CN100554480C

CN100554480C - 铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢

Info

Publication number: CN100554480C
Application number: CNB2007101343210A
Authority: CN
Inventors: 方荣华
Original assignee: JIANGSU FANGTONG NEW TYPE STAINLESS STEEL PRODUCTS CO Ltd
Current assignee: Jiangsu Fangtong New Type Stainless Steel Products Co., Ltd.
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2027-10-10
Also published as: CN101148740A

Abstract

本发明公开了一种铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢，其成分质量百分比为：C0.06-0.11，Mn14-19，Si0-3，P≤0.054，S≤0.03，Cr16-18，N0.1-0.4，Cu1.0-2.5，Mo0.18-0.85，Ni0-2，Re0-0.22，余铁和不可避免杂质。该铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢的强度、塑韧性及耐蚀耐磨性能均能达到或优于国标304奥氏体不锈钢，其化学成分中含镍又低或不含镍，生产成本低。

Description

铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢

技术领域

本发明涉及奥氏体不锈钢，特别涉及一种铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢，该钢种用来替代传统的18-8型奥氏体不锈钢。

背景技术

18-8系列奥氏体不锈钢，如1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9等是传统的奥氏体不锈钢，俗称“304”，该系列钢因其良好的耐腐性能、热加工性能、冷加工性能及综合机械性能，在生产上得到广泛稳定的长期应用。但是该钢种由于含有较高的贵金属Ni，产品价格十分昂贵，加之Ni资源在全世界非常紧缺，再该钢种的自身强度偏低，抗磨损腐蚀能力较小。因而限制了更广泛的运用空间及诸多的应用领域。因此，开发一种节镍型、能替代传统18-8型奥氏体不锈钢钢种具有无限的现实意义及历史意义，然而至今为止，能在耐腐蚀性能、耐磨损耐腐蚀性能、综合机械性能及加工性能上超过传统18-8型(304)的节镍不锈钢钢种尚未见有报道。以节镍为主，部分用途可取代最常用的奥氏体不锈钢ASTM304或SUS304，开发综合性能与304相近的奥氏体不锈钢材料，近几年在国内非常热门，如201不锈钢。201不锈钢是一种节镍型的不锈钢，市场上大量使用的201材料中含有较高的碳和偏低的铬，其耐腐蚀性也远不如304牌号。例如一种节镍型不锈钢，C≤0.10％，Si≤0.8％，8.5％＜Mn＜10.0％，Cr14-15％，Ni≤1.2％，P≤0.05％，S≤0.03％，N≤0.20％，其余为铁。铬含量低，加上太低的镍，耐腐蚀性能即便是在弱腐蚀环境下也不如常用的奥氏体不锈钢；尽管用量很大，但这类钢耐腐蚀性差一直是比较严重棘手的质量问题。腐蚀、磨损和疲劳断裂是金属材料在使用过程中导致功能失效最主要的原因，所以在对材料的保护要求有静态腐蚀、动态腐蚀(磨损腐蚀)。材料磨损腐蚀分磨粒磨损、表面疲劳磨损、微动磨损、空泡腐蚀及多相流腐蚀与应力腐蚀、冲刷腐蚀，磨蚀磨损或磨损腐蚀，简称磨蚀。铬锰氮系列不锈钢(以下简称200系钢)以Mn-N代Ni，材料成本显著降低，性能也出现一系列变化，降低Ni后，为了保证奥氏体组织必须有足够高的Mn、C和N来增加镍当量，因此造成铬锰氮系列不锈钢具有下列问题：(1)固溶处理后的抗拉强度偏高，一般为800-1100MPa；(2)冷加工硬化率急剧上升，冷加工强化系数K＞15，加工难度大，过程成本增加；(3)200系钢弯曲成形、冷镦和冲压性能较差；(4)传统的200系钢对晶间腐蚀很敏感，而且加稳定化元素也无法改变其敏感性；(5)200系钢使用性能研究数据缺乏。200系钢由于其稳定奥氏体元素含量比304相对要高，抗磁性能优于304，这类钢存在的问题较多，主要是成份设计不太科学合理，在这类钢种，有的不含镍，但其强度偏高，延伸率较低，冷加工硬化指数高，冷轧成材率低，耐蚀性能差等等缺点，故其应用也受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种综合机械性能、耐腐蚀性能、塑韧性、耐磨性能优于国标304奥氏体不锈钢水平，在化学成份中含镍又低或不含镍的节镍型铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢。

针对上述目的，本发明的技术方案通过对合金元素与相平衡及冷变形马氏体转变温度点关系的计算，通过研究合金元素对节镍型奥氏体含稀土不锈钢各种性能的影响，并通过微合金化，来提高钢的各项性能，在此基础上科学地设计了钢种的化学成份。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢，其成分质量百分比为：0.06≤C＜0.10，Mn14-19，Si0-3，P≤0.054，S≤0.03，Cr16-18，0.1≤N＜0.2，Cu1.0-2.5，Mo0.18-0.85，Ni0-2，Re0-0.22，余铁和不可避免杂质。

所述的铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢还含钛，其质量百分比为：0-0.8。

所述的铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢还含铌，其质量百分比为：0-1。

所述的铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢还含钒，其质量百分比为：0-2。

本发明的设计思路是降碳、镍，保证必要的铬含量，以确保其耐腐蚀性能和降低生产成本；选择合适的氮含量，加一定量的锰、铜、硅、钼和稀土元素，以稳定组织和改善性能；进行相平衡计算和成分设计，并逐步优化成分，开发综合机械性能、耐腐蚀性能、塑韧性、耐磨性能优于国标304奥氏体不锈钢水平的奥氏体不锈钢新钢种。

铬，是奥氏体不锈钢中最主要的合金元素。奥氏体不锈钢的不锈性和耐蚀性的获得是由于在介质作用下，铬促进了钢的钝化并使钢保持稳定钝态的结果。铬对奥氏体不锈钢性能影响最大的是耐蚀性，主要表现在铬提高钢的耐氧化性介质和酸性氯化物介质的性能；铬还提高钢耐局部腐蚀，比如晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀以及某些条件下应力腐蚀的性能；因此钢中的铬含量不能过低，要求控制在16-18％之间；铬、铜和钼的配合使不锈钢的耐蚀性能有极大的提高。

碳，是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区的元素。碳形成奥氏体的能力约为镍的30倍，对不锈钢而言，碳是一种有害元素，这主要是由于在不锈和耐蚀用途中的一些条件下，如焊接或450-850度加热，碳与钢中的铬形成高铬的碳化物Cr₂₃C₆，使钢的耐腐蚀性能特别是耐晶间腐蚀性能下降；因此在设计成分时，始终把降低碳含量作为衡量其耐腐蚀性能好坏的重要指标，但碳控制过低如C＜0.06％，会影响单一奥氏体组织的稳定性及增加冶炼工艺成本，故控制碳在0.06％≤C＜0.10％范围。

硅元素的加入有脱氧效果，当硅以固溶态的形式存在时，他可以提高基体的屈服强度，但会使材料的韧脆转变温度提高，同时可在钢的表面上形成致密的SiO₂膜，阻碍酸向钢内部进一步侵蚀，对提高钢在高浓度硝酸中的耐蚀性尤为有效，含硅量过高使钢度变形困难。所以将其含量按0-3％范围控制。

氮，是非常强烈地形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素，其形成奥氏体的能力与碳相当，约为镍的30倍。氮的作用除代替部分镍以节约贵重元素外，主要是作为固溶强化元素提高奥氏体不锈钢的强度，但并不显著损害钢的塑性和韧性；同时氮提高钢的耐腐蚀性能，特别是耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等；基于氮这些优良的特性，设计时氮含量控制在0.1≤N＜0.2范围，根据碳、锰含量作相应调整。

锰，是弱形成奥氏体元素，但具有强烈稳定奥氏体的作用；锰还可增加氮在奥氏体钢中的溶解度，故200系不锈钢一般氮高锰也高；但随着锰元素的提高强度也提高，因此在确保氮充分溶解的前提下，设计锰含量在14-19％。为保证奥氏体组织，降低马氏体变形温度，成分控制按：碳取上限时，锰、氮取中下限；碳在下限时，锰与氮取中上限。

铜，在奥氏体不锈钢中的作用，能显著降低钢的冷作硬化倾向，能显著降低的热加工性，特别是当奥氏体不锈钢中镍含量较低时更为明显；能提高冷加工成形性能，进一步提高含钼奥氏体不锈钢在还原性介质中的耐蚀性，可使铬镍奥氏体不锈钢的室温强度降低，塑性提高；而且铜也是弱奥氏体形成元素。但是，现有201不锈钢不含铜，在改善201不锈钢综合性能方面，铜起着举足轻重的作用，因此设计时，铜控制在1.0-2.5％的范围，铜过高会影响钢的强度和奥氏体钢的耐点蚀、耐应力腐蚀性能。

镍，是奥氏体不锈钢的最主要元素，它的主要作用是形成并稳定奥氏体组织，它促进铬的钝化，其本身不是耐腐蚀元素。但镍可改善冷热加工性能，使强度、塑性和韧性很好的配合，其价格也是十分昂贵的，故明确Ni含量按0-2％范围控制，尽可能靠近下限，因为镍含量越高，成本越高。成分控制按：镍取上限时，锰、铜取中下限；镍在下限时，锰与铜取中上限。

铝，在奥氏体不锈钢中的作用，提高不锈钢的耐腐蚀性能，提高钢在低温下的韧性、抗氧化性，但铝含量小于4％时，钢的耐腐蚀性能不明显，铝含量提高，钢的耐腐蚀性能也随之提高，但热加工性能变差，在扎制、锻造时易开裂，其含量按4-5％范围控制；加铝时，硅取中上限。

钛和铌作为稳定钢中碳的元素，优先与碳结合形成TiC或NbC，减少M₂₃C₆的形成，达到防止敏化态晶间腐蚀的目的；钛和铌在钢中能形成金属间相，可提高不锈钢的强度。

钒使钢能耐盐酸、稀硫酸、碱溶液和海水的腐蚀，钼能进一步提高不锈钢对硫酸或还原性介质的耐腐蚀性能。

微量稀土元素不仅能净化钢液，而且能细化钢的凝固组织，改变夹杂物的性质、形态和分布，从而提高钢的各项性能。稀土能增加碳的溶解度，抑制以M(Cr)₂₃C₆型为主的富铬α相的析出，细化α相，使α相的腐蚀过程和电化学过程特征显著得到改善；稀土是表面活性元素，富集于晶界，可提高晶界的洁净度；稀土又是局域弱化的强抑制剂，可改善了钢的延塑性和韧性等。稀土对热轧板硬化指数、强度、韧性的影响；材料的强度、韧性、硬化指数是决定热轧板冷轧性能以及材料深冲性能的关键，适当的降低热轧板的硬度、提高材料的韧性可以提高冷轧板加工的单道次压下量，减少碎边现象的出现；而适当地调节材料的强度、硬化指数使之达到合理的匹配可以提高冷轧板的深冲性能，降低产品的材料消耗，减少工艺环节，节约生产工艺成本。稀土的添加具有明显的效果，使得韧性、硬化指数得到了提高，材料的强度降低，为生产的工艺改进提供了理论指导。本发明稀土元素控制在0-0.22％的范围，以真正实现节镍，同时叉保证性能优良的目的。

在钢种成分设计中，还考虑了铬、镍当量相平衡及马氏体转变温度的计算。

铬、镍当量相平衡及马氏体转变温度的计算如下：

铬当量％Creq＝％Cr+％Mo+1.5X％Si+0.5X％Nb

镍当量％Nieq＝％Ni+30X(％C+％N)+0.5X％Mn+0.3X％Cu

冷却中马氏体开始转变温度点：

Ms(℃)＝1305-61.1(％Ni)-41.7(％Cr)-33.3(％Mn)-27.8(％Si)-1667(％C+％N)

冷变形诱发马氏体转变温度点：

Md30(℃)＝413-9.5(％Ni)-13.7(％Cr)-8.1(％Mn)-9.2(％Si)-462(％C+％N)

以上公式主要用于设计成分时，确保合适的镍当量和铬当量，当镍当量一定时，铬当量偏低就会发生较多的马氏体转变；铬当量偏高就会产生多余的铁素体。同时对冷加工控制参数Md30以及Ms进行测算，希望控制在较低的马氏体转变温度点。通过相关研究计算表明，本发明钢种落在不锈钢组织相图的奥氏体区间内。

本发明铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢与传统18-8型(304)相比有以下特点：

◆本发明铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢是一种节镍的钢种，它可以节镍80-100％，大大降低了不锈钢产品的成本，更节约了紧缺的金属资源。

◆本发明铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢有着良好的力学性能。它的屈服强度、抗拉强度、耐蚀耐磨性能都优于传统18-8型(304)钢种，更让人们惊喜的是它的塑性、韧性优良，延展率指标高出传统18-8型(304)50％以上。

本发明铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢可达到如下常规力学性能：屈服强度300-450MPa，抗拉强度700-800MPa，延伸率δ大于50％。本发明力学性能、塑性、韧性和耐蚀耐磨性能优于国标304，按GB/T6461-2002方法评定，铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢式样的保护等级为9级，本发明综合性能良好，可实现节镍降低成本，可替代国标304奥氏体不锈钢。

具体实施方式

实施例1：

一种铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢，其成分质量百分比为：C0.11，Mn16.88，Si0.39，P0.054，S0.003，Cr16.05，N0.16，Cu1.65，Mo0.25，Ni1.08，Re0.044，余铁和不可避免杂质，其屈服强度375MPa，抗拉强度700MPa，延伸率δ54.5％。按GB/T10125-1997试验方法，试样在5％NaCl，温度(35±2)℃，PH6.5-7.2条件下进行24小时连续喷雾试验；按GB/T6461-2002方法评定，铬锰钢钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢式样的保护等级为9.5级；按GB/T4334.5-2000试验方法，试样在硫酸-硫酸铜溶液中进行16沸腾试验，经检验，铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢丝无晶间腐蚀倾向。

实施例2：

一种铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢，其成分质量百分比为：C0.10，Mn14.48，Si0.70，P0.020，S0.007，Cr16.28，N0.18，Cu1.50，Mo0.18，Ni0.40，Nb0.095，Re0.005，余铁和不可避免杂质，其屈服强度440MPa，抗拉强度770MPa，延伸率δ61.5％。按GB/T10125-1997试验方法，试样在5％NaCl，温度(35±2)℃，PH6.5-7.2条件下进行24小时连续喷雾试验；按GB/T6461-2002方法评定，铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢式样的保护等级为9级；按GB/T4334.5-2000试验方法，试样在硫酸-硫酸铜溶液中进行16小时沸腾试验，经检验，铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢丝无晶间腐蚀倾向。

实施例3：

一种铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢，其成分质量百分比为：C0.09，Mn17.16，Si0.69，P0.034，S0.003，Cr16.85，N0.26，Cu2.10，Mo0.85，Ni0.88，Re0.06，余铁和不可避免杂质，其屈服强度380MPa，抗拉强度700MPa，延伸率δ54.5％。按GB/T10125-1997试验方法，试样在5％NaCl，温度(35±2)℃，PH6.5-7.2条件下进行24小时连续喷雾试验；按GB/T6461-2002方法评定，铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢式样的保护等级为9.5级；按GB/T4334.5-2000试验方法，试样在硫酸-硫酸铜溶液中进行16小时沸腾试验，经检验，铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢丝无晶间腐蚀倾向。

实施例4：

一种铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢，其成分质量百分比为：C0.08，Mn16.38，Si1.70，P0.020，S0.007，Cr17.68，N0.26，Cu1.90，Mo0.72，Ni0.30，Nb0.12，Re0.015，余铁和不可避免杂质，其屈服强度425MPa，抗拉强度765MPa，延伸率δ70.0％。按GB/T10125-1997试验方法，试样在5％NaCl，温度(35±2)℃，PH6.5-7.2条件下进行24小时连续喷雾试验；按GB/T6461-2002方法评定，铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢式样的保护等级为9级；按GB/T4334.5-2000试验方法，试样在硫酸-硫酸铜溶液中进行16小时沸腾试验，经检验，铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢丝无晶间腐蚀倾向。

Claims

1、铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢，其成分质量百分比为：0.06≤C＜0.10，Mn 14-19，Si 0-3，P≤0.054，S≤0.03，Cr 16-18，0.1≤N＜0.2，Cu 1.0-2.5，Mo 0.18-0.85，Ni 0-2，Re 0-0.22，余铁和不可避免杂质。

2、根据权利要求1所述的铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢，其特征在于：它还含钛，其质量百分比为：0-0.8。

3、根据权利要求1或2所述的铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢，其特征在于：它还含铌，其质量百分比为：0-1。

4、根据权利要求1或2所述的铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢，其特征在于：它还含钒，其质量百分比为：0-2。

5、根据权利要求3所述的铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢，其特征在于：它还含钒，其质量百分比为：0-2。