CN101368252A - 一种无镍含氮奥氏体不锈钢 - Google Patents

Abstract

一种无镍含氮奥氏体不锈钢，涉及金属材料技术领域，其特征在于：组成为(质量分数)：0.05～0.25％N、≤0.10％ C、24.0～30.0％Mn、12.0～14.0％Cr、≤1.0％Si、0.35～ 1.00Mo、≤0.05％S、≤0.05％P、余Fe。该种奥氏体不锈钢以提高锰含量和配合使用一定含量的氮完全取代价格昂贵的战略资源镍，一方面能大幅度降低成本，稳定奥氏体组织、提高强度和耐腐蚀性能，另一方面由于该不锈钢中不含镍元素，如将其用作生物医用材料，可避免镍元素在人体内析出造成的致敏性及其它组织反应，从而具有优良的生物相容性，因此在生物医学上具有广阔的应用前景。

Description

一种无镍含氮奥氏体不锈钢

技术领域

本发明涉及一种奥氏体不锈钢，特指一种无镍含氮高锰奥氏体不锈钢。

背景技术

随着国防、能源、交通等现代工业的急剧发展以及超导技术、受控热核聚变技术、高能物理技术、交通运输技术、磁分离技术等在这些工业的成熟应用，急需适用于各种低温、无磁、高性能条件下的新型结构材料，传统的Cr-Ni系奥氏体不锈钢由于低温下的组织稳定性等一系列原因已难以胜任，而人们对Fe-Mn-Cr系奥氏体不锈钢的持续关注以及多年来的研究表明，其系列合金取代Cr-Ni系奥氏体不锈钢不仅可能，而且还具备了一些Cr-Ni系奥氏体钢所不具备的特性。

另一方面，生物医学技术的快速发展带来了生物医用材料研究的方兴未艾，其中用作生物医用材料的不锈钢是生物医用金属材料中应用最多、最广的一类材料。医用不锈钢的生物相容性及其相关问题，主要涉及到材料植入生物体后由于腐蚀或磨损造成某些金属离子溶出所引起的组织反应等，特别是传统不锈钢中镍离子析出诱发的严重病变。近些年低镍或无镍的Fe-Mn-Cr系医用不锈钢正逐渐得到发展和应用。研究开发高耐蚀性、高耐磨性、高疲劳强度和高韧性生物体合金仍然是重要的主体方向。

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ZL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。公开号CN 1584098A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。公开号CN 1654696A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、综合力学性能良好、无磁、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。

一种无镍含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：0.05～0.25％N、≤0.10％C、24.0～30.0％Mn、12.0～14.0％Cr、≤1.0％Si、0.35～1.0％Mo、≤0.05％S、≤0.05％P、余Fe。

优选含量为：

0.10～0.25％N、0.04～0.06％C、26.0～30.0％Mn、12.0～14.0％Cr、≤1.0％Si、0.40～0.80％Mo、≤0.05％S、≤0.05％P、余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。在无Ni或少Ni的新型奥氏体钢和奥氏体不锈钢中，Mn是最主要的合金元素。

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.氮：氮早期主要用于Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N奥氏体不锈钢中，以节约Ni。在奥氏体不锈钢中加入氮，可以稳定奥氏体组织、提高强度，并且提高耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀，如耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。

4.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。

5.钼：钼在奥氏体不锈钢中的主要作用是提高钢的耐还原性介质的腐蚀性能和耐点腐蚀、耐缝隙腐蚀等的性能，对钢的强化作用不显著。钼和铬都是形成和稳定铁素体并扩大铁素体相区的元素，为使奥氏体不锈钢保持单一的奥氏体组织，随着钢中钼含量的增加，奥氏体形成元素(锰及氮等)的含量也要相应提高，以保持钢中铁素体与奥氏体形成元素之间的平衡。

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。

本发明的含氮奥氏体钢及奥氏体不锈钢和普通奥氏体钢及奥氏体不锈钢相比，用氮合金化的奥氏体钢有如下一些优点：

1)成本低。本发明的奥氏体不锈钢采用了高锰含氮的合金成分，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)高的屈服强度、抗拉强度和韧性。77K的屈服强度(σ_s)大于900MPa，而其强度极限(σ_b)大于1300MPa，且77K下的冲击吸收功仍达到90J，从而实现高的强度和断裂韧性的结合。

3)由于在室温下为面心立方晶体结构的奥氏体组织，所以具有良好的冷加工成型性能。

4)本合金具有良好的耐腐蚀性能。既可在氧化性酸等溶液中的耐全面腐蚀性、耐晶间腐蚀性等方面具有优良的性能，又可在还原性酸等溶液中耐点腐蚀性、耐缝隙腐蚀等方面具有优良的性能。

5)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和Mεs均低于4K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。

本发明的无镍含氮奥氏体钢及奥氏体不锈钢主要可应用于国防、能源、造船、铁路、低温工程、化学、压力容器、石油、采矿和核物理等工业领域，也可应用于生物医学领域。

具体实施方式

实施例：

按优选含量的设计成分(0.10～0.25％N、0.04～0.06％C、26.0～30.0％Mn、12.0～14.0％Cr、≤1.0％Si、0.40～0.80％Mo、≤0.05％S、≤0.05％P、余Fe。)进行冶炼，实际所得不锈钢的成分含有(质量分数)：0.24％N、0.04％C、29.0％Mn、12.6％Cr、0.20％Si、0.45％Mo、0.016％S、0.018％P、余Fe。

此材料采用真空冶炼，铸成17kg重钢锭，去冒口后进行锻造，开锻温度1200℃，终锻温度为900～950℃，锻成厚度为20×60×450的扁材，然后经过机械加工成零件。材料进行固溶处理时温度为1050℃、保温一小时，然后水冷。本发明的实施例的无镍含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；并且在77K下，仍然具有较好的冲击韧性。

表1 无镍含氮奥氏体不锈钢的力学性能(采用相应国家标准测试方法)

注：材料的屈服强度、抗拉强度的测试采用国家标准GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》；(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(室温)

 

材料	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa
			00Cr18Ni10	180	490
0Cr18Ni9	200	500
			0Cr19Ni9Ti	200	500
2Cr18Ni9	220	580

Claims (3)

1.一种无镍含氮奥氏体不锈钢，其特征在于：组成为(质量分数)：0.05～0.25％N、≤0.10％C、24.0～30.0％Mn、12.0～14.0％Cr、≤1.0％Si、0.35～1.0％Mo、≤0.05％S、≤0.05％P，余量为Fe。

2.权利要求1所述的一种无镍含氮奥氏体不锈钢，其特征在于：组成为(质量分数)：0.10～0.25％N、<0.06％C、26.0～30.0％Mn、12.0～14.0％Cr、≤1.0％Si、0.40～0.80％Mo、≤0.05％S、≤0.05％P，余量为Fe。

3.权利要求2所述的一种无镍含氮奥氏体不锈钢，，其特征在于：组成为(质量分数)：0.24％N、0.040％C、29.0％Mn、12.6％Cr、0.20％Si、0.45％Mo、0.016％S、0.018％P，余量为Fe。