一种抗气蚀磨损水力机械用钢 本发明涉及耐磨耐蚀材料，特别提供了一种抗气蚀抗磨损用钢。
水机(水轮机、水泵)用钢除要求较高的强度、良好的韧塑性、疲劳极限以及制造(冶炼、铸造、锻压、热处理、焊接、机械加工)工艺性外，还要求具有优良的抗空蚀、磨损、磨蚀性能。此外，成本不能太高。目前，水轮机用钢主要有两类：低碳钢、低合金钢，如Z20、30SiMn和0Cr14Ni5Mo系列低碳马氏体钢。后一类钢开始应用已有二十多年，近年来有增加的趋势。三峡前十几台机组水轮机过水部件就选用这类材料制造。0Cr14Ni5Mo用于清水电站的水轮机过水部件可以满足十年一大修的要求，但远远满足不了多泥沙电站水轮机过水部件抗磨蚀的需要。在含沙量较大的青铜峡，其抗磨蚀性能与低碳钢相当。在葛洲坝电厂，15号机运行37000小时后，叶片进水边头部磨蚀量超过16mm，出水边每运行1000小时，叶片平均减薄3.5mm。在建的三峡电站，由于水头高、流速快，水轮机过水部件的磨蚀问题将超过葛洲坝。近年来，国内外水机用钢的研究侧重于对0Cr14Ni5Mo的改进，例如北京钢研总院发展了超低碳的S-135(00Cr14Ni5Mo)，一些单位还发展了16-5及17-4等，只微量调C、Ni、Cr等合金元素，结果收效不太大。
本发明的目的在于提供一种抗气蚀磨损水力机械用钢，其在具有良好的热加工性的同时，具有优良的力学性能、抗磨损性能和优异的抗气蚀性。
本发明提供了一种抗气蚀磨损水力机械用钢，其特征在于钢成分如下(重量百分比)：
C Cr Mn Mo Ni N Fe
0.1～0.45 15～22 10～16 0.5～3.0 1～4 0.1～0.45 余量。
此外，本发明所提供钢中还可含有0.005～0.05的稀土Re。
本发明还提供了上述钢种的两种热处理制度①固溶处理，1050～1160℃，水冷，②固溶加时效1050～1160℃水冷，650～800℃,4～32小时，空冷。
本发明所提供的钢种为奥氏体加少量铁素体地亚稳态奥氏体组织，在硬度相同的情况下，亚稳态奥氏体比马氏体组织抗磨蚀性能好，这是因为(1)亚稳奥氏体在冲击力作用下容易发生马氏体相变，使硬度强度提高，一般可提高80％左右；(2)马氏体相变引起体积增大，表面产生压应力层，这阻止裂纹形核和扩展；(3)奥氏体比马氏体层错能低，容易形成扩展位错，位错运动容易透过晶界，裂纹不易形核；(4)奥氏体晶格滑移系统较多，变形能力比马氏体强，变形引起的强化效果大。总之，本发明提出的将高强度，高韧塑性，低层错能，亚稳态奥氏体不锈钢用于水力机械的研究方案具有新颖性和创造性；在气蚀磨损工况条件下，"表面层自硬化"形成的"外硬里韧"特性使该钢用于水力机械过流部件将大大提高使用寿命；另外，固溶和固溶加时效热处理具有不同的抗磨蚀性能，为不同使用工况多一种选择。此外，本发明所提供的这种组织的钢焊接过程中无马氏体相变，故无冷裂纹可能。虽然奥氏体钢存在焊接热裂纹的可能性，但是由于新钢种以奥氏体为主，含有少量铁素体，铁素体相可使奥氏体相枝晶发展受到限制，从而细化了晶粒，并打乱了枝晶方向。同时铁素体相对S、P有较大的溶解度，使其在晶界的偏析减少，对防止热裂纹有好处。因此新钢种具有良好的抗热裂纹性能。
下面结合实施例详述本发明。
实施例1
用常压感应炉冶炼、铸锭，在1200～900℃温度范围内锻造，并进行适当热处理，加工出抗空蚀磨损及拉力试件。空蚀试验在中国水利水电科学研究院的转盘仪上进行，磨损和磨蚀试验在自制的回转式泥沙磨损试验机上进行，在进行磨蚀试验时，用Φ15mm通孔作空化源，黄河沙含量为110Kg/m2。材料成份及试验结果列于表1。从表1可知，研制的新钢种硬度都比0Cr14Ni5Mo低，约低30％左右，但抗空蚀、磨损和磨蚀性能皆比0Cr14Ni5Mo好。
表1材料 热处理状态 主要成份％ σb σs σ Ar 抗气 抗磨
C Cr Mn Mo Ni N MPa MPa ％ J 蚀性 性新材料1号 1060℃ 1h水冷 0.20 17 13 1.5 2.0 0.25 855 469 62 - 2.0 -新材料2号 1140℃ 1h水冷 0.35 20 12 2.5 3.0 0.35 990 550 60 336 7.5 1.28-1.40新材料2号 1140℃ 1h水冷 0.35 20 12 2.5 3.0 0.35 1035 750 40 - 1.7 1.67
750℃ 10h0Cr13Ni5Mo 1000℃ 空冷 0.04 13.1 0.7 0.7 5.3 - 840 810 19 108 1.0 1.0
580℃ 2h新型抗磨蚀用钢于1994年首次用于三门峡叶片裙边。经两个汛期和一个清水期运行，裙边有一定程度破坏。与0Cr14Nio5Mo喷焊合金粉末相比，抗磨蚀效果要好得多，后者经一个汛期后局部已穿孔。
实施例2
用常压感应炉冶炼、铸锭，1200～900℃温度范围内进行锻造，成份及力学性能见表2。
表2炉号 化学成份％ 力学性能 C Cr Mn Mo Ni N S P Re σb MPa σs MPa σ％1 0.12 17 12 1 2 0.25 ＜0.03 ＜0.03 0.015 810 435 642 0.20 18 12 1.5 2 0.25 ＜0.03 ＜0.03 0.025 855 469 623 0.28 19 12 2.0 2.5 0.28 ＜0.03 ＜0.03 0.025 920 505 614 0.35 19 13 2.5 3.0 0.35 ＜0.03 ＜0.03 0.04 990 550 605 0.40 20 14 2.5 3.0 0.40 ＜0.03 ＜0.03 0.08 1040 610 58