專利名稱：水輪機轉輪用鉻錳氮系不銹鋼的制作方法
技術領域：
本發明是一種含鉻錳氮不銹鋼合金，該合金具有顯著的抗汽蝕、抗泥沙磨損性能，適用于制作電站水輪機轉輪和葉片。
目前，國內外電站水輪機轉輪用鋼以0Cr13Ni4Mo，0Cr13Ni5Mo，0Cr13Ni6Mo和0Cr17Mi5Mo不銹鋼的抗汽蝕與泥沙磨損性能最佳，但是由于鎳資源匱乏，鎳價昂貴，致使水輪機轉輪的成本很高，并且這種鉻鎳鉬系轉輪用鋼的綜合性能不十分理想。
我國生產的水輪發電機組，從50年代至70年代，轉輪用鋼主要采用硅錳鋼如ZG20SiMn，但是由ZG20SiMn的抗汽蝕性能差，在葉片的汽蝕部位必須堆焊很厚的鉻鎳鉬不銹鋼防護層，如丹江口、新安江、龔嘴電站，蘇聯也采用這種辦法制造轉輪葉片，如克拉斯諾雅爾斯克等電站。日本、美國、加拿大等國也廣泛采用低合金鋼來制造葉輪，在易于汽蝕部位堆焊鉻鎳鉬系不銹鋼來增加葉片的抗汽蝕、抗泥沙磨損性能，這樣可以大幅度地降低成本。葉輪的上冠用低合金鋼，下環用鉻鎳鉬鋼，甚至把葉片分為兩部分，上部用便宜的低合金鋼而下部用鉻鎳鉬高合金鋼，這種轉輪一般稱為異材組焊轉輪，采用這種制作方式也可以大幅度地降低生產成本，并使材料物盡其用，達到最佳的使用效果。葉片上部一般用ZG20SiMn，下段用4～6%鎳的13鉻不銹鋼，如加拿大瑪依卡493MW轉輪，美國的蓋太克261MW轉輪，日本的奧多多良木312MW轉輪都是這樣。
對于泥沙含量較高的河流，一般不得不使用鉻鎳鉬不銹鋼來制造整個葉片和轉輪下環，這樣可以延長檢修期，提高水輪機的發電量。我國的長江屬于多泥沙河流，三峽一段年輸沙量高達5.2億噸。據資料介紹葛洲壩水電站由于長江上游夾帶著大量的泥沙(最大實測含量達10.5Kg/M3)造成片葉的磨損和汽蝕，其中3號機組經855小時的運行停機檢查發現葉片正面，背面有不同程度的破壞。這樣迫使水輪機設計師在考慮用于含沙水質工況下采用鉻鎳鉬系不銹鋼，如美國的長斯太依電站的26.1萬千瓦水輪機，該機是日本日立公司制造的，轉輪采用0Cr13Ni5Mo，于1973年投入運轉。法國肖克公司為莫桑比克長色拉巴莎電站制造的41.5萬千瓦葉輪。加拿大瑪林公司為丘吉爾電站制造的47.6萬千瓦轉輪，中國六郎洞電站的1.25萬千瓦轉輪、援阿毛澤東電站的5萬千瓦轉輪、援剛果布1.85萬千瓦轉輪，葛洲壩電站轉輪等等，都是采用鉻鎳鉬系不銹鋼的。
由此可見，轉輪用鋼主要為低合金鋼和鉻鎳鉬系高合金不銹鋼。為適應不同需要采用三種方式制造一、用低合金鋼ZG20DiMn制造整個轉輪，然后在易于汽蝕和磨損的部位堆焊鉻鎳鉬系高合金鋼保護層。
二、采用異材質組焊，如上冠或上冠上半部葉片用ZG20SiMn鑄造，葉片下半部和下環用鉻鎳鉬鋼鑄造，然后組焊在一起。
三、整個轉輪完全用鉻鎳鉬系不銹鋼制造。
鉻鎳鉬系不銹鋼含貴金屬鎳較多，一般是重量的4-6%。鎳含量高，是造成高成本的重要原因之一。
鉻鎳鉬系不銹鋼的性能受鎳含量的影響很大。鎳量低，如4%鎳則σ鐵素體量大，美國A-C公司工廠標準規定σ鐵素體量要小于5%。日本神戶制鋼所的試驗證明σ鐵素體含量超過10%，對強度、塑性、韌性、抗疲勞性有很大損害。因此不希望這類鋼中存在σ鐵素體。但是鎳含量增加，遞變奧氏體量增加，Ni6鋼比Ni5鋼更高，可達30%，因此0Cr13Ni6Mo比0Cr13Ni5Mo的強度、硬度和韌性都低。因此，國外水輪機采用0Cr13Ni6Mo鋼較少，且在近幾年的文獻中也很少見，而大多數采用0Cr13Ni5Mo鋼。日本日立公司用于水輪機的不銹鋼中全部為0Cr13Ni5Mo鋼。日本日立公司在魯布格轉輪投標時說Ni5鋼的各種性能都是最好的。我國葛洲壩電站水輪機轉輪所用的0Cr13Ni6Mo的含鎳量偏下限。另外Ni5鋼比Ni6鋼的成本低。
綜上所述在鉻鎳鉬系不銹鋼中，如果降低鎳含量，則性能變壞。提高鎳的含量，則遞變奧氏體增多，也降低其使用性能，以含鎳5%左右為好，由于金屬鎳的價格過于昂貴，使鉻鎳鉬系不銹鋼的使用受到了一定的限制。
本發明的目的在于提供一種水輪機轉輪用不銹鋼合金，這種不銹鋼合金的抗汽蝕抗泥沙磨損性能將優于目前廣泛使用的鉻鎳鉬系不銹鋼合金，此外，采用這種合金制造水輪機轉輪成本將顯著低于鉻鎳鉬系不銹鋼合金。
本發明提供了用錳、氮代替貴金屬鎳的水輪機轉輪用不銹鋼合金，該合金含有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%，余量為Fe、稀土和雜質元素。優先選擇的合金含有C0.03～0.07%，Cr12～14%，Mn7～9%，N0.05～0.12%，Mo0.4～0.8%，Si0.25～0.6%。
本發明提供的鉻錳氮系不銹鋼生產和熱處理工藝是在感應爐或電爐中熔煉，爐料及砂型要在500℃爐中烘烤。出鋼溫度在1500℃以上。爐襯選用抗高錳鋼液沖刷的材料。對鉻鐵、含氮鉻鐵、金屬錳、低碳錳鐵、軟鋼等中間合金要考慮到燒損量和成份的均勻性。熱處理包括高溫均勻化處理，晶粒細化處理，1000℃正火或油冷，400℃～600℃回火處理。這些處理對亞穩定奧氏體的穩定性和相對量都有重要的調整作用。
用錳、氮取代鉻鎳鉬系不銹鋼中的鎳元素，獲得亞穩定奧氏體的板條馬氏體雙相組織，通過錳、氮含量來控制亞穩定奧氏體的穩定程度，使之在汽蝕和泥沙沖刷磨損條件下發生馬氏體相變和相變誘發塑性，疊加在原馬氏體和奧氏體雙相基體的強韌性之上，來提高鉻錳氮鋼抗汽蝕和泥沙磨損性能。
根據這種技術思想，經過大量的實驗研究，確定了成份配比，使鉻錳氮系不銹鋼的抗汽蝕抗泥沙磨損性能明顯優于鉻鎳鉬鋼，用錳、氮取代鎳，可獲得顯著的經濟效益，同時其綜合性能也比鉻鎳鉬系不銹鋼更為良好。
表1為鉻錳氮系不銹鋼合金成分含量。
表2為CrMnN鋼和0Cr13Ni6Mo鋼性能對比。
圖1為CrMnN鋼和0Cr13Ni6Mo鋼抗汽蝕抗泥沙磨損性能。圖中“△”表示0Cr13Ni6Mo鋼，“.”表示CrMnN鋼，1、2、3表示亞穩奧氏體量的增加。試驗條件振幅70μ，頻率1800HZ，清水加黃河沙。
注1＃、2＃、3＃為爐號按本發明優先選擇含量范圍熔煉的三爐鋼，其抗汽蝕和抗泥沙磨損性能顯著高于0Cr13Ni6Mo不銹鋼，而強度水平滿足國家標準規定的要求，其中1＃、2＃、3＃鉻錳氮不銹鋼的抗拉強度高于0Cr13Ni6Mo，屈服強度1＃和2＃不銹鋼也高于0Cr13Ni6Mo，這表明用錳和氮取代鎳是確實可行的。
在鉻錳氮系不銹鋼中，含鉻12～14%以保證足夠的耐腐蝕性和淬透性，含錳量為7～9%，錳擴大奧氏體相區，降低鋼的馬氏體開始轉變溫度，即Ms點，這樣可以獲得不同穩定程度的奧氏體。氮含量在0.05～0.12%之間，碳含量在0.03～0.07%之間，碳含量高，則有損于焊接性能，低則使強度降低，因此用一定量的氮補足碳造成的強度損失，同時氮也可擴大奧氏體相區、降低Ms點，其作用比錳更為強烈。因此，含氮量的控制是鉻錳氮不銹鋼獲得予期性能的關鍵。鉬的含量為0.4～0.8%，以消除高溫回火脆性。硅的含量為0.25～0.6%。硫磷的含量均小于0.03%。稀土按鋼水重量為0.2%加入，用來細化組織，改善夾雜物的分布和形態。
以錳、氮代替鎳，研制出的鉻錳氮系轉輪用鋼，不僅可以節省金屬鎳，大幅度降低水輪機的轉輪的成本，而且可延長轉輪的檢修周期，因此這種新材料的應用將具有巨大的經濟和社會效益。
權利要求
1.一種水輪機轉輪用鉻錳氮系不銹鋼，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%，余量為Fe和稀土組成。
2.根據權利要求1所述的不銹鋼，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%，余量為Fe和稀土組成。
全文摘要
一種用Mn、N代替Ni的水輪機轉輪用不銹鋼，該合金含有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％，余量為Fe和稀土，優先選擇的合金含C0.03～0.07％，Cr12～14％，Mn7～9％，N0.05～0.12％，Mo0.4～0.8％，Si0.25～0.6％。其抗汽蝕抗泥沙磨損性能優于鉻鎳鉬系不銹鋼，采用這種材料制造水輪機轉輪不僅大幅度降低生產成本，而且延長轉輪的檢修周期，具有巨大的經濟和社會效益。
文檔編號C22C38/38GK1046564SQ9010219
公開日1990年10月31日 申請日期1990年4月20日 優先權日1990年4月20日
發明者鄭煬曾, 荊天輔, 張福成 申請人:東北重型機械學院秦皇島分校