一种低成本高性能耐蚀泵阀用铁素体不锈钢及其制备方法
阅读说明：本技术 一种低成本高性能耐蚀泵阀用铁素体不锈钢及其制备方法 (Low-cost high-performance ferritic stainless steel for corrosion-resistant pump valve and preparation method thereof ) 是由 王铁 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：一种低成本高性能耐蚀泵阀用铁素体不锈钢及其制备方法：组成如下：Cr 25％～32％,Mo 0.75％～4.5％,Ni 0％～4％,Ti 0.01％～0.1％,Nb 0.01％～0.1％,稀土0.01％～0.1％；C+N＜0.012％；Fe余量。将纯铁、Cr的原材料、金属钼、纯镍和金属铌的原材料装入坩埚中,并加入氧化剂,启动真空感应炉,抽真空下,使原料熔化；升温精炼,精炼后降温至结膜,继续熔化后加入海绵钛,搅拌,停电降温至结膜；升温加入稀土元素,浇入泵阀模壳中,得到产品。优点是：具有优异耐腐蚀性能,没有室温脆性；且合金中含有少量/不含镍元素,原材料成本低廉,是制造高性能耐蚀泵阀的理想材料。(A low-cost high-performance corrosion-resistant ferritic stainless steel for pump valves and a preparation method thereof are disclosed: the composition is as follows: 25 to 32 percent of Cr, 0.75 to 4.5 percent of Mo, 0 to 4 percent of Ni, 0.01 to 0.1 percent of Ti, 0.01 to 0.1 percent of Nb and 0.01 to 0.1 percent of rare earth; c + N is less than 0.012 percent; the balance of Fe. Filling raw materials of pure iron and Cr, and raw materials of metal molybdenum, pure nickel and metal niobium into a crucible, adding an oxidant, starting a vacuum induction furnace, and melting the raw materials under vacuum; heating and refining, cooling to a conjunctiva after refining, continuously melting, adding titanium sponge, stirring, and cooling to the conjunctiva after power failure; heating, adding rare earth elements, and pouring into a pump valve mould shell to obtain the product. The advantages are that: the corrosion resistance is excellent, and the room temperature brittleness is avoided; and the alloy contains little or no nickel element, has low cost of raw materials, and is an ideal material for manufacturing the high-performance corrosion-resistant pump valve.)
技术领域
本发明属于不锈钢及其制造领域，具体涉及一种低成本高性能耐蚀泵阀用铁素体不锈钢及其制备方法。
背景技术
高性能耐蚀泵阀被广泛应用于化工、石化、造纸、采矿等领域的工程项目中。由于泵阀需要接触各种腐蚀性介质，且要求能在极端苛刻的腐蚀环境中长周期安全稳定运行，因而对泵阀用材料的耐蚀性能要求较高。目前国内外常用的高性能耐蚀泵阀材料主要有以下几种：一类是超级奥氏体不锈钢，如904L，Alloy20，Sanicro28等，这类合金中一般含有质量分数14～28％的铬和20～38％的镍，以及一定量的钼、铜等元素；另一类则是镍基合金系列，如蒙耐尔合金(Ni-Cu系)、哈氏合金(Ni-Cr-Mo系)、英科耐尔合金(Ni-Cr系)等。但上述合金中均含有较高的镍元素，而随着金属Ni价格的不断上涨，相应合金的价格也极为高昂，因此，有必要开发更低成本的高性能耐蚀泵阀用材料。
铁素体不锈钢是一种具有良好耐蚀性的合金材料，合金中不含贵重的镍元素，原材料成本很低。特别是含铬量较高的铁素体不锈钢，其耐蚀性能与镍基耐蚀合金、镍铁基耐蚀合金和高镍的超级奥氏体不锈钢相当，有望替代上述材料用于制作高性能耐蚀泵阀。但传统的铁素体不锈钢存在室温脆性，限制了合金的实际应用。
CN 107675075A公开了“一种高性能高温铁素体不锈钢及其制备方法”，其技术方案要点是，各组分重量百分比为：C≤0.5％，Si 0.2-2.6％，Mo 0.2-2.0％，Cr 17-27％，Nb0.2-1.8％，V 0.05-0.6％，Ti 0.1-0.7％，其余为Fe和在不锈钢中出现的不可避免的杂质，杂质(Mn、Ni、S、P)总量≤2.5％。该铁素体不锈钢不含Ni，降低成本；在高温条件下尺寸稳定、抗氧化能力强，热膨胀系数低，相对于奥氏体不锈钢，铁素体成本较低；该铁素体不锈钢具有较好的力学性能，但该铁素体不锈钢同样存在室温脆性的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低成本高性能耐蚀泵阀用铁素体不锈钢及其制备方法，工艺简单，生产效率高，不锈钢中Ni元素少，或不含Ni元素，生产成本低，具有良好耐蚀性，且不存在室温脆性，可作为高性能耐蚀泵阀材料。
本发明的解决方案是：
一种低成本高性能耐蚀泵阀用铁素体不锈钢，其特殊之处在于：
该铁素体不锈钢的成分按质量百分含量组成如下：Cr 25％～32％，Mo 0.75％～4.5％，Ni 0％～4％，Ti 0.01％～0.1％，Nb 0.01％～0.1％，稀土0.01％～0.1％；
杂质元素的质量分数为：C≤0.008％，N≤0.01％，C+N＜0.012％；
Fe余量；
所述稀土为稀土铈(Ce)或稀土钇(Y)。
进一步的，该铁素体不锈钢的成分按质量百分含量组成如下：Cr 26.12～31.02％，Mo 1.21～4.08％，Ni 0～2.12％，Ti 0.02～0.05％，Nb 0.02～0.06％，稀土0.02～0.09％。
该铁素体不锈钢的主要成分包括铬、钼、镍、钛、铌以及稀土元素；
铬(Cr)是提高不锈钢耐蚀性能的最主要元素。当铬含量≥25时，钢的耐点蚀、耐缝隙腐蚀、耐晶间腐蚀等性能均明显增加。本发明中控制Cr含量，使合金具有优异且全面的耐腐蚀性能。
钼(Mo)可提高不锈钢的耐点蚀和缝隙腐蚀的性能，且钼和铬共同加入时效果更为显著。
镍(Ni)是奥氏体形成元素，但在铁素体不锈钢中少量添加可一定程度降低钢的脆性转变温度、提高韧性。
钛(Ti)和铌(Nb)均是强碳氮化物形成元素，加入钢中可对游离的C、N进行稳定化处理，有利于降低不锈钢的韧脆转变温度，提高合金的服役可靠性。
稀土Ce/Y加入到钢中，可以起到细化晶粒的作用。有利于提高铁素体不锈钢的韧性，降低钢的韧脆转变温度，从而消除铁素体不锈钢的室温脆性。
一种低成本高性能耐蚀泵阀用铁素体不锈钢的制备方法，具体包括如下步骤：
1)按照设计的铁素体不锈钢的成分比例配取原材料；
2)将纯铁、Cr的原材料、金属钼、纯镍和金属铌的原材料装入坩埚中，并加入氧化剂，T i的原材料海绵钛以及稀土元素吊料备用；
3)启动真空感应炉，抽真空至5Pa以下，送电使原料熔化至化清；
4)升温至1650℃～1700℃进行精炼，时间10分钟～30分钟，精炼过程中炉内真空度要小于5Pa；
5)精炼完毕后停电降温至结膜；
6)送电熔化后加入海绵钛，搅拌1～2次，停电降温至结膜；
7)送电升温后加入稀土元素，迅速搅拌后浇入泵阀模壳中，其中泵阀模壳保温温度为850℃～950℃。
优选地，所用坩埚为氧化铝坩埚。
优选地，步骤1)中Cr的原材料，可以是金属铬，也可以是微碳铬铁。
优选地，步骤2)中的氧化剂可以是MnO2、Fe2O3、Fe3O4中的任意一种或几种，且氧化剂的加入量符合：2.0≤(氧化剂中的含氧量+原材料中的含氧量)/原材料中的含碳量≤2.5。
本发明的有益效果：
(1)采用添加MnO2、Fe2O3、Fe3O4作为氧化剂降低钢中的C含量，同时通过对氧化剂添加量的精准控制，使最终冶炼获得的铁素体不锈钢中具有较低的C、O含量。此外，冶炼过程中，氧化剂发生的碳氧反应也有助于N的脱除，再通过高温精炼过程进一步脱N，可获得具有较低的N含量的铁素体不锈钢。因此，制备的铁素体不锈钢，可使其杂质控制在：C+N＜0.012％，从而消除了铁素体不锈钢的室温脆性。
(2)通过一次真空感应熔炼就可以生产出杂质含量极低的铁素体不锈钢，工艺成本较低，可靠性强，具有非常好的经济效益。
综上，本发明的耐蚀泵阀用铁素体不锈钢，具有优异且全面的耐腐蚀性能，合金韧脆转变温度较低，没有室温脆性；且合金中含有少量/不含镍元素，原材料成本低廉，是制造高性能耐蚀泵阀的理想材料。
附图说明
图1为本发明实施例1铁素体不锈钢金相组织图；
图2为本发明实施例2铁素体不锈钢金相组织图；
图3为本发明实施例3铁素体不锈钢金相组织图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
实施例1
采用真空感应炉和氧化铝坩埚冶炼低成本高性能耐蚀泵阀用铁素体不锈钢，选择微碳铬铁作为Cr的原材料，通过铈铁合金添加稀土元素Ce，选择MnO2作为氧化剂，实施例1所用各元素原材料如表1所示，配料化学成分如表2所示。
表1实施例1所用各元素原材料
Fe
Cr
Mo
Ti
Nb
稀土
氧化剂
纯铁
微碳铬铁
金属钼
海绵钛
金属铌
铈铁合金
MnO<sub>2</sub>
表2实施例1配料化学成分(wt％)
Cr
Mo
Ti
Nb
Ce
MnO<sub>2</sub>
Fe
26.5
1.2
0.05
0.02
0.02
0.03
余
具体冶炼工艺如下：
1)按照设计的配料成分配取相应原材料，如表2所示；
2)将纯铁、微碳铬铁、金属钼、金属铌装入坩埚中，加入MnO2，且氧化剂的加入量符合：(氧化剂中的含氧量+原材料中的含氧量)/原材料中的含碳量＝2.5，海绵钛、铈铁合金吊料备用；
3)启动真空感应炉，抽真空至4.5Pa，送电使原料熔化至化清；
4)升温至1650℃～1700℃精炼，时间15分钟，精炼过程中炉内真空度小于5Pa；
5)精炼完毕后停电降温至结膜；
6)送电熔化后加入海绵钛，搅拌1次，停电降温至结膜；
7)送电升温后加入铈铁合金，迅速搅拌后浇入泵阀模壳中，其中泵阀模壳保温温度为900℃。
通过上述方法制备的低成本高性能耐蚀泵阀用铁素体不锈钢，其化学成分分析结果如表3所示。
表3实施例1化学成分分析结果(wt％)
Cr
Mo
Ti
Nb
Ce
C
N
O
26.12
1.21
0.02
0.02
0.02
0.0050
0.0028
0.0045
本发明实施例1铁素体不锈钢具有较低的C、N含量，其金相组织如图1所示，组织主要是铁素体。
通过冲击试验测定铁素体不锈钢的韧脆转变温度，判定合金是否具有室温脆性，本发明实施例1铁素体不锈钢的冲击性能数据如表4所示。
表4实施例1铁素体不锈钢冲击性能
温度/℃
冲击功/J
脆性断面率/％
0
112
0
-10
115
3.5
-20
112
8.5
-30
92
20.7
-40
109
35.1
-50
110
34.8
-60
79
67.0
可以看出，本发明实施例1铁素体不锈钢的韧脆转变温度在-50℃以下，不具有室温脆性。
实施例2
采用真空感应炉和氧化铝坩埚冶炼低成本高性能耐蚀泵阀用铁素体不锈钢，选择金属铬作为Cr的原材料，通过镍铈合金添加稀土元素Ce，选择Fe2O3作为氧化剂，实施例2所用各元素原材料如表5所示，配料化学成分如表6所示。
表5实施例2所用各元素原材料
表6实施例2配料化学成分(wt％)
Cr
Mo
Ni
Ti
Nb
Ce
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe
29.8
4.1
2.1
0.1
0.05
0.05
0.05
余
具体冶炼工艺如下：
1)按照设计的配料成分配取相应原材料；
2)将纯铁、金属铬、金属钼、纯镍、金属铌装入坩埚中，加入Fe2O3，且氧化剂的加入量符合：(氧化剂中的含氧量+原材料中的含氧量)/原材料中的含碳量＝2，海绵钛、镍铈合金吊料备用；
3)启动真空感应炉，抽真空至4.0Pa，送电使原料熔化至化清；
4)升温至1650℃～1700℃精炼，时间20分钟，精炼过程中炉内真空度小于5Pa；
5)精炼完毕后停电降温至结膜；
6)送电熔化后加入海绵钛，搅拌2次，停电降温至结膜；
7)送电升温后加入镍铈合金，迅速搅拌后浇入泵阀模壳中，其中泵阀模壳保温温度为870℃。
通过上述方法制备的低成本高性能耐蚀泵阀用铁素体不锈钢，其化学成分分析结果如表7所示。
表7实施例2化学成分分析结果(wt％)
Cr
Mo
Ni
Ti
Nb
Ce
C
N
O
29.24
4.08
2.12
0.05
0.03
0.051
0.0062
0.0024
0.0035
本发明实施例2铁素体不锈钢其金相组织如图2所示，组织主要是铁素体。
通过冲击试验测定铁素体不锈钢的韧脆转变温度，判定合金是否具有室温脆性，本发明实施例2铁素体不锈钢的冲击性能数据如表8所示。
表8实施例2铁素体不锈钢冲击性能
可以看出，本发明实施例2铁素体不锈钢不具有室温脆性。
实施例3
采用真空感应炉和氧化铝坩埚冶炼低成本高性能耐蚀泵阀用铁素体不锈钢，选择微碳铬铁作为Cr的原材料，通过钇铁合金添加稀土元素Y，选择MnO2、Fe3O4作为氧化剂，实施例3所用各元素原材料如表9所示，配料化学成分如表10所示。
表9实施例3所用各元素原材料
Fe
Cr
Mo
Ti
Nb
稀土
氧化剂
纯铁
微碳铬铁
金属钼
海绵钛
金属铌
钇铁合金
MnO<sub>2</sub>、Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
表10实施例3配料化学成分(wt％)
Cr
Mo
Ti
Nb
Y
MnO<sub>2</sub>
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
Fe
31.5
2.0
0.08
0.06
0.10
0.01
0.01
余
具体冶炼工艺如下：
1)按照设计的配料成分配取相应原材料；
2)将纯铁、微碳铬铁、金属钼、金属铌装入坩埚中，加入MnO2、Fe3O4，且氧化剂的加入量符合：(氧化剂中的含氧量+原材料中的含氧量)/原材料中的含碳量＝2.2，海绵钛、钇铁合金吊料备用；
3)启动真空感应炉，抽真空至4.0Pa，送电使原料熔化至化清；
4)升温至1650℃～1700℃精炼，时间30分钟，精炼过程中炉内真空度小于5Pa；
5)精炼完毕后停电降温至结膜；
6)送电熔化后加入海绵钛，搅拌1次，停电降温至结膜；
7)送电升温后加入钇铁合金，迅速搅拌后浇入泵阀模壳中，其中泵阀模壳保温温度为950℃。
通过上述方法制备的低成本高性能耐蚀泵阀用铁素体不锈钢，其化学成分分析结果如表11所示。
表11实施例3化学成分分析结果(wt％)
Cr
Mo
Ti
Nb
Y
C
N
O
31.02
2.01
0.04
0.06
0.09
0.0023
0.0030
0.0018
本发明实施例3铁素体不锈钢中C、N含量较低，其金相组织如图3所示，组织主要是铁素体。
本发明实施例3铁素体不锈钢的冲击性能数据如表12所示。
表12实施例3铁素体不锈钢冲击性能
温度/℃
冲击功/J
脆性断面率/％
0
59
0
-10
62
0
-20
60
0
-30
58
0
-40
60
0
-50
56
3.2
-60
54
9.5
由数据可知，本发明实施例3铁素体不锈钢的韧脆转变温度在-60℃以下，不具有室温脆性。
以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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