CN101386962A - 一种无磁高强度不锈钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无磁高强度不锈钢及其制造方法，特征在于，按重量百分比该不锈钢的化学元素为：C 0.05～0.20％，Si≤1.0％，Mn 11～15％，S≤0.03％，P≤0.035％，Cr 15～20％，Ni≤5.0％，Mo 0.5～1.0％，N 0.2～0.4％，微量元素≤0.50％，余量为Fe。与现有技术相比，本发明具有磁性低、高强度、优良的综合力学性能，加工和焊接性能好，且耐海水腐蚀性能优异，适用于特种舰船用船体材料及潜艇外壳等优点。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料，具体地说涉及一种无磁高强度不锈钢及其制造方法。
背景技术
造船工业是国家重点支柱产业之一，而特种船舶(如扫雷艇、潜艇、反水雷舰艇等)的建造需要的低磁钢船体材料。对于特种舰船，磁性防护是其战术技术性能的重要指标之一，采用低磁钢建造的船体磁性可降到相当于普通钢船体原始磁场的1/100。因此，研究开发新型高强度低磁船体材料是一项十分迫切的课题。
玻璃钢和低磁钢是建造现代反水雷舰艇的主要船体材料。低磁钢，从机械性能上看，有许多优点：可以满足大吨位的反水雷舰艇的技术要求，其抗冲击特性比玻璃钢优良，无脆性转变温度，不会产生脆性断裂；另一个特点是高温强度高，在800℃时还有相当高的强度，这对战斗舰艇很重要。它不会象玻璃钢和木材那样在高温下熔化和燃烧。
国外大多采用玻璃钢或高强度低磁钢来制造船体，但对我国进行技术封锁，无法获得相关的技术资料和产品。我国长期以来一直采用上世纪六十年代从苏联引进的917钢(45Mn17A13)。虽然该钢合金含量低，价格低，但其综合性能欠佳，机加工困难，特别是焊接工艺性能差、易产生焊接裂缝且会有大量的有害气体逸出，既危害人体健康又污染环境。而且917钢在海水中的耐蚀性较差。
国外低磁钢基本性能
近年来，为替代917钢，国内曾有单位开展过这方面的研究，但至今仅用于反水雷舰艇的铸、锻件中。为了加快海军的现代化，海军要大力发展反水雷舰艇。因此，低磁结构材料也是近年来国内外发展的热点之一。如新型船体材料研究成功并投产，则后续的反水雷舰艇都可采用，可见市场需求有相当大的规模。另外，新型船体材料还可以推广应用到潜艇壳体制造上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有磁性低、高强度、耐海水腐蚀性能好的无磁高强度不锈钢及其制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种无磁高强度不锈钢，特征在于，该不锈钢含有以下化学元素(wt％)：C 0.05～0.20％，Si≤1.0％，Mn 11～15％，S≤0.03％，P≤0.035％，Cr 15～20％，Ni≤5.0％，Mo 0.5～1.0％，N 0.2～0.4％，微量元素≤0.50％，余量为Fe。
所述的微量元素选自Ti、Nb或V中的一种或几种。
所述的不锈钢具有以下力学性能：抗拉强度≥700MPa，屈服强度≥380MPa，伸长率≥35％，V型冲击≥200J；所述的不锈钢具有以下磁性能：相对磁导率≤1.010。
一种无磁高强度不锈钢的制造方法，其特征在于，将炉料按要求配比的数量，在非真空感应炉中按工艺要求进行熔炼，熔化温度范围为1400℃～1480℃；再经电渣重熔精炼后，通过热加工工序成型，热加工温度范围为1180℃～850℃；并经热处理加工工序后得到无磁高强度不锈钢，该无磁高强度不锈钢含有以下化学元素(wt％)：C0.05～0.20％，Si≤1.0％，Mn11～15％，S≤0.03％，P≤0.035％，Cr15～20％，Ni≤5.0％，Mo0.5～1.0％，N0.2～0.4％，微量元素≤0.50％，余量为Fe。
所述的炉料包括纯铁、金属镍、钼或钼铁、锰、铬铁、钒铁以及氮化铬铁。
所述的热加工工序包括锻造和轧制加工。
所述的热处理加工工序为将不锈钢加热至1000℃～1100℃，保温1～2小时，水冷至室温。
所述的微量元素选自Ti、Nb或V中的一种或几种。
所述的不锈钢具有以下力学性能：抗拉强度≥700MPa，屈服强度≥380MPa，伸长率≥35％，V型冲击≥200J；所述的不锈钢具有以下磁性能：相对磁导率≤1.010。
与现有技术相比，本发明无磁高强度不锈钢用作新型特种舰船船体材料，该钢具有磁性低、高强度、优良的综合力学性能，加工和焊接性能好，且耐海水腐蚀性能优异，适用于特种舰船用船体材料及潜艇外壳等。
具体实施方式
以下结合具体实施例来说明本发明所涉及的不锈钢及其制备工艺。
本发明新型无磁高强度不锈钢的主要特点是低磁、高强度，耐海水腐蚀性能好。而这个特点的关键技术是在于化学成分的设计和热处理工艺的配合，为了说明这个关键技术，现把上述主要化学元素的作用解释如下：
本发明不锈钢为奥氏体不锈钢，为此钢中要含有一定量的奥氏体形成元素。本发明钢中是通过C、Cr、Mn、N、Ni等元素来形成低磁性奥氏体组织的。具体组成元素如下：C 0.05～0.20，Si≤1.0，Mn 11～15，S≤0.03，P≤0.035，Cr15～20，Ni≤5.0，Mo 0.5～1.0，N 0.2～0.4，微量元素(Ti、Nb或V)≤0.50，其余为Fe。
C：C是形成奥氏体的能力最强有效元素之一，同时也是提高强度的有效元素，但要控制适当，太高了，易生成过量的碳化物，对耐蚀性和力学性能均产生不利影响；太低了，钢的强度达不到要求。本发明钢控制在0.05～0.20为宜。
N：和C一样，N也是形成奥氏体的最强有效元素之一，还可以提高钢的耐蚀性能，并能起到固溶强化的作用，提高钢的强度。但也会使炼钢中熔炼、浇铸工艺复杂，产生气孔、冒涨等缺陷。本发明钢N宜控制在0.20～0.40之间。
Ni：Ni是形成奥氏体和稳定奥氏体的最佳元素。Ni对提高钢的耐蚀性能、力学性能和热加工性能均有积极的作用，所以Ni是不锈钢中主要元素之一，但Ni资源短缺，价格较贵，应尽量节约使用，经试验确定本发明钢可控制在≤5.0。
Mn：是形成奥氏体的能力最强有效元素之一，由于该种钢Ni含量少，因而用C-Mn-N形成奥氏体。Mn控制在11～15。
本发明钢中还含有Cr、Mo等元素，这两元素是提高钢耐蚀性的主要元素，同时也是铁素体形成元素。它和奥氏体形成元素相结合，便于产生平衡组织。通过调节铁素体形成元素和奥氏体形成元素含量来控制钢的组织和性能，最终要得到均匀的低磁性奥氏体组织。
Cr：不锈钢中都含有Cr，Cr和氧化性介质作用，在钢表面形成一层钝化膜，起到了保护作用，从而提高了耐蚀性能。不锈钢Cr含量一般均在13％以上，低了达不到不锈的目的。本发明钢中铬含量宜控制在：15～20之间。
Mo：Mo是提高不锈钢耐蚀性的有效元素。试验证明：在不锈钢中同时加入Cr、Mo、N元素，形成的钝化膜耐蚀性能明显提高，尤其是耐点腐蚀性能，更为明显。但Mo加多了，和Cr一样，易出现δ铁素体，使钢磁性增加。本发明钢中宜控制0.5～1.0之间。
微量元素(Ti、Nb、V)≤0.50.微量元素的加入可改善优化钢的组织及晶粒度。
实施例1
一种无磁高强度不锈钢，按重量百分比该不锈钢的化学元素为：C 0.065％，Si1.0％，Mn 11.5％，S0.08％，P0.025％，Cr 15.0％，Ni5.0％，Mo 0.5％，N 0.26％，微量元素Ti0.50％，余量为Fe。
上述无磁高强度不锈钢的制造方法如下：将包含上述成分的炉料经过非真空感应炉进行熔炼，熔炼温度为1450℃，再进行电渣重熔，然后在1150℃锻造成型，再经1050℃保温1小时，水冷至室温，得到的无磁高强度不锈钢。将得到的无磁高强度不锈钢加工成所需的另部件，满足了产品设计和使用要求。
实施例2
一种无磁高强度不锈钢，按重量百分比该不锈钢的化学元素为：C 0.15％，Si0.5％，Mn 14％，S0.01％，P0.015％，Cr19.2％，Ni2.0％，Mo 1.0％，N 0.35％，微量元素Nb0.40％，余量为Fe。
上述无磁高强度不锈钢的制造方法如下：将纯铁、金属镍、钼和锰、铬铁、钒铁、氮化铬铁等各类炉料按上述要求配比的数量配比，经过非真空感应炉进行熔炼，熔炼温度为1480℃，再进行电渣重熔，然后在1100℃锻造成型，再经1000℃保温1.5小时，水冷至室温，得到的无磁高强度不锈钢。将得到的无磁高强度不锈钢加工成所需的另部件，满足了产品设计和使用要求。
实施例3
一种无磁高强度不锈钢，特征在于，按重量百分比该不锈钢的化学元素为：C 0.10％，Si0.1％，Mn 12％，S0.01％，P0.015％，Cr 18％，Ni1.0％，Mo0.8％，N 0.28％，微量元素V0.50％，余量为Fe。
上述无磁高强度不锈钢的制造方法如下：将纯铁、金属镍、钼和锰、铬铁、钒铁、氮化铬铁等各类炉料按上述要求配比的数量配比，经过非真空感应炉进行熔炼，熔炼温度为1400℃，再进行电渣重熔，然后在1130℃轧制成型，再经1100℃保温1小时，水冷至室温，得到的无磁高强度不锈钢。将得到的无磁高强度不锈钢加工成所需的另部件，满足了产品设计和使用要求。
本发明新型无磁高强度不锈钢按照不同的热处理工艺进行试验，所得力学性能测试结果列于表一。
表一、新型无磁高强度不锈钢力学性能
| 固溶温度/℃ | 抗拉强度Rm/MPa | 屈服强度Rp0.2/MPa | 延伸率A％ | 收缩率Z％ | 冲击功AKV/J |
| 1000 | 838 | 488 | 47.3 | 67.8 | 246 |
| 1050 | 823 | 473 | 46.3 | 69.0 | 248 |
| 1100 | 828 | 485 | 47.8 | 68.8 | 267 |
由表一可见，新型无磁高强度不锈钢在1000～1100℃温度范围内固溶处理，其力学性能都符合设计要求，实际操作选取1050℃为固溶处理温度。
以下所述新型无磁高强度不锈钢的各种测试性能都是经1050℃为固溶处理后得到的。
所述的新型无磁高强度不锈钢的物理性能和弹性性能见表二，
表二、新型无磁高强度不锈钢物理性能和弹性性能
在1050℃温度固溶处理后，新型无磁高强度不锈钢的金相组织为奥氏体组织，奥氏体晶粒度为9～10级。
新型无磁高强度不锈钢的磁导率μ 1.0012～1.0018，满足设计的要求。
对新型无磁高强度不锈钢耐蚀性、加工和焊接性能试验是对比材料917钢一起进行的，试验结果表明：
耐蚀性按国标GB/T101125-1997盐雾试验方法进行，试样在5％NaCl水溶液中，进行48小时连续喷雾试验，新型无磁高强度不锈钢试样表面无变化，无锈点；而917钢经24小时连续喷雾试验后就发生表面全面腐蚀。
在温度35±2℃的东海海水中，连续浸泡60天，新型无磁高强度不锈钢试样表面无变化，无锈点；而917钢发生表面全面腐蚀。
加工试验结果表明，在板材坡口加工和试样制取时使用刨床和车床加工，新型无磁高强度不锈钢比917钢相比，刀具磨损较小，试样表面较光顺，节约了加工时间。
常规焊接试验结果表明：新型无磁高强度不锈钢与TS-307HM焊条符合低磁钢焊接技术标准的要求。与917钢相比，新型无磁高强度不锈钢焊接接头的常规力学性能基本相当，焊接接头热影响区-40℃V型缺口冲击性能的裕度更大，增幅达到38％；新型无磁高强度不锈钢母材与焊接接头的电极电位差很小，有利于降低焊接接头的电化腐蚀。从焊接过程和X射线检测结果看，新型无磁高强度不锈钢钢气孔敏感性比917钢小。
Claims (9)
1、一种无磁高强度不锈钢，特征在于，该不锈钢含有以下化学元素(wt％)：C 0.05～0.20％，Si≤1.0％，Mn 11～15％，S≤0.03％，P≤0.035％，Cr 15～20％，Ni≤5.0％，Mo 0.5～1.0％，N 0.2～0.4％，微量元素≤0.50％，余量为Fe。
2、根据权利要求1所述的一种无磁高强度不锈钢，其特征在于，所述的微量元素选自Ti、Nb或V中的一种或几种。
3、根据权利要求1所述的一种无磁高强度不锈钢，其特征在于，所述的不锈钢具有以下力学性能：抗拉强度≥700MPa，屈服强度≥380MPa，伸长率≥35％，V型冲击≥200J；所述的不锈钢具有以下磁性能：相对磁导率≤1.010。
4、一种权利要求1所述的无磁高强度不锈钢的制造方法，其特征在于，将炉料按要求配比的数量，在非真空感应炉中按工艺要求进行熔炼，熔化温度范围为1400℃～1480℃；再经电渣重熔精炼后，通过热加工工序成型，热加工温度范围为1180℃～850℃；并经热处理加工工序后得到无磁高强度不锈钢，该无磁高强度不锈钢含有以下化学元素(wt％)：C0.05～0.20％，Si≤1.0％，Mn11～15％，S≤0.03％，P≤0.035％，Cr15～20％，Ni≤5.0％，Mo0.5～1.0％，N0.2～0.4％，微量元素≤0.50％，余量为Fe。
5、根据要求4所述的一种无磁高强度不锈钢的制造方法，其特征在于，所述的炉料包括纯铁、金属镍、钼或钼铁、锰、铬铁、钒铁以及氮化铬铁。
6、根据要求4所述的一种无磁高强度不锈钢的制造方法，其特征在于，所述的热加工工序包括锻造和轧制加工。
7、根据要求4所述的一种无磁高强度不锈钢的制造方法，其特征在于，所述的热处理加工工序为将不锈钢加热至1000℃～1100℃，保温1～2小时，水冷至室温。
8、根据要求4所述的一种无磁高强度不锈钢的制造方法，其特征在于，所述的微量元素选自Ti、Nb或V中的一种或几种。
9、根据要求4所述的一种无磁高强度不锈钢的制造方法，其特征在于，所述的不锈钢具有以下力学性能：抗拉强度≥700MPa，屈服强度≥380MPa，伸长率≥35％，V型冲击≥200J；所述的不锈钢具有以下磁性能：相对磁导率≤1.010。
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