CN100532609C - 一种高氮无镍奥氏体不锈钢的制造方法 - Google Patents

一种高氮无镍奥氏体不锈钢的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可在常压下冶炼制造高氮无镍奥氏体不锈钢的方法。其方法是将精炼待浇注的微碳Cr-Mn基础钢在浇注前或者浇注的同时快速加入高氮合金，并进行快速混合搅拌，再快速将含有未溶或者微溶高氮合金的钢液浇铸成坯料，然后再进行热变形加工和固溶处理，可获得氮含量(wt%)0.6～1.2的单相奥氏体不锈钢。该方法可完全在常压下进行此操作，不需要高压冶炼，生产成本低、效率高，工艺简单、控N准确，可制成各种型材，适合大规模生产。

Description

一种高氮无镍奥氏体不锈钢的制造方法
技术领域
本发明涉及一种不锈钢的冶炼制造方法，特别是涉及一种冶炼制造高氮无镍奥氏体不锈钢的方法。
背景技术
随着Cr(铬)-Ni(镍)奥氏体不锈钢需求迅速增加，Ni资源变得贫乏，其价格也持续攀升，使Ni元素占该类钢成本的60～80％。因此，世界各国着力研发制造以其它元素替代Ni的奥氏体不锈钢。其中，把有益而廉价的元素N(氮)作为取代Ni制造高N无Ni奥氏体不锈钢成为研究的焦点。
目前以N代Ni制造高氮无镍奥氏体不锈钢的难点是N在常压下在钢液中溶解度极低(N含量(wt％)<0.0045)，极难在高温钢液中大量存留，而钢中固溶的N含量(wt％)≥1.2或钢中加入一定量Mn(锰)时N≥0.6，才能全部取代Ni。若在常压下向钢液中加入N合金或者N化物，会使其迅速分解为N2气，在钢液表面逸出，发生“喷发”现象。为提高钢液中的N含量，德国、奥地利、保加利亚等国家实现工作压力在4～20MPa的加压电渣炉设备制备高氮奥氏体不锈钢，可使N加入量最大达到2.1(wt％)。但这一炼钢过程(从冶炼到浇注过程)，需持续在高压力状态下完成，使得这种冶炼技术因工艺与设备复杂、生产成本高及安全隐患大而受到限制。若降低冶炼工作压力，则高氮钢中的氮含量难以提高，一般只能得到N含量(wt％)<0.4的非奥氏体高氮钢。而一项专利申请(02132853.6)中提出，可以采用真空感应炉冶炼并在控制N气氛中分步分批加入氮的合金化合物和脱杂原料，这种合金冶炼方法虽然可以去除杂质，但与冶炼高氮不锈钢的现实相违背，因为在常压或负压或真空状态下的氮化物或者氮合金在钢液中溶解后N会迅速“喷发”溢出，难以得到高含N量钢，只有在高压力状态下才有可能抑制N的溢出。这一点在另一项公开的专利申请(200410022051.0)中可以得到说明，即用低真空(负压)冶炼只能得到N含量在0.0085(wt％)的高氮钢，与高氮高(中)锰奥氏体不锈钢需要≥0.6(wt％)的N含量相差甚远。另外指出，专利申请(02132853.6)中所说的碳(C)、铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)、铜(Cu)等应在奥氏体不锈钢中的含量及固溶处理皆为合金钢原理性常识，且与国外冶炼高氮奥氏体不锈钢的合金成分及后期处理方法相同或相近，因此难以在权利要求中得到支持。
尽管目前需要在高压下冶炼高氮无镍奥氏体不锈钢，而在常压下冶炼难以实现，但本发明提出了一种可以实现在常压下制造高氮无镍奥氏体不锈钢的方法。
发明内容
本发明的目的是要提供一种常压(0.1MPa)下冶炼和制造高氮无镍奥氏体不锈钢的方法。该方法可方便、稳定地获得N含量可控的高质量高氮无镍奥氏体不锈钢。
根据N在常压(0.1Mpa)液态钢中很容易溢出但却难以从结晶态钢中跑出的原理，本发明的关键思路是改变了常规的合金化溶解冶炼加N的方法，而采用在冶炼非氮基础合金钢后，向钢中以加入“变质剂”的非溶解方法加入高氮合金(氮化物或者氮合金)，并在高氮合金未被溶解或微溶解时进行浇注，使高氮合金混合存留在凝固的基础合金钢中。然后通过这种钢的热变形加工和固溶处理，使混合在钢中的高氮合金分解、扩散、固溶于奥氏体中，从而制成了高氮无镍奥氏体不锈钢。这种在常压下制造高氮无镍奥氏体不锈钢的具体方法是：
将精炼待浇注的微碳Cr-Mn基础钢液在浇注前或者浇注的同时快速加入高氮合金，并进行快速混合搅拌，再快速将这种含有未溶或微溶高氮合金的钢液浇铸成钢材，再通过热变形加工和固溶处理把钢材中的高氮合金分解、固溶于奥氏体中。
上述所说的微碳Cr-Mn基础钢液是C≤0.1(wt％)、P与S≤0.01(wt％)，以Cr、Mn为主要合金成分的铁基合金。在微碳Cr-Mn基础钢液中还可少量加入Cu、Mo、Al、Ti、V等有益元素。
上述所说的用含有未溶或微溶高氮合金的钢液浇铸成的钢材是指钢锭或连铸钢坯或有形钢件。
上述所说的微碳Cr-Mn基础钢液在浇注的同时快速加入高氮合金的方法适用于向铸模浇注固定形状钢件的制造；还适用于向结晶器浇注连铸钢坯的制造。即：上述所说的微碳Cr-Mn基础钢液在浇注的同时加入高氮合金的方法可以是把钢液向铸模浇注的同时加入高氮合金；也可以是把钢液向连铸结晶器连续浇入的同时将高氮合金也连续均匀加入。
上述所说的高氮合金是指氮化物或者含氮合金或者是两者的混合物。
上述所说的高氮合金的形状为粒状或条状或片状或上述的混合形状。若在浇注前加入高氮合金，则高氮合金的粒度可按高氮合金成分不同可选择在2～50目之间；若在浇注的同时加入高氮合金，则高氮合金的粒度按高氮合金成分不同可选择在30～300目之间。
上述所说的高氮合金可以是普通造粒方法获得的表面裸露的高氮合金，也可以是表面有包覆材料的高氮合金。高氮合金表面包覆的目的是为了阻止或减缓高氮合金在钢液中的溶解，延长混合时间。
上述所说的包覆材料为纯金属或者合金或者金属化合物。如Fe(铁)、Cr(铬)、Mn(锰)、TiN(氮化钛)等。上述所说的包覆材料可以采用电镀或化学镀或气相沉积的方法获得。
上述所说的快速混合搅拌可以是靠钢液浇注流动搅拌或者电磁搅拌或者吹氩搅拌。
上述所说的浇注前加入高氮合金并进行快速混合搅拌的搅拌时间为5～100s。
上述所说的固溶处理的温度为950～1150℃，保温时间为6～15h。保温时间较长的原因是高氮合金在钢浇注凝固后未溶解或只是微溶于钢中，因此要使高氮合金充分分解、扩散、固溶于奥氏体中则需要较长时间的固溶处理。固溶处理的温度与保温时间还应该根据添加高氮合金成分和粒度来确定。
本发明的优点在于：提供了一种常压下冶炼和制造高氮无镍奥氏体不锈钢方法，冶炼设备要求简单、生产成本低、效率高，工艺简单、控N准确的，便于大规模实际生产。可以获得0.6～1.2(wt％)高含N量的奥氏体不锈钢。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本发明所述高氮无镍奥氏体不锈钢中高氮合金未溶解的金相组织图。
图2是本发明所述高氮无镍奥氏体不锈钢中高氮合金溶解后的金相组织图。
图3是本发明所述高氮无镍奥氏体不锈钢透射电镜(TEM)组织观察图。
图4是本发明所述高氮无镍奥氏体不锈钢TEM电子衍射环图。
具体实施方式
实施例1：
先用感应电炉初炼100kg的Cr-Mn基础钢后进行转炉精炼，调整化学成分为(wt％)：C 0.03；Cr 9；Mn 14；Si 0.58；Mo 1.5；P≤0.02；S≤0.02；余为铁。
将12kg粒度为20目的含63％Cr、8％N的高氮铬铁合金和3kg粒度为80目的氮化铬混合制成高氮合金粉料。
将Cr-Mn基础钢液和配制好的高氮合金混合固料一起浇入20×80mm方形结晶器，同时进行电磁搅拌，快速凝固为钢坯。金相检验如图1所示，可看到条状和球状的未溶解氮化物和高温铁素体。
把钢坯加热到1200℃轧制成板材后进行固溶化处理，固溶化温度为1000℃。其金相检验如图2所示，高氮合金已被完全溶解。再经透射电镜(TEM)组织观察(如图3所示)与电子衍射环(如图4所示)分析，证明为单相奥氏体组织。性能分析表明：其耐腐蚀性明显好于1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢；屈服强度σ0.2≥550Mpa，抗拉强度达σb≥890Mpa，延伸率δ≥40％。成分检验(wt％)：C 0.05；Cr 18；Mn 12；Si 0.46；N 0.78；Mo 1.2；P≤0.02；S≤0.02；余为铁。
实施例2：
精炼100kgCr-Mn基础钢，调整化学成分为(wt％)：C 0.03；Cr 12；Mn 18；Si 0.58；Mo 1.5；P≤0.02；S≤0.02；余为铁。控制钢液温度：1650℃。
向钢液中加入表面镀Cr的高氮铬铁合金粉(50目，63％Cr，8％N)15kg，并电磁搅拌30s后，快速浇入冷却能力高的锭模，快速凝固成钢锭，再如前述进行热轧及固溶处理。成分检验(wt％)：C 0.045；Cr 21；Mn 15；Si 0.42；N 0.93；Mo 1.2；P≤0.02；S≤0.02；余为铁。显微组织为面心立方晶格的单相奥氏体。

Claims (5)

1、一种在常压下制造高氮无镍奥氏体不锈钢的方法，其特征是将精炼待浇注的微碳Cr-Mn基础钢液在浇注前或者浇注的同时快速加入粒状或条状或片状或其混合形状的高氮合金并进行快速混合搅拌，再快速将这种含有未溶或微溶高氮合金的钢液浇铸成钢材，再通过热变形加工和固溶处理将钢材中的高氮合金分解并固溶于奥氏体中，其中：若浇注前加入高氮合金的粒度在2～50目之间，搅拌时间为5～100s，若浇注的同时加入高氮合金的粒度在30～300目之间。
2、如权利要求1所述的方法，其特征是所说的微碳Cr-Mn基础钢液在浇注的同时加入高氮合金的方法是把钢液向铸模浇注的同时加入高氮合金，或者是把钢液向连铸结晶器连续浇入的同时将高氮合金也连续均匀加入。
3、如权利要求1或2所述的方法，其特征是所说的高氮合金是普通造粒方法获得的表面裸露的高氮合金，或者是表面有包覆材料的高氮合金。
4、如权利要求3所述的方法，其特征是所说的包覆材料为纯金属或者合金或者金属化合物。
5、如权利要求1述的方法，其特征是所说的快速混合搅拌是靠钢液浇注流动搅拌或者电磁搅拌或者吹氩搅拌。
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