CN101250674A

CN101250674A - 一种中氮高锰奥氏体不锈钢

Info

Publication number: CN101250674A
Application number: CNA2008100234085A
Authority: CN
Inventors: 袁志钟; 戴起勋; 王安东; 陈康敏; 程晓农
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2008-08-27

Abstract

本发明涉及一种奥氏体不锈钢，特指一种中氮高锰奥氏体不锈钢，其特征在于：按质量分数计算，包含以下组分：0.25～0.45％的N、≤0.10％的C、20.0～26.0％的Mn、0～2.0％的Ni、13.0～19.0％的Cr、≤0.05％的S、≤0.05％的P、≤1.0％的Si、余量为Fe。本发明的奥氏体不锈钢降低了生产成本；该种材料含有一定含量的氮，可以有效地提高奥氏体不锈钢的抗拉强度等力学性能，并具有良好的韧性与加工性能；另外，该种材料耐大气、酸腐蚀能力较强，且镍含量极少，对人体有害作用小，具有良好的生物相容性。

Description

一种中氮高锰奥氏体不锈钢

技术领域

本发明涉及一种奥氏体不锈钢，特指一种中氮高锰奥氏体不锈钢。

背景技术

奥氏体不锈钢是最重要的一类不锈钢，其生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70％，钢号也最多。几十年来，国内外使用最广泛的是镍铬不锈钢。但是这样的不锈钢有两个比较严重的问题。首先是强度、硬度偏低，限制其广泛使用；其次，是由于镍和铬元素的地矿藏量相对较少，所以制取成本高昂。针对第一个问题，人们开展了奥氏体不锈钢中掺杂氮的研究，发现氮可以稳定奥氏体组织，可以提高强度，其作用比碳及其他合金元素强，氮减少奥氏体密排面上不全位错，限制了含间隙杂质原子团的Splintered位错运动；掺杂氮同样可以提高耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀、如晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀。氮作为合金化元素使用最早报道于1938年。由于钢铁冶炼条件的限制。在常压下能加入的氮浓度比较低，因此作用不明显。随着加压冶金技术的发展，氮作为强烈间隙元素，以廉价、易得等特点再次引起人们的注意。仅从1988年到1995年，高氮钢的国际性会议便召开了6次。日前高氮钢的研究在俄罗斯、瑞典、德国、法国和日本等国家迅速发展，给材料学科提供了更加广阔的天地。根据氮在奥氏体不锈钢中的含量，可将含氮奥氏体不锈钢大致分为控氮型(氮含量在0.05％～0.10％)、中氮型(氮含量0.10％～0.40％)和高氮型(氮含量在0.40％以上)3类。国内对控氮型和中氮型奥氏体不锈钢的研究、开发作了大量工作，对高氮型奥氏体不锈钢的研究工作还刚刚开始。针对第二个问题，目前学术界和产业界开展了高锰低镍、高锰无镍钢的研究，首先，该类钢可以极大地降低成本；其次，高的锰含量可以提高氮在奥氏体中的固溶度，氮的溶解度会随合金中铬和锰含量的增加而增大，并随着镍含量的增加而减少。因而用锰取代镍作为主要的奥氏体化合金元素是必然趋势。锰和氮的共同作用，可以稳定奥氏体组织并提高材料的强度，而且其耐蚀性不受影响。最后，降低镍含量可以提高奥氏体不锈钢的生物相容性，扩大该类材料的使用范围。因此，含氮的高锰奥氏体不锈钢将会是新一代奥氏体不锈钢，将会得到越来越广泛的重视。

最近也出现了一些合理降低奥氏体不锈钢中镍成分的设计及专利，如专利号为01111434.7公布的“一种奥氏体不锈钢”，它含有一定量的Mo和Al，具有良好的耐酸碱腐蚀性能，但强度不高。专利号为200410041285.X公布的一种“奥氏体不锈钢”，这种钢虽然降低了镍成分，但是其抗拉强度等力学性能有所减弱。专利号为200510063018.7提到的少镍奥氏体不锈钢含有较低含量的锰，不含氮，因此其抗拉强度等力学性能也较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原料丰富、成本低廉、综合力学性能良好、使用温度范围宽、耐腐蚀性能、生物相容性良好的奥氏体不锈钢。

一种中氮高锰奥氏体不锈钢，其特征在于：按质量分数计算，包含以下组分：0.25～0.45％的N、≤0.10％的C、20.0～26.0％的Mn、0～2.0％的Ni、13.0～19.0％的Cr、≤0.05％的S、≤0.05％的P、≤1.0％的Si、余量为Fe。

优选含量为：

①0.35～0.45％N、≤0.05％C、23.0～25.0％Mn、≤0.5％Ni、13.0～14.0％Cr、≤0.05％S、≤0.05％P、≤1.0％Si、余量为Fe。

②0.30～0.40％N、≤0.05％C、24.0～26.0％Mn、≤1.0％Ni、18.0～19.0％Cr、≤0.05％S、≤0.05％P、≤1.0％Si、余量为Fe。

确定上述主要化学成分范围的理由如下：

1.锰：锰是奥氏体形成元素，具有强烈的稳定奥氏体组织的作用，并且提高氮在钢中的溶解度。在节镍奥氏体不锈钢中，锰是非常重要的合金元素之一，常与镍等元素共同加入到钢中，以节约镍或取代镍。

2.铬：铬是不锈钢中最重要的元素，是钢获得不锈性、抗蚀性的重要元素。本发明的奥氏体不锈钢的铬含量范围既保证钢有良好的不锈耐蚀性能，又保证获得奥氏体组织。

3.镍：镍是强烈的形成、稳定奥氏体组织并扩大奥氏体区的元素。但是镍降低了氮在合金中的溶解度，降低钢的热加工性能，而且恶化钢的生物相容性。因此，本发明的奥氏体不锈钢基本上无镍或含有少量的镍，目的是降低钢的制造成本，并且改善热加工性能，提高生物相容性。

4.氮：氮是非常强烈地形成并稳定奥氏体组织的元素，可以使得钢在低温下也保持奥氏体组织。氮在奥氏体不锈钢中可以代替部分镍，从而降低钢的制造成本。氮属于固溶强化元素，可以提高奥氏体不锈钢的强度但是并不显著损害钢的塑性和韧性。而且，氮的加入可以延缓碳化物的析出，从而使其耐晶间腐蚀性能得到提高。

5.碳：碳在奥氏体不锈钢中是强烈形成、稳定并扩大奥氏体区的元素。但是碳含量过高影响钢的塑性，不利于冷加工，并且降低钢的耐蚀性能。

6.硅：硅是脱氧元素，另外也是提高抗氧化性、耐水蒸汽氧化性等的有效元素。但是硅是强烈的铁素体形成元素，另外，当硅含量超过2％时，会促进金属间化合物在高温情况下的析出，因此为了保护本发明的不锈钢获得奥氏体组织，并且提高奥氏体组织的稳定性，必须限制硅的含量。

7.磷：磷是钢在冶炼过程中极难避免的有害元素，应尽量控制在0.05％(质量分数)以下。

8.硫：硫是钢在冶炼过程中极难避免的有害元素，应尽量控制在0.05％(质量分数)以下。

本发明的奥氏体不锈钢具有以下优点：

1)成本低。本发明的奥氏体不锈钢采用了高锰、中氮的合金成分，其熔炼的原材料可以采用常用的工业电解锰，低碳铬铁，来源充足，价格低廉，成本低于18-8镍铬不锈钢。

2)强度高、韧性好、耐磨损性能好。室温屈服强度(σ_s)大于430MPa，比常用的镍铬不锈钢1Cr18Ni9Ti高60％以上，室温强度极限(σ_b)大于790MPa，比1Cr18Ni9Ti高30％以上。由于氮的加入，极大地提高了钢的强度，并且经过退火，可以得到细小的氮化物析出物，因此，钢的耐磨损性能得到了提高。

3)本合金的延伸率高达40％，具有良好的冷加工性能。

4)本合金具有良好的耐腐蚀性能。尤其在强碱、氧化性酸(如HNO₃)等溶液中的耐全面腐蚀性、耐晶间腐蚀性、抗应力腐蚀开裂等方面具有优良的性能。

5)本合金具有良好的室温疲劳性能，其条件疲劳极限(σ_-1)为341MPa，循环次数大于1×10⁷次。

6)本合金具有优良的低温力学性能和组织稳定性。相变临界点Ms低于77K温度；在低温和超低温下具有高的冲击韧度和高的强度。可在超低温下使用。

具体实施方式

实施例：

材料1(质量分数)：0.44％N、0.05％C、24.62％Mn、0.10％Ni、13.18％Cr、0.01％S、0.01％P、0.57％Si、余Fe。

材料2(质量分数)：0.35N、0.05C、25.10Mn、18.20Cr、0.01％S、0.01％P、0.50Si、余Fe。

两种材料采用真空炉中冶炼，去冒口、及钢锭底部后进行锻造，锻造工艺为：加热温度1100℃，加热2小时，保温半小时，开锻温度1030℃左右，终锻温度950℃以上。然后将两种材料进行固溶处理，温度为1050℃、保温一小时，然后水冷。本发明的奥氏体不锈钢可以根据需要进行铸造或轧制成材，或再锻打。工艺为：加热温度1100℃，加热2小时，保温半小时，开锻温度1030℃左右，终锻温度950℃以上。经锻打成坯，然后经过机械加工成零件。本发明的两实施例的中氮奥氏体不锈钢力学等性能如表1所示。部分对比奥氏体钢的力学性能列于表2，可以看出本发明的奥氏体不锈钢的力学性能得到了很大的提高；其疲劳强度较高，并且在173K下，仍然具有较好的冲击韧性，表2部分对比奥氏体不锈钢材料的力学性能。

本发明的奥氏体不锈钢可以广泛用于机械、农业工程、化工、食品、生物医学、石油煤炭、核工业、建筑、民生用具等领域。

表1中氮奥氏体不锈钢的力学性能

注：材料的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率和断面收缩率的测试采用国家标准GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》；疲劳强度的测试采用国家标准GB/T4337-1984《金属旋转弯曲疲劳试验方法》；(夏比V型缺口)冲击实验采用国家标准GB4159-84《金属低温夏比冲击实验方法》。

表2部分对比奥氏体不锈钢材料的力学性能

材料	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断后延伸率/％	断面收缩率/％
材料	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断后延伸率/％	断面收缩率/％	00Cr18Ni10	180	490	40	60
0Cr18Ni9	200	500	45	60	00Cr18Ni10	180	490	40	60
0Cr18Ni9	200	500	45	60	0Cr19Ni9Ti	200	500	40	55
2Cr18Ni9	220	580	40	55	0Cr19Ni9Ti	200	500	40	55

Claims

1、一种中氮高锰奥氏体不锈钢，其特征在于：按质量分数计算，包含以下组分：0.25～0.45％的N、≤0.10％的C、20.0～26.0％的Mn、0～2.0％的Ni、13.0～19.0％的Cr、≤0.05％的S、≤0.05％的P、≤1.0％的Si、余量为Fe。

2、根据权利要求1所述的一种中氮高锰奥氏体不锈钢，其特征在于：按质量分数计算，包含以下组分：0.35～0.45％N、≤0.05％C、23.0～25.0％Mn、≤0.5％Ni、13.0～14.0％Cr、≤0.05％S、≤0.05％P、≤1.0％Si、余量为Fe。

3、根据权利要求1所述的一种中氮高锰奥氏体不锈钢，其特征在于：按质量分数计算，包含以下组分：0.30～0.40％N、≤0.05％C、24.0～26.0％Mn、≤1.0％Ni、18.0～19.0％Cr、≤0.05％S、≤0.05％P、≤1.0％Si、余量为Fe。

4、根据权利要求2所述的一种中氮高锰奥氏体不锈钢，其特征在于：按质量分数计算，包含以下组分：0.44％N、0.05％C、24.62％Mn、0.10％Ni、13.18％Cr、0.01％S、0.01％P、0.57％Si、余量Fe。

5、根据权利要求3所述的一种中氮高锰奥氏体不锈钢，其特征在于：按质量分数计算，包含以下组分：0.35％N、0.05％C、25.10％Mn、18.20％Cr、0.01％S、0.01％P、0.50Si、余量Fe。