专利名称：水轮机转轮用铬锰氮系不锈钢的制作方法
技术领域：
本发明是一种含铬锰氮不锈钢合金，该合金具有显著的抗汽蚀、抗泥沙磨损性能，适用于制作电站水轮机转轮和叶片。
目前，国内外电站水轮机转轮用钢以0Cr13Ni4Mo，0Cr13Ni5Mo，0Cr13Ni6Mo和0Cr17Mi5Mo不锈钢的抗汽蚀与泥沙磨损性能最佳，但是由于镍资源匮乏，镍价昂贵，致使水轮机转轮的成本很高，并且这种铬镍钼系转轮用钢的综合性能不十分理想。
我国生产的水轮发电机组，从50年代至70年代，转轮用钢主要采用硅锰钢如ZG20SiMn，但是由ZG20SiMn的抗汽蚀性能差，在叶片的汽蚀部位必须堆焊很厚的铬镍钼不锈钢防护层，如丹江口、新安江、龚嘴电站，苏联也采用这种办法制造转轮叶片，如克拉斯诺雅尔斯克等电站。日本、美国、加拿大等国也广泛采用低合金钢来制造叶轮，在易于汽蚀部位堆焊铬镍钼系不锈钢来增加叶片的抗汽蚀、抗泥沙磨损性能，这样可以大幅度地降低成本。叶轮的上冠用低合金钢，下环用铬镍钼钢，甚至把叶片分为两部分，上部用便宜的低合金钢而下部用铬镍钼高合金钢，这种转轮一般称为异材组焊转轮，采用这种制作方式也可以大幅度地降低生产成本，并使材料物尽其用，达到最佳的使用效果。叶片上部一般用ZG20SiMn，下段用4～6%镍的13铬不锈钢，如加拿大玛依卡493MW转轮，美国的盖太克261MW转轮，日本的奥多多良木312MW转轮都是这样。
对于泥沙含量较高的河流，一般不得不使用铬镍钼不锈钢来制造整个叶片和转轮下环，这样可以延长检修期，提高水轮机的发电量。我国的长江属于多泥沙河流，三峡一段年输沙量高达5.2亿吨。据资料介绍葛洲坝水电站由于长江上游夹带着大量的泥沙(最大实测含量达10.5Kg/M3)造成片叶的磨损和汽蚀，其中3号机组经855小时的运行停机检查发现叶片正面，背面有不同程度的破坏。这样迫使水轮机设计师在考虑用于含沙水质工况下采用铬镍钼系不锈钢，如美国的长斯太依电站的26.1万千瓦水轮机，该机是日本日立公司制造的，转轮采用0Cr13Ni5Mo，于1973年投入运转。法国肖克公司为莫桑比克长色拉巴莎电站制造的41.5万千瓦叶轮。加拿大玛林公司为丘吉尔电站制造的47.6万千瓦转轮，中国六郎洞电站的1.25万千瓦转轮、援阿毛泽东电站的5万千瓦转轮、援刚果布1.85万千瓦转轮，葛洲坝电站转轮等等，都是采用铬镍钼系不锈钢的。
由此可见，转轮用钢主要为低合金钢和铬镍钼系高合金不锈钢。为适应不同需要采用三种方式制造一、用低合金钢ZG20DiMn制造整个转轮，然后在易于汽蚀和磨损的部位堆焊铬镍钼系高合金钢保护层。
二、采用异材质组焊，如上冠或上冠上半部叶片用ZG20SiMn铸造，叶片下半部和下环用铬镍钼钢铸造，然后组焊在一起。
三、整个转轮完全用铬镍钼系不锈钢制造。
铬镍钼系不锈钢含贵金属镍较多，一般是重量的4-6%。镍含量高，是造成高成本的重要原因之一。
铬镍钼系不锈钢的性能受镍含量的影响很大。镍量低，如4%镍则σ铁素体量大，美国A-C公司工厂标准规定σ铁素体量要小于5%。日本神户制钢所的试验证明σ铁素体含量超过10%，对强度、塑性、韧性、抗疲劳性有很大损害。因此不希望这类钢中存在σ铁素体。但是镍含量增加，递变奥氏体量增加，Ni6钢比Ni5钢更高，可达30%，因此0Cr13Ni6Mo比0Cr13Ni5Mo的强度、硬度和韧性都低。因此，国外水轮机采用0Cr13Ni6Mo钢较少，且在近几年的文献中也很少见，而大多数采用0Cr13Ni5Mo钢。日本日立公司用于水轮机的不锈钢中全部为0Cr13Ni5Mo钢。日本日立公司在鲁布格转轮投标时说Ni5钢的各种性能都是最好的。我国葛洲坝电站水轮机转轮所用的0Cr13Ni6Mo的含镍量偏下限。另外Ni5钢比Ni6钢的成本低。
综上所述在铬镍钼系不锈钢中，如果降低镍含量，则性能变坏。提高镍的含量，则递变奥氏体增多，也降低其使用性能，以含镍5%左右为好，由于金属镍的价格过于昂贵，使铬镍钼系不锈钢的使用受到了一定的限制。
本发明的目的在于提供一种水轮机转轮用不锈钢合金，这种不锈钢合金的抗汽蚀抗泥沙磨损性能将优于目前广泛使用的铬镍钼系不锈钢合金，此外，采用这种合金制造水轮机转轮成本将显著低于铬镍钼系不锈钢合金。
本发明提供了用锰、氮代替贵金属镍的水轮机转轮用不锈钢合金，该合金含有C0.02～0.1%，Cr11～16%，Mn5～10%，N0.03～0.18%，Mo0.3～1.0%，Si0.17～1.0%，P≤0.035%，S≤0.03%，余量为Fe、稀土和杂质元素。优先选择的合金含有C0.03～0.07%，Cr12～14%，Mn7～9%，N0.05～0.12%，Mo0.4～0.8%，Si0.25～0.6%。
本发明提供的铬锰氮系不锈钢生产和热处理工艺是在感应炉或电炉中熔炼，炉料及砂型要在500℃炉中烘烤。出钢温度在1500℃以上。炉衬选用抗高锰钢液冲刷的材料。对铬铁、含氮铬铁、金属锰、低碳锰铁、软钢等中间合金要考虑到烧损量和成份的均匀性。热处理包括高温均匀化处理，晶粒细化处理，1000℃正火或油冷，400℃～600℃回火处理。这些处理对亚稳定奥氏体的稳定性和相对量都有重要的调整作用。
用锰、氮取代铬镍钼系不锈钢中的镍元素，获得亚稳定奥氏体的板条马氏体双相组织，通过锰、氮含量来控制亚稳定奥氏体的稳定程度，使之在汽蚀和泥沙冲刷磨损条件下发生马氏体相变和相变诱发塑性，叠加在原马氏体和奥氏体双相基体的强韧性之上，来提高铬锰氮钢抗汽蚀和泥沙磨损性能。
根据这种技术思想，经过大量的实验研究，确定了成份配比，使铬锰氮系不锈钢的抗汽蚀抗泥沙磨损性能明显优于铬镍钼钢，用锰、氮取代镍，可获得显著的经济效益，同时其综合性能也比铬镍钼系不锈钢更为良好。
表1为铬锰氮系不锈钢合金成分含量。
表2为CrMnN钢和0Cr13Ni6Mo钢性能对比。
图1为CrMnN钢和0Cr13Ni6Mo钢抗汽蚀抗泥沙磨损性能。图中“△”表示0Cr13Ni6Mo钢，“.”表示CrMnN钢，1、2、3表示亚稳奥氏体量的增加。试验条件振幅70μ，频率1800HZ，清水加黄河沙。
注1＃、2＃、3＃为炉号按本发明优先选择含量范围熔炼的三炉钢，其抗汽蚀和抗泥沙磨损性能显著高于0Cr13Ni6Mo不锈钢，而强度水平满足国家标准规定的要求，其中1＃、2＃、3＃铬锰氮不锈钢的抗拉强度高于0Cr13Ni6Mo，屈服强度1＃和2＃不锈钢也高于0Cr13Ni6Mo，这表明用锰和氮取代镍是确实可行的。
在铬锰氮系不锈钢中，含铬12～14%以保证足够的耐腐蚀性和淬透性，含锰量为7～9%，锰扩大奥氏体相区，降低钢的马氏体开始转变温度，即Ms点，这样可以获得不同稳定程度的奥氏体。氮含量在0.05～0.12%之间，碳含量在0.03～0.07%之间，碳含量高，则有损于焊接性能，低则使强度降低，因此用一定量的氮补足碳造成的强度损失，同时氮也可扩大奥氏体相区、降低Ms点，其作用比锰更为强烈。因此，含氮量的控制是铬锰氮不锈钢获得予期性能的关键。钼的含量为0.4～0.8%，以消除高温回火脆性。硅的含量为0.25～0.6%。硫磷的含量均小于0.03%。稀土按钢水重量为0.2%加入，用来细化组织，改善夹杂物的分布和形态。
以锰、氮代替镍，研制出的铬锰氮系转轮用钢，不仅可以节省金属镍，大幅度降低水轮机的转轮的成本，而且可延长转轮的检修周期，因此这种新材料的应用将具有巨大的经济和社会效益。
权利要求
1.一种水轮机转轮用铬锰氮系不锈钢，其特征在于，由C0.02～0.1%，Cr11～16%，Mn5～10%，N0.03～0.18%，Mo0.3～1.0%，Si0.17～1.0%，P≤0.035%，S≤0.03%，余量为Fe和稀土组成。
2.根据权利要求1所述的不锈钢，其特征在于由C0.03～0.07%，Cr12～14%，Mn7～9%，N0.05～0.12%，Mo0.4～0.8%，Si0.25～0.6%，P≤0.035%，S≤0.03%，余量为Fe和稀土组成。
全文摘要
一种用Mn、N代替Ni的水轮机转轮用不锈钢，该合金含有C0.02～0.1％，Cr11～16％，Mn5～10％，N0.03～0.18％，Mo0.3～1.0％，Si0.17～1.0％，P≤0.035％，S≤0.03％，余量为Fe和稀土，优先选择的合金含C0.03～0.07％，Cr12～14％，Mn7～9％，N0.05～0.12％，Mo0.4～0.8％，Si0.25～0.6％。其抗汽蚀抗泥沙磨损性能优于铬镍钼系不锈钢，采用这种材料制造水轮机转轮不仅大幅度降低生产成本，而且延长转轮的检修周期，具有巨大的经济和社会效益。
文档编号C22C38/38GK1046564SQ9010219
公开日1990年10月31日 申请日期1990年4月20日 优先权日1990年4月20日
发明者郑炀曾, 荆天辅, 张福成 申请人:东北重型机械学院秦皇岛分校