni≤0.5%，Ti≤0.01%，S≤0.02%。N与Ni能够在一定程度上提高不锈钢的硬度与耐腐蚀性能，但含量过高会提高材料脆性倾向。

进一步地，在部分实施例中，所述耐磨不锈钢退火态组织包括珠光体与渗碳体，室温硬度≤230HB；所述耐磨不锈钢经过淬火、深冷和回火处理得到的硬态组织包括回火马氏体、碳化物和残余奥氏体，室温硬度≥52HRC，屈服强度≥1300MPa，抗拉强度≥1800MPa。

进一步地，在部分实施例中，所述耐磨不锈钢组织中非金属夹杂物≤D类细系1.5级，平均晶粒度为5.0级或更细。

根据本发明另一个方面的实施例，提供一种耐磨不锈钢的制造方法，包括以下步骤：提供合金铸锭，所述合金铸锭的成分按重量比计包括：14.5%-16.0%的Cr，2.5%-3.8%的Mo，1.2%-1.8%的W，0.6%-0.8%的V，0.1%-0.3%的Si，1.0%-1.2%的Mn，0.02%-0.08%的Ce，0.4%-0.6%的C，余量为Fe及不可避免的杂质；对所述合金铸锭进行电渣重熔，得到电渣锭；对所述电渣锭进行锻造和热轧，得到合金轧材。对合金铸锭进行电渣重熔能够有效控制其中的S、P、H等有害元素含量，调控非金属夹杂物的形态，改善表面质量。通过锻造与热轧能够调节合金组织，改善不锈钢的综合性能。

进一步地，在部分实施例中，所述合金铸锭中，0<N≤0.5%，Cu≤0.5%，Ni≤0.5%，Ti≤0.01%，S≤0.02%。

进一步地，在部分实施例中，所述合金铸锭采用以下方法制造：采用加压真空感应冶炼，首先在1540℃-1670℃、不超过20Pa的真空度下投入底料Cr、W、Mo并按0.6-0.8min/kg的时间冶炼；接下来在1520℃-1650℃、不超过10Pa的真空度下依次投入V、Si、Mn并按0.6-0.8min/kg的时间冶炼；在1500℃-1600℃下投入纯C、FeCrN、Fe-Ce中间合金，搅拌并按0.4-0.6min/kg的时间冶炼，在合金熔化完全后控制真空度不超过3.0Pa，在氮气保护下静置调温至1480℃-1550℃浇铸。

进一步地，在部分实施例中，对所述合金铸锭进行电渣重熔过程中，渣系组分包括CaF₂、Al₂O₃、CaO和MgO，以纯铁或与所述合金铸锭相同的材料作为底板，电渣重熔冶炼温度为1675℃-1720℃，重熔速度为0.5-2.0kg/min，保护气氛为2MPa-10MPa的氮气。

进一步地，在部分实施例中，对所述电渣锭进行锻造过程中，在锻造前在1075℃-1150℃下保温40min-150min，开锻温度为1080℃-1150℃，终锻温度为830℃-950℃；锻造后在500℃-800℃下保温120min-240min退火得到合金锻材；对所述合金锻材热轧前在1150℃-1200℃下保温40min-120min，开轧温度为1150℃-1200℃，终轧温度为850℃-950℃，得到合金轧材。

进一步地，在部分实施例中，该耐磨不锈钢的制造方法还包括对所述合金轧材进行退火处理的步骤，退火处理保温温度为500℃-800℃，保温时间120min-240min，冷却方式为随炉冷却，得到退火态合金。

进一步地，在部分实施例中，该耐磨不锈钢的制造方法还包括以下步骤：对所述退火态合金或所述退火态合金的机械加工制件进行淬火处理，所述淬火处理的保温温度为900℃-1150℃，保温时间内60min-180min，水冷；水冷后在-190℃以下进行120min-480min的深冷处理；在深冷处理后进行回火处理，所述回火处理的保温温度为435℃-525℃，保温时间2h-4h，得到马氏体硬态合金。

根据本发明又一个方面的实施例，提供一种耐磨不锈钢制件，该耐磨不锈钢制件采用前述任一实施例中所提供的耐磨不锈钢的制造方法所制备的耐磨不锈钢制造。

附图说明

图1为一实施例中退火态耐磨不锈钢的金相照片；

图2为一实施例中退火态耐磨不锈钢中的非金属夹杂物照片；

图3为一实施例中硬态耐磨不锈钢的金相照片。

上述实施例的目的在于对本发明作出详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，而非旨在限制本发明。

具体实施方式

下面通过具体实施例结合附图对本发明作出进一步的详细说明。

本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本文的至少一个实施例中。在说明书的各个位置出现的该短语并不一定指代同一实施例，也并非限定为互斥的独立或备选的实施例。本领域技术人员应当能够理解，在不发生结构冲突的前提下本文中的实施例可以与其他实施例相结合。本文的描述中，“多个”的含义是至少两个。

利用螺旋传动部件驱动反应堆控制棒作动，从而实现对反应堆功率和启停的控制，在新型、小型反应堆中具有良好的应用前景。然而，核级传动部件对尺寸稳定性、高温力学性能、高温耐腐蚀性能和长期辐照条件下的可靠性有着极高的要求，常规用于丝杠机构制造的工具钢、轴承钢等钢种在反应堆压力容器内超过300℃、浸泡在冷却剂中的辐照工况下无法满足螺旋传动部件的设计要求，而各类镍基合金则具有成本高、机械加工性能存在不足。为了解决上述问题，本发明的实施例提供一种耐磨不锈钢，具有良好的机加工性能，在高温下也能保持良好的耐腐蚀性能、力学性能和尺寸稳定性。

该耐磨不锈钢属于马氏体不锈钢，其成分按重量比计包括14.5%-16.0%的Cr，2.5%-3.8%的Mo，1.2%-1.8%的W，0.6%-0.8%的V，0.1%-0.3%的Si，1.0%-1.2%的Mn，0.02%-0.08%的Ce，0.4%-0.6%的C，余量为Fe及不可避免的杂质。在优选实施例中，耐磨不锈钢组织中0<N≤0.5%，Cu≤0.5%，Ni≤0.5%，Ti≤0.01%，S≤0.02%。Cr与Mo能够促进不锈钢基在腐蚀性介质中的钝化，提高不锈钢的耐腐蚀性能，Mo还能够有效提高不锈钢耐点蚀的性能；W和V能够提高不锈钢的耐磨性能和耐高温性能；Si有较强的固溶强化作用，有助于提高不锈钢的硬度与强度，Si还能够进一步在材料表面形成氧化层从而改善材料的耐腐蚀性能；Mn能够提高材料的硬度与强度，同时起到脱硫与脱氧的作用，改善材料的热加工性能；Ce能够细化晶粒、提高晶界密度，提高合金强度的同时促进Cr、Si等元素在腐蚀环境中沿晶界向外扩散以形成保护膜；C能够提高不锈钢基体的硬度与耐磨性能。N与Ni能够在一定程度上提高不锈钢的硬度与耐腐蚀性能，N可以在一定程度上替代Ni，但含量过高会提高材料脆性倾向。

该耐磨不锈钢在软态（完全退火状态）下，室温硬度≤230HB，易于通过机械加工得到丝杠等具有复杂结构的制件；在经过淬火、深冷和回火处理得到的硬态下，室温硬度≥52HRC，屈服强度≥1300MPa，抗拉强度≥1800MPa，具有良好的耐磨性能和强度，能够在保持尺寸稳定性的前提下长期稳定服役。该耐磨合金软态组织包括珠光体和碳化物，其金相组织如图1所示；硬态组织则包括回火马氏体、碳化物与残余奥氏体，其金相组织如图3所示。在优选实施例中，该耐磨不锈钢中非金属夹杂物级别≤D类细系1.5级（根据GB/T10561-2005标准），非金属夹杂物状态如图2所示；平均晶粒度则为5.0级或更细。

在一个优选实施例中，该耐磨不锈钢通过以下方法制造。

首先，熔炼原料。按照耐磨不锈钢的配方准备原料，采用加压真空感应冶炼，相炉中投入底料、Cr、W、Mo，控制真空度≤20Pa，熔炼温度1540℃-1670℃，按照0.6-0.8min/kg的时间冶炼，使投入的原料完全熔化；随后依次加入V、Si、Mn，控制真空度≤10Pa，熔炼温度1520℃-1650℃，按照0.6-0.8min/kg的时间冶炼，使投入的原料完全熔化；最后投入其余合金原料，其中C以纯碳形式投入，N、Ce则以FeCrN和Fe-Ce中间合金的形式添加，加料后进行充分的机械和/或电磁搅拌，控制熔炼温度1500℃-1600℃，案0.4-0.6min/kg的时间冶炼，在投入的原料完全熔化后，控制真空度不超过3Pa，在充入氮气保护，静置并调温至1480℃-1550℃，慢速均匀浇筑得到合金铸锭。

接下来对合金铸锭进行电渣重熔冶炼。电渣重熔渣系包括CaF₂、Al₂O₃、CaO和MgO，渣系中各成分的具体比例可以根据原料中的杂质含量进行合理设置；使用纯铁或与该耐磨不锈钢合金相同成分的金属作为底板，在1675℃-1720℃下，以0.5-2.0kg/min的重熔速度进行冶炼，根据结晶器尺寸和渣料重量适当控制渣池的深度、电流和电压以确保电渣重熔冶炼过程的稳定，冶炼完毕前进行热补缩3-5次，最后获得非金属夹杂物等级≤D类细系1.5级的高纯净度电渣锭。电渣重熔过程应在分压2MPa-10MPa的氮气气氛保护下进行。

接下来，对电渣锭进行锻造加工，以消除内部疏松、针孔等缺陷，打碎枝晶等凝固组织，改善合金组织均匀度。在锻造前，在1075℃-1150℃下对电渣锭保温40-150min，锻造过程中开锻温度1080℃-1150℃，终锻温度830℃-950℃，锻造过程中每道次压下率不超过12%，得到合金锻材。锻造完成后将合金锻件加热到500℃-800℃保温120min-240min并随炉冷却，进行去应力退火处理。

接下来，对合金锻材进行热轧处理，进一步改善合金内的组织均匀性。在进行热轧前，在1150℃-1200℃下对合金锻件保温40min-120min，轧制过程中开轧温度1150℃-1200℃，终轧温度850℃-950℃，获得晶粒细小均匀的合金轧材。将合金轧材加热至500℃-800℃保温120min-240min并随炉冷却，进行去应力退火，得到退火态合金。退火态合金组织如图1所示，主要包括珠光体与渗碳体，室温硬度不超过230HB，便于进行车削和磨削加工，以制成螺旋传动部件的丝杠或螺母。

最后，对合金轧材或由合金轧材制造的合金制件进行硬化处理。将退火态合金或合金制件加热至900℃-1150℃保温60min-80min，保温结束后快速水冷，促进马氏体形成并调控M₂₃C₆与VC等碳化物的析出行为。水冷后，进一步采样气体法液氮（-196℃）深冷处理，在190℃以下保持120min-480min，以存进残余奥氏体充分向马氏体转变，稳定合金尺寸，改善合金组织均匀性，减小变形，提高合金韧性。为了消除淬火与深冷处理过程中引入的残余应力，在435℃-525℃下将合金保温2h-4h进行回火处理，最终得到如图3所示的包括回火马氏体、碳化物与少量残余奥氏体的马氏体硬态合金组织，合金组织平均晶粒度为5.0级或更细。在室温条件下，该耐磨不锈钢硬度≥52HRC，屈服强度≥1300MPa，抗拉强度≥1800MPa，具有良好的耐磨性能、高温力学性能和高温耐腐蚀性能。

上述实施例中所提供的耐磨不锈钢制造方法所制造的耐磨不锈钢，能够用于制造螺旋传动部件的丝杠、滚珠与螺母，这些耐磨不锈钢制件能够在反应堆压力容器内300℃以上的工况下保持良好的力学性能、耐腐蚀性能，长期稳定服役。在其他实施例中，该耐磨不锈钢还可以用于制造其他高温腐蚀条件下的耐磨传动部件如齿轮、齿条等。

上述实施例的目的在于结合附图对本发明作出进一步的详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思。在本发明公开的范围内，对所涉及的方法步骤进行优化或等效替换，以及在不发生结构与原理冲突的前提下对不同实施例中的实施方式进行结合，均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种耐磨不锈钢的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供合金铸锭，所述合金铸锭的成分按重量比计含有：14.5%-16.0%的Cr，2.5%-3.8%的Mo，1.2%-1.8%的W，0.6%-0.8%的V，0.1%-0.3%的Si，1.0%-1.2%的Mn，0.02%-0.08%的Ce，0.4%-0.6%的C，以及N≤0.5%，Cu≤0.5%，Ni≤0.5%，Ti≤0.01%，S≤0.02%，余量为Fe及不可避免的杂质；

对所述合金铸锭进行电渣重熔，得到电渣锭；

对所述电渣锭进行锻造和热轧，得到合金轧材；

其中，对所述电渣锭进行锻造过程中，在锻造前在1075℃-1150℃下保温40min-150min，开锻温度为1080℃-1150℃，终锻温度为830℃-950℃；

锻造后在500℃-800℃下保温120min-240min退火得到合金锻材；

对所述合金锻材热轧前在1150℃-1200℃下保温40min-120min，开轧温度为1150℃-1200℃，终轧温度为850℃-950℃，得到合金轧材；

还包括对所述合金轧材进行退火处理的步骤：退火处理保温温度为500℃-800℃，保温时间120min-240min，冷却方式为随炉冷却，得到退火态合金；

对所述退火态合金或所述退火态合金的机械加工制件进行淬火处理，所述淬火处理的保温温度为900℃-1150℃，保温时间内60min-180min，水冷；水冷后在-190℃以下进行120min-480min的深冷处理；在深冷处理后进行回火处理，所述回火处理的保温温度为435℃-525℃，保温时间2h-4h，得到马氏体硬态合金。

2.根据权利要求1所述的耐磨不锈钢的制造方法，其特征在于，

所述合金铸锭采用以下方法制造：采用加压真空感应冶炼，首先在1540℃-1670℃、不超过20Pa的真空度下投入底料Cr、W、Mo并按0.6-0.8min/kg的时间冶炼；接下来在1520℃-1650℃、不超过10Pa的真空度下依次投入V、Si、Mn并按0.6-0.8min/kg的时间冶炼；在1500℃-1600℃下投入纯C、FeCrN、Fe-Ce中间合金，搅拌并按0.4-0.6min/kg的时间冶炼，在合金熔化完全后控制真空度不超过3.0Pa，在氮气保护下静置调温至1480℃-1550℃浇铸。

3.根据权利要求1所述的耐磨不锈钢的制造方法，其特征在于，对所述合金铸锭进行电渣重熔过程中，渣系组分包括CaF₂、Al₂O₃、CaO和MgO，以纯铁或与所述合金铸锭相同的材料作为底板，电渣重熔冶炼温度为1675℃-1720℃，重熔速度为0.5-2.0kg/min，保护气氛为2MPa-10MPa的氮气。

4.一种耐磨不锈钢，其特征在于，按重量比计所述耐磨不锈钢的成分含有14.5%-16.0%的Cr，2.5%-3.8%的Mo，1.2%-1.8%的W，0.6%-0.8%的V，0.1%-0.3%的Si，1.0%-1.2%的Mn，0.02%-0.08%的Ce，0.4%-0.6%的C，以及0<N≤0.5%，Cu≤0.5%，Ni≤0.5%，Ti≤0.01%，S≤0.02%，余量为Fe及不可避免的杂质；所述耐磨不锈钢采用如权利要求1至3中任一项所述的耐磨不锈钢的制造方法制造。

5.根据权利要求4所述的耐磨不锈钢，其特征在于，所述耐磨不锈钢退火态组织包括珠光体与渗碳体，室温硬度≤230HB；所述耐磨不锈钢经过淬火、深冷和回火处理得到的硬态组织包括回火马氏体、碳化物和残余奥氏体，室温硬度≥52HRC，屈服强度≥1300MPa，抗拉强度≥1800MPa。

6.根据权利要求5所述的耐磨不锈钢，其特征在于，所述耐磨不锈钢组织中非金属夹杂物≤D类细系1.5级，平均晶粒度为5.0级或更细。

7.一种耐磨不锈钢制件，其特征在于，所述耐磨不锈钢制件采用如权利要求4至6中任一所述的耐磨不锈钢制造。