深海机器人紧固件用不锈钢材料 |
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| 申请号 | CN202311565818.3 | 申请日 | 2023-11-22 | 公开(公告)号 | CN117737579A | 公开(公告)日 | 2024-03-22 |
| 申请人 | 重庆材料研究院有限公司; | 发明人 | 张十庆; 李方; 聂尊誉; 赵振; 王宏; 何钦生; 邹兴政; 李万伟; 丁渝红; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种深海 机器人 紧 固件 用不锈 钢 材料，该材料各组分的重量百分含量：C 0.035～0.055％；Ni 6.0～7.9％；Cr 17.0～20.0％；Cu 1.0～2.5％；Mo 0.8～2.0％；N 0.2～0.4％；Si≤1.0％；Mn≤0.7％；P≤0.009％；S≤0.0081％；其余为Fe。本发明所述材料具有优良综合 力 学性能、耐 海 水 腐蚀 、耐 晶间腐蚀 等 耐腐蚀性 能。本发明所述材料与现有的耐蚀 不锈钢 结构材料相比，具有极高的 质量 一致性，优良的力学性能、耐腐蚀性能同时 机械加工 性能良好。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种深海机器人紧固件用不锈钢材料，其特征在于，该材料各组分的重量百分含量： |
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| 说明书全文 | 深海机器人紧固件用不锈钢材料技术领域背景技术[0002] 随着我国对海洋资源的重视，深海耐腐蚀不锈钢材料成为重点开发材料。 [0003] 当前深海机器人紧固件用不锈钢材料普遍存在原材料冶金质量不高、综合性能欠佳、带材尺寸公差不好、表面质量差强人意、批次质量稳定性和一致性差等问题，与国际先进水平相比，尚有较大差距，无法满足深海机器人服役要求。 [0004] 究其原因，主要有以下原因： [0005] (1)成分优化设计与控制能力弱。耐蚀不锈钢成分从NS111到新型系列耐蚀不锈钢材料的发展，已经形成百余个牌号，不锈钢中C、N、Si、Mn及Mo、Cu、Nb等元素对材料的强度、韧塑性和耐蚀性影响巨大，不少企业对其成分设计特别是微合金化不锈钢化是不得其法的,主要原因有的企业业务主要集中在后工序，对材料的基础研究不够；另外很多厂家无法实现全流程生产和工艺调控，原因在于冶炼厂家，没有后续材料制备的能力，后续加工厂家无冶炼设计技术人员。这些因素导致生产的不锈钢材料性能偏低。 [0006] (2)冶金质量控制水平较差。冶金纯净度和成分均匀性是国内外高性能金属材料产品的主要差距之一。国产不锈钢冶金质量差是导致材料性能差、均匀性不好、使用性能差等方面问题的主要原因。另外，尺寸粗大的非金属夹杂物也会对精密带材的性能和质量造成较大影响。 [0007] (3)深海耐蚀不锈钢材料的冷加工技术难度远远高于普通钢材。其涉及到一系列关键工艺技术，包括冷轧板型及尺寸公差控制技术、微缺陷检测及去除技术、保护气氛连续退火技术、高精度轧制技术、组织性能调控热处理技术、精密分条技术等，这需要良好的硬件基础条件，更重要的是有赖于长期的技术积累。 发明内容[0008] 本发明的目的是提供一种深海机器人紧固件用不锈钢材料，所述材料具有优良综合力学性能、耐海水腐蚀、耐晶间腐蚀等耐腐蚀性能。本发明所述材料与现有的耐蚀不锈钢结构材料相比，具有极高的质量一致性，优良的力学性能、耐腐蚀性能同时机械加工性能良好。 [0009] 深海机器人紧固件用不锈钢材料，其各组分的重量百分含量： [0010] C 0.035～0.055％；Ni 6.0～7.9％；Cr 17.0～20.0％；Cu 1.0～2.5％；Mo0.8～2.0％；N 0.2～0.4％；Si≤1.0％；Mn≤0.7％；P≤0.009％；S≤0.0081％；其余为Fe。 [0011] 较好的技术方案是，该材料各组分的重量百分含量： [0012] C 0.043～0.053％；Ni 7.2～7.8％；Cr 17.5～19.5％；Cu 1.5～2.1％；Mo1.0～1.8％；N 0.25～0.35％；Si 0.20～0.4％；Mn 0.2～0.07％；P 0.0078～0.0087％；S 0.0060～0.0081％；其余为Fe。 [0013] 上述不锈钢材料在制备深海机器人紧固件中的应用。 [0015] 1)真空感应熔炼采用2次精炼工艺；第一次精炼在(1530～1560)±5℃的温度下，真空度控制在3～8Pa，精炼10～20分钟；第2次精炼在(1530～1560)±5℃的温度下，真空度‑1控制在1～2×10 Pa以上，精炼10分钟，以控制成分偏析，然后进行电磁搅拌； [0018] 3)电渣重熔获得钢锭 [0020] 4)均匀化热处理 [0021] 锻造前将电渣钢锭均匀化热处理，均匀化热处理1140℃，直径大于200mm的电渣钢锭，按1mm保温时间1.5min确定总的保温时间；对于直径小于200mm电渣钢锭，保温时间为5h。 [0022] 5)加工 [0023] 电渣钢锭经过均匀化热处理、锻造开坯，精整，热轧，冷轧，冷拔等工艺加工棒材、板坯、带材、线材。其中，热加工温度为900℃～1130℃；冷加工过程中需要进行固溶处理以消除冷作硬化，固溶处理制度为保温温度1080℃、保温时间60～100分钟，水淬。 [0024] 对于精密铸件产品则进行真空熔炼，进行真空浇注成所需精密铸件产品。 [0025] 对耐蚀不锈钢材料进行性变+时效处理，稳定组织，形成耐腐蚀不锈钢紧固件元器件如金属软管、垫圈、卡圈；对发明材料带材、箔材进行固溶热处理，通过机械加工、数控加工制作深海机器人用基体、发射装置。 [0026] 本发明所述材料中各元素的作用如下： [0027] 铬Cr是不锈钢的标志性元素，首要作用是提高耐蚀性，使其“不锈”，适量的铬可使不锈钢在多种介质下具有良好的耐蚀性，特别是氧化性环境中的耐蚀性。而Cr、Ni配比恰当时，耐蚀性更忧。但是随着Cr含量增加到一定程度时，不锈钢中会形成金属间化合物比如σ相而对强度和塑性产生不良影响。 [0028] 镍Ni是不锈钢中奥氏体的主要形成元素，具有稳定奥氏体组织、提高不锈钢韧性作用，同时有利于抑制σ、μ、Laves等有害相的析出，既可防止脆性的发生，又可提高金属的稳定性。 [0029] 碳C一方面是强奥氏体形成元素，作用的程度是镍的30倍。同时具有固溶强化作用，微少的含量就能显著增强奥氏体不锈钢的强度；另一方面与铬的亲和力很大，能与铬形成一系列复杂的碳化物，会导致晶界贫铬。因此过高的碳含量虽有利于提高强度，但会极大增强奥氏体的稳定性，使得形变诱发马氏体相变变得困难，同时会加剧晶界贫铬，对晶间腐蚀不利。从强度与耐腐蚀性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的。 [0030] 氮N形成奥氏体的能力与碳相当，同时具有很强的固溶强化作用，可显著提搞奥氏体不锈钢的强度，同时韧塑性并不明显降低；此外氮能提高钢在多种介质中的耐局部腐蚀能力，包括晶间腐蚀、点蚀和缝蚀，因此氮已日益成为铬镍奥氏体不锈钢的重要不锈钢元素。 [0031] 锰Mn在铬镍奥氏体不锈钢中，Mn含量一般规定不超过2％，正常生产中多控制在1.5％左右，Mn是比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈稳定奥氏体的作用。研究表明，钢中Mn含量小于2％时，Mn含量的变化对常用铬镍奥氏体不锈钢的组织(包括奥氏体的稳定性)没有明显的影响。Mn在铬镍奥氏体不锈钢中的作用除脱氧外，一是希望它能稳定奥氏体，二是能改善钢的热塑性，三是借助Mn和S的较强亲和力形成硫化锰，既有利于钢中S的去除，又有利于消除钢中残余S的有害作用。但进一步研究表明，Mn在钢中的存在，正是由于硫化锰的形成，常常导致铬镍奥氏体不锈钢耐氯化物点腐蚀和缝隙腐蚀能力的下降。为了控制不锈钢中硫化锰的形成，确保不锈钢的耐蚀性能，申请人将Mn的含量控制在0.3％以下(Mn＜ 0.3％)。 [0032] 硅(Si)是缩小γ相区元素，一定的硅能起到脱氧、净化不锈钢的作用，但Si含量偏高时，会增加不锈钢材料的脆性，使得材料的加工性能降低，因此在一般不锈钢中通常被当作常存的杂质元素。不过由于Si有利于抵抗氧化性介质的腐蚀而发展出来含硅的不锈钢。 [0033] 铜(Cu)能显著降低铬镍奥氏体不锈钢的冷作硬化倾向，提高冷加工成型性能，同时对耐局部腐蚀性能有益。 [0035] 铌(Nb)的作用:一般耐蚀不锈钢中加入Nb是为了提高不锈钢材料的强度。本发明材料加入少量的铌显著地提高了不锈钢的抗拉强度，提高了不锈钢材料的韧性，耐蚀性，降低不锈钢材料的脆性转变，使不锈钢材料具有良好的焊接性能和成型性能。铌在耐蚀不锈钢材料中一般以少量加入，当铌含量加入超过5％以后，不锈钢材料的热加工性能降低。 [0036] 磷、硫(P、S)在深海耐蚀不锈钢中影响材料的力学性能，应作为有害元素严格控制。 [0037] 本发明的技术效果是： [0038] 发明所述深海机器人紧固件用不锈钢材料是Fe基材料，因此，成本低。所述材料碳在0.04～0.055％窄区间变化，通过调整材料基体Ni、Cr的含量，添加有益的钼、铜、N等不锈钢元素作补充强化手段，得到高强韧性的耐蚀不锈钢。 [0039] 申请人的实验验证：Rm≥700MPa,Rp0.2≥265MPa，A≥45％，Z≥50％，HV≥185；抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2、延伸率A、硬度HV质量一致性Cv≤8％；按GB/T4334.5‑2000《金属和不锈钢的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》规定进行晶间腐蚀试验，试验560h后，结果应无晶间腐蚀产生的裂纹；按GB/T 6384《船舶及海洋工程用金属材料在天然环境中的海水腐蚀试验方法》进行1440小时后，力学性能一致性保持在8％以内；按GB/T10124《金属材料实验‑4室均匀腐蚀全浸试验方法》，试验560h后，腐蚀率R(mm/a)≤2.0×10 ；按GJB150.11《军用设备环境试验方法盐雾试验》中性盐雾试验48h后，腐蚀面积(％)≤3％。 [0040] 因此，本发明所述材料具备高的抗拉强度、屈服强度、延伸率、硬度力学性能一致性、高的抗海水腐蚀率，可以作为深海机器人肌体用结构件材料，也可以用作深海机器人伸展臂发射装置保护材料。该材料可以用作制作板材、棒材、异型丝材、带材、箔材等。 具体实施方式[0041] 实施例1 [0042] 按化学成分(Wt％)C 0.043；Cr 17.79；Ni 7.2；Cu 2.1；Mn0.3；Mo 1.0；Si 0.2；N 0.25，余量Fe控制配料，通过真空熔炼再电渣重熔双联工艺制造获得的钢锭，经热加工、冷加工成板材、带材。制作深海机器人基体用结构件材料。可推广应用于航海、石油化工、机械、汽车行业。 [0043] 实施例2： [0044] 按化学成分(Wt％)C 0.049；Cr 18.22；Ni 7.4；Cu 1.8；Mn0.2；Mo 1.5；Si 0.3；N 0.3，余量Fe控制配料，通过真空熔炼再电渣重熔双联工艺制造获得的钢锭，经热加工、冷加工成精密窄带，然后通过特殊卷制工艺，制作成深海机器人信号保护装置，锁片、垫片等零部件，广泛应用于深海耐腐蚀功能元器件。 [0045] 实施例3： [0046] C 0.053；Cr 19.5；Ni 7.8；Cu 1.5；Mo 1.8；Si 0.4；N 0.35，余量Fe配料,通过真空熔炼再电渣重熔双联工艺制造获得的钢锭，经热加工、冷加工成各种规格丝材、微细丝，制作深海机器人紧固件用不锈钢材料。 [0047] 实施例1‑3所述材料采用真空感应熔炼，再经过电渣重熔双联工艺获得电渣钢锭，经热加工、中间退火处理、冷加工得到棒坯、板坯、带材或线材等： [0048] 1)真空感应熔炼采用2次精炼工艺；第一次精炼在(1530～1560)±5℃的温度下，真空度控制在3～8Pa，精炼10～20分钟；第2次精炼在(1530～1560)±5℃的温度下，真空度‑1控制在1～2×10 Pa以上，精炼10分钟，以控制成分偏析，然后进行电磁搅拌； [0049] 2)浇注重熔电极棒 [0050] 将经过2次真空感应熔炼的钢水采用细流中速均匀浇注，浇注时间为12～18秒，浇注温度控制温度(1530～1560)±5℃，得重熔电极棒；浇注时尽可能做到低温匀速浇注； [0051] 3)电渣重熔获得钢锭 [0052] 采用CaF‑CaO‑Al2O3‑MgF四元渣系进行电渣重熔，进一步脱氧、脱硫，改善夹杂物形态，提高钢锭冶金质量，得到最终的电渣钢锭。 [0053] 4)均匀化热处理 [0054] 锻造前将电渣钢锭均匀化热处理，均匀化热处理1140℃，直径大于200mm的电渣钢锭，按1mm保温时间1.5min确定总的保温时间；对于直径小于200mm电渣钢锭，保温时间为5h。 [0055] 5)加工 [0056] 电渣钢锭经过均匀化热处理、锻造开坯，精整，热轧，冷轧，冷拔等工艺加工棒材、板坯、带材、线材。其中，热加工温度为900℃～1130℃；冷加工过程中需要进行固溶处理以消除冷作硬化，固溶处理制度为保温温度1080℃、保温时间60～100分钟，水淬。 [0057] 本发明钢投料数十炉(每炉30Kg)材料进行性能试验钢的牌号命名为NSSHA(深海耐蚀不锈钢，其中，NSSHA1为实施例1所述材料；NSSHA2为实施例2所述材料；NSSHA3为实施例3所述材料)；其典型化学成分见表1。 [0058] 表1发明钢化学成分wt％ [0059] [0060] 本发明材料耐蚀性试验 [0061] 人工海水均匀腐蚀试验 [0062] 发明材料NSSHA‑1、NSSHA‑2、NSSHA‑3具有良好的耐蚀性，其耐蚀性优于对比材料SUS304、SUS316、NS113。 [0063] 发明材料和对比材料按GB/T4334.5‑2000《金属和不锈钢的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》规定进行晶间腐蚀试验，试验560h后，结果均无晶间腐蚀产生的裂纹。 [0064] 按GB/T 6384《船舶及海洋工程用金属材料在天然环境中的海水腐蚀试验方法》进行1440小时后，固溶后的发明材料及对比材料力学性能变化即质量一致性Cv如表2所示： [0065] 表2 [0066] [0067] 发明材料经过天然海水腐蚀后，力学性能一致性优于其他对比材料。 [0068] 按GB/T10124《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》，试验560h后，发明所述材料与对比材料腐蚀率R(mm/a)如表3所示； [0069] 表3 [0070] [0071] 发明所述材料与对比材料按GJB150.11《军用设备环境试验方法盐雾试验》中性盐雾试验48h后，试验对比结果如4表所示： [0072] 表4试样经24h中性盐雾试验检验结果 [0073] |
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