CN101294258B - 一种低铬高纯铁素体不锈钢及其制造方法 - Google Patents
一种低铬高纯铁素体不锈钢及其制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种低铬高纯铁素体不锈钢及其制造方法，其主要特征为通过加入一定量的稀土合金、并通过控制较低的C、N和Cr元素的含量，进而在冶炼和浇铸过程中，控制加入稀土合金前钢液的全氧含量≤150ppm，以及稀土合金加入钢液中的加入和搅拌时间≤50秒，通过铸锭开坯、热轧、冷轧、退火酸洗工序生产出一种含有稀土的低铬高纯铁素体不锈钢，与原有SUH409L相比，其抗高温氧化性能更好，可用于汽车排气系统等抗高温氧化性能部件或其它耐热器具。
Description
技术领域
本发明属于不锈钢生产制造领域，尤其涉及一种低铬高纯铁素体不锈钢及其制造方法。
背景技术
铁素体不锈钢，特别是C、N含量较低的低Cr系高纯或超纯铁素体不锈钢越来越多地受到青睐，这是因为它与传统的C、N含量较高的铁素体不锈钢相比，耐腐蚀性能和加工成形性能都有很大程度的提高，在许多应用场合其综合性能不亚于含镍的奥氏体不锈钢。在这一类铁素体不锈钢中，较为典型的牌号是SUH409L铁素体不锈钢，可用于制作较高温度环境条件下(750℃以下)使用的汽车排气系统等部件，但其抗高温氧化性能则嫌不足，造成部件使用寿命短。目前提高钢的抗高温氧化性，延长产品使用寿命的方法，通常采用提高铬和添加贵重金属，使用高铬含铝、钼、钛、镍、铌、钒等合金的耐热不锈钢。
发明内容
本发明的要解决的技术问题是提供一种含有稀土的低铬高纯铁素体不锈钢及其制造方法，从而生产出的不锈钢产品具备良好的抗高温氧化性能。
本发明的技术方案为，一种低铬高纯铁素体不锈钢，其化学成分的重量百分配比为：C≤0.02、N≤0.02、Si≤0.50、Mn≤0.50、P≤0.03、S≤0.02、Cr 10.5-11.75、Ti≤0.30、Nb≤0.40、O≤0.015、稀土0.01～0.20，余量Fe及不可避免的杂质。
碳和氮，铁素体中碳和氮，除了能使钢强化外，铁素体不锈钢的所有缺点，例如，脆性转变温度高，缺口敏感性大，焊后耐蚀性下降等都与钢中的碳、氮有关，碳和氮之所以没有办法完全避免是因为大气中含有很高的氮，且炼钢用原材料铬、废钢等中也含有碳，在冶炼过程中虽然能够去除部分和大部分去除碳和氮，但若要完全去除则是非常困难的，且钢中碳、氮越低，铁素体不锈钢起皱现象越严重。综合考虑，控制(C+N)≤0.04％。
硅、锰等是不锈钢中不可缺少的合金元素，可作为脱氧元素，为了提高不锈钢液的纯净度，提高冷轧板带的表面质量，本发明中，保持Si≤0.50％，Mn≤0.50％。
铬是使铁素体不锈钢具有铁素体组织并具有良好耐腐蚀性的合金元素。铁素体不锈钢在氧化性介质中，铬能使不锈钢的表面上迅速生成氧化铬(Cr2O3)的钝化膜。铁素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。铬对铁素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。本发明属于低铬级别高纯铁素体不锈钢，铬保持在10.5-11.75％。
钛和铌均为铁素体形成元素，适量的钛和铌可使不锈钢中铬的碳、氮化物转而形成钛、铌的的碳、氮化物并细化铁素体不锈钢的晶粒，提高铁素体不锈钢的耐晶间腐蚀性能。综合考虑钛、铌合金元素的影响，本保持Ti≤0.30％，Nb≤0.40％。
除了碳、氮外，含稀土铁素体不锈钢中氧含量，不仅对韧性有影响，且使钢的脆性转变温度升高。更重要的是为了有效发挥稀土元素的作用，氧含量严格要求控制在O≤0.015％。
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，可改善钢的延塑性、韧性和腐蚀性能等。本发明中将稀土元素控制在0.01-0.20％的范围，以添加微量的稀土元素获得具有良好抗高温氧化性能的低碳氮高纯铁素体不锈钢，可根据使用要求适量选择稀土含量。
优选地，所述Ti、Nb、C和N的含量满足如下关系：％Ti+％Nb＞10(％C+％N)。
所述的一种高纯铁素体不锈钢的制造方法，包含如下步骤：
1、冶炼和浇铸
可在真空感应炉、电弧炉+炉外精炼，转炉+炉外精炼中任一种冶炼工艺进行冶炼。在冶炼中严格控制加入稀土合金前钢液的全氧含量，要求全氧含量≤150ppm，过高的全氧含量将会导致加入的稀土合金的严重氧化，对产品的纯净度和抗皱性产生不利影响；并在出钢浇铸前加入稀土合金，即稀土合金加入后立即浇铸，严格控制稀土合金加入后和浇钢之间的时间为≤50秒，即稀土合金加入钢液中的加入和搅拌时间，要求控制在≤50秒，过长的间隔时间将会导致稀土合金的氧化。
浇铸温度控制在1540±20℃。浇铸温度过高，难以实现等轴晶比例的控制，浇铸温度过低，容易导致钢液提前凝固而不能浇铸。
本发明也同样适用于大生产转炉-炉外精炼-连铸、电炉-炉外精炼-连铸工艺，采用连铸时，可用现有的SUH409L铁素体不锈钢的连铸工艺。
2、铸锭或铸坯开坯
铸锭或铸坯可采用锻造开坯，锻造开坯时，铸锭或铸坯的加热温度为1000-1100℃，优选温度为1050-1080℃，终锻温度不低于900℃，缓冷。过高的加热温度将导致铸锭或铸坯的晶粒粗化，劣化最终产品的综合性能，过低的加热温度将导致变形抗力的增大而不利于锻打过程的顺利完成。
3、热轧
铸锭或铸坯开坯后根据用户要求的钢材规格，进行热轧，钢材坯料的加热温度为1000-1100℃，优选1040-1080℃；终轧温度控制在800-900℃，优选840-880℃，空冷。过高的加热温度将导致铸锭或铸坯的晶粒粗化，劣化最终产品的综合性能，过低的加热温度将导致变形抗力的增大而不利于热轧过程的顺利完成。过高的终轧温度容易消耗热轧带钢的形变储能，导致最终产品抗皱性能的下降，过低的终轧温度将导致变形抗力的增大而不利于热轧过程的顺利完成。
4、热轧后退火酸洗
热轧后的板带采用连续退火酸洗，退火温度保持为850～950℃，优选850～900℃，保温时间不低于1分钟。通过热轧板带的连续退火酸洗工艺即可保证其良好的抗高温氧化性能及综合性能。退火温度过高，容易导致再结晶晶粒的粗化，从而劣化最终产品的综合性能，退火温度过低或者保温时间过短，不能实现热轧带钢的完全再结晶，也将劣化最终产品的综合性能。
5、冷轧
累计冷轧压下率≥65％，优选≥70％。如果累计冷轧压下率过低，将导致最终产品综合性能的下降。
6、冷轧后退火酸洗
冷轧后的退火酸洗处理中，退火温度保持为850～950℃，优选850～900℃，处理时间为1t-20t min，t为材料厚度(单位为mm)为退火时冷轧板带的厚度。退火温度过高，容易导致再结晶晶粒的粗化，从而劣化最终产品的综合性能，退火温度过低，不能实现冷轧带钢的完全再结晶，也将劣化最终产品的综合性能。保温时间过长，容易导致再结晶晶粒的粗化，从而劣化最终产品的抗皱性能，保温时间过短，同样不能实现冷轧带钢的完全再结晶。
优选地，所述步骤2铸锭或铸坯开坯过程中还可以对铸锭或铸坯采用连铸连轧工艺。
优选地，所述步骤5冷轧过程中，在退火酸洗后至获得冷轧成品之间，可采用二个轧程。
本发明与现有SUH409L相比，抗高温氧化性能较好，可用于汽车排气系统等抗高温氧化性能部件或其它耐热器具等。
附图说明
图1为实施例3与对比例SUH409L抗高温氧化性能对比示意图。
具体实施方式
实施例1-5的不锈钢的化学成分重量百分配比如下表所列：
| 实施例 | C | N | Si | Mn | P | S | Cr | Ti | Nb | O | Re | Fe |
| 1 | 0.020 | 0.020 | 0.50 | 0.50 | 0.03 | 0.02 | 11.75 | 0.30 | 0.40 | 0.015 | 0.200 | 余量 |
| 2 | 0.018 | 0.014 | 0.28 | 0.35 | 0.03 | 0.02 | 11.16 | 0.25 | 0.35 | 0.012 | 0.183 | 余量 |
| 3 | 0.015 | 0.015 | 0.24 | 0.30 | 0.03 | 0.02 | 10.88 | 0.22 | 0.31 | 0.015 | 0.018 | 余量 |
| 4 | 0.014 | 0.012 | 0.31 | 0.38 | 0.03 | 0.02 | 10.65 | 0.20 | 0.30 | 0.014 | 0.015 | 余量 |
| 5 | 0.010 | 0.011 | 0.21 | 0.31 | 0.03 | 0.02 | 10.50 | 0.18 | 0.28 | 0.015 | 0.010 | 余量 |
实施例1
1、冶炼和浇铸
控制稀土合金加入后和浇钢之间的时间为50秒，浇铸温度控制在1550℃，加入稀土合金，获得稀土元素含量为0.200％的铸锭或铸坯。
2、铸锭或铸坯开坯
铸锭或铸坯可采用锻造开坯或连铸连轧，采用锻造开坯时，铸锭或铸坯的加热温度为1100℃，终锻温度950℃，缓冷。
3、热轧
铸锭或铸坯开坯后加热到1100℃，轧成厚度为4.0mm的热轧板带，终轧温度为900℃，空冷。
4、热轧后退火酸洗
热轧后的板带采用连续退火酸洗，退火温度保持为950℃，保温时间2分钟。
5、冷轧
将连续退火酸洗后的热轧板带进行一个轧程的冷轧，冷轧压下率为84％，冷轧成0.64mm的冷轧板带。
6、冷轧后退火酸洗
冷轧后的退火酸洗处理中，退火温度保持为950℃，处理时间为1min。
实施例2
1、冶炼和浇铸
控制稀土合金加入后和浇钢之间的时间为40秒，浇铸温度控制在1545℃，加入稀土合金，获得稀土元素含量为0.183％的铸锭或铸坯。
2、铸锭或铸坯开坯
铸锭或铸坯可采用锻造开坯或连铸连轧，采用锻造开坯时，铸锭或铸坯的加热温度为1080℃，终锻温度950℃，缓冷。
3、热轧
铸锭或铸坯开坯后加热到1080℃，轧成厚度为4.0mm的热轧板带，终轧温度为870℃，空冷。
4、热轧后退火酸洗
热轧后的板带采用连续退火酸洗，退火温度保持为920℃，保温时间3分钟。
5、冷轧
将连续退火酸洗后的热轧板带进行一个轧程的冷轧，冷轧压下率为86％，冷轧成0.56mm的冷轧板带。
6、冷轧后退火酸洗
冷轧后的退火酸洗处理中，退火温度保持为920℃，处理时间为1min.。
实施例3
1、冶炼和浇铸
控制稀土合金加入后和浇钢之间的时间为30秒，浇铸温度控制在1540℃，加入稀土合金，获得稀土元素含量为0.018％的铸锭或铸坯。
2、铸锭或铸坯开坯
铸锭或铸坯可采用锻造开坯或连铸连轧，采用锻造开坯时，铸锭或铸坯的加热温度为1050℃，终锻温度950℃，缓冷。
3、热轧
铸锭或铸坯开坯后加热到1050℃，轧成厚度为4.0mm的热轧板带，终轧温度为850℃，空冷。
4、热轧后退火酸洗
热轧后的板带采用连续退火酸洗，退火温度保持为900℃，保温时间5分钟。
5、冷轧
将连续退火酸洗后的热轧板带进行二个轧程的冷轧，冷轧累计压下率为85％，冷轧成0.6mm的冷轧板带。
6、冷轧后退火酸洗
冷轧后的退火酸洗处理中，退火温度保持为900℃，处理时间为1.5min。
实施例4
1、冶炼和浇铸
控制稀土合金加入后和浇钢之间的时间为20秒，浇铸温度控制在1535℃，加入稀土合金，获得稀土元素含量为0.015％的铸锭或铸坯。
2、铸锭或铸坯开坯
铸锭或铸坯可采用锻造开坯或连铸连轧，采用锻造开坯时，铸锭或铸坯的加热温度为1030℃，终锻温度900℃，缓冷。
3、热轧
铸锭或铸坯开坯后加热到1030℃，轧成厚度为3.0mm的热轧板带，终轧温度为830℃，空冷。
4、热轧后退火酸洗
热轧后的板带采用连续退火酸洗，退火温度保持为870℃，保温时间7分钟。
5、冷轧
将连续退火酸洗后的热轧板带进行一个轧程的冷轧，冷轧压下率为83％，冷轧成0.51mm的冷轧板带。
6、冷轧后退火酸洗
冷轧后的退火酸洗处理中，退火温度保持为870℃，处理时间为2min。
实施例5
1、冶炼和浇铸
控制稀土合金加入后和浇钢之间的时间为20秒，浇铸温度控制在1530℃，加入稀土合金，获得稀土元素含量为0.010％的铸锭或铸坯。
2、铸锭或铸坯开坯
铸锭或铸坯可采用锻造开坯或连铸连轧，采用锻造开坯时，铸锭或铸坯的加热温度为1000℃，终锻温度950℃，缓冷。
3、热轧
铸锭或铸坯开坯后加热到1000℃，轧成厚度为3.0mm的热轧板带，终轧温度为800℃，空冷。
4、热轧后退火酸洗
热轧后的板带采用连续退火酸洗，退火温度保持为850℃，保温时间10分钟。
5、冷轧
将连续退火酸洗后的热轧板带进行二个轧程的冷轧，冷轧压下率分配比60％∶40％，累计压下率为82％，冷轧成0.54mm的冷轧板带。
6、冷轧后退火酸洗
冷轧后的退火酸洗处理中，退火温度保持为850℃，处理时间为2.5min.。
表2实施例的抗高温氧化数据列表
| 样本 | 700℃ | 750℃ | 800℃ | 850℃ |
| SUH409L | 0.042 | 0.076 | 0.081 | 0.152 |
| 实施例1 | 0.040 | 0.041 | 0.043 | 0.134 |
| 实施例2 | 0.038 | 0.039 | 0.041 | 0.130 |
| 实施例3 | 0.039 | 0.039 | 0.044 | 0.131 |
| 实施例4 | 0.040 | 0.044 | 0.048 | 0.136 |
| 实施例5 | 0.041 | 0.043 | 0.046 | 0.134 |
高温氧化增重数据(g/m2*h)
从图1和表2中，可以看出本发明钢具有比对比钢SUH409L更高的抗高温氧化性能。当服役温度低于800℃时，本发明钢氧化增重非常稳定且很低，而对比钢SUH409L已发生较为显著的氧化增重；当服役温度高于800℃时，本发明钢与对比钢SUH409L均发生显著的氧化增重，但本发明钢的氧化增重量要明显低于对比钢，有助于延长设备使用寿命。
Claims (3)
1.一种低铬高纯铁素体不锈钢的制造方法，其特征在于包含如下步骤：
1)按以下化学成分的重量百分配比冶炼：C≤0.02、N≤0.02、Si≤0.50、Mn0.30-0.50、P≤0.03、S≤0.02、Cr 10.5-11.75、Ti 0.18-0.30、Nb0.28-0.40、0≤0.015、稀土0.01～0.20，Ti、Nb、C和N的含量满足如下关系：％Ti+％Nb＞10(％C+％N)，余量Fe及不可避免的杂质，浇铸，加入稀土合金前钢液的全氧含量≤150ppm，在稀土合金加入后立即浇铸，稀土合金加入钢液中的加入和搅拌时间≤50秒，浇铸温度1540±20℃；
2)铸锭或铸坯开坯，对铸锭或铸坯锻造开坯或直接送热轧，铸锭或铸坯的加热温度为1000～1100℃，终锻温度不低于900℃，缓冷；
3)热轧，钢材坯料的加热温度为1000～1100℃，终轧温度为800～900℃，空冷；
4)退火酸洗，退火温度保持为850～950℃，保温时间不低于1分钟；
5)冷轧，冷轧压下率≥65％；
6)冷轧后退火、酸洗，退火温度为850～950℃，处理时间为1t～20t min，t为退火时冷轧板带的厚度。
2.如权利要求1所述的低铬高纯铁素体不锈钢的制造方法，其特征在于步骤2)中的加热温度为1050～1080℃，步骤3)中的加热温度为1040～1080℃，终轧温度为840～880℃，步骤4)中的退火温度为850～900℃，步骤5)中的冷轧压下率≥70％，步骤6)中的退火温度为850～900℃。
3.如权利要求1所述的低铬高纯铁素体不锈钢的制造方法，其特征在于步骤5)中，在退火酸洗后至获得冷轧成品之间，采用二个轧程。
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