CN101509104B - 一种低镍含量的奥氏体不锈钢 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低镍含量的奥氏体不锈钢。以重量百分比计，该低镍含量奥氏体不锈钢的成分组成包括：Cr：13-16.2％，Ni：1.0％以下，Cu：1.0-2.2％，Mn：8.0-11.2％，N：0.1-0.2％，C：0.05-0.1％，Si：0.3-0.6％，余量为Fe及其他不可避免的元素。本发明通过以低价的锰，氮来代替部分的高价镍元素，能够大大降低成本，同时保证奥氏体不锈钢具有较好的耐蚀性以及冷热加工性能；还可以通过加入一定量的B和Ca，进一步改善不锈钢的冷热加工性，避免热轧过程中边裂和M型缺陷的出现。本发明的奥氏体不锈钢具有优良的耐蚀性以及冷热加工性能，尤其是热加工性能，能够替代304钢和301L等不锈钢。
Description
技术领域
本发明涉及一种奥氏体不锈钢，尤其涉及一种低镍含量的奥氏体不锈钢，属于不锈钢冶金领域。
背景技术
现有的304钢种和316L钢种因其优秀的耐腐蚀、加工性、焊接性在很多方面都得到了广泛使用，但是，由于其中Mo、Ni等高价元素的含量较高，造成其成本过高，限制了其在某些方面的应用，目前的研究一直致力于开发低贵金属含量同时具有良好的冷热加工性的奥氏体不锈钢。
中国专利申请99110134.0、200710041181.2、200710093876.5、200710156294.7、200810023408.5中分别公开了一种奥氏体不锈钢，其镍含量均有了较大的降低，但是相对来说仍比较高，并且不锈钢的热加工性能相对也有较大的下降，限制了这一类不锈钢的应用。
中国专利申请01111434.7公开了一种奥氏体不锈钢，其镍含量达到2.0％以下，但是上述奥氏体不锈钢是一种镍含量较低的不锈钢，根据该专利申请公开的技术方案可以看出，其追求的是奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能，尤其是耐酸碱腐蚀性能，虽然其延伸率较高，并且具有比1Cr18Ni9Ti更好的深冲、深拉性能，但是该奥氏体不锈钢中含有较多的Al元素等铁素体形成元素，这对于保证不锈钢中奥氏体相的数量是不利的，而且还需要加入含量非常稀少而且分布极为分散的铼元素，这在一定程度上又造成了成本的增加，而且，该奥氏体不锈钢的热加工性也较差，在热轧时容易出现边裂及M型缺陷。
中国专利申请200710134321.0公开了一种铬锰铜钼系奥氏体耐蚀耐磨不锈钢，其镍含量也达到了2％以下，但是其所关注的仍然是合金元素对不锈钢的耐蚀耐磨性能的影响，该不锈钢的冷热加工性能相对较差。
根据上述分析可以得知，虽然已经出现了较多的低镍含量奥氏体不锈钢，其成本较之304、316L不锈钢已经有了较大的下降，但是镍含量仍有一定的下降空间，而且，目前的研究在降低镍含量的同时首先关注的是奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能以及耐磨性能，对于各种元素对奥氏体不锈钢的冷热加工性能的研究报道并不多见。众所周知，除了耐腐蚀耐磨性能之外，冷热加工性能也是影响奥氏体不锈钢应用的重要因素，因此，要就各种元素对于奥氏体不锈钢冷热加工性能的影响，获得具有较好耐蚀耐磨性能，同时又具有较高热加工性能的奥氏体不锈钢仍是本领域亟待解决的问题之一。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种奥氏体不锈钢，在保证奥氏体不锈钢的耐腐蚀、耐磨性能以及其他力学性能的前提下，通过对不锈钢成分的调整和控制，得到一种成本低、冷热加工性能优良的极低镍含量的奥氏体不锈钢。
为达到上述目的，本发明提供了一种低镍含量的奥氏体不锈钢，以重量百分比计，其成分组成包括：
Cr：13-16.2％，Ni：1.0％以下，Cu：1.0-2.2％，Mn：8.0-11.2％，N：0.1-0.2％，C：0.05-0.1％，Si：0.3-0.6％，余量为Fe及其他不可避免的元素。
根据本发明的具体实施方案，优选地，以重量百分比计，本发明提供的奥氏体不锈钢的成分组成可以包括：
Cr：14.6-15.2％，Ni：0.3-0.97％，Cu：1.5-1.8％，Mn：8.9-9.2％，N：0.13-0.16％，C：0.07-0.1％，Si：0.3-0.6％，余量为Fe及其他不可避免的元素。
根据本发明的具体实施方案，更优选地，以重量百分比计，本发明提供的奥氏体不锈钢的成分组成可以包括：
Cr：14.6-15.2％，Ni：0.3-0.7％，Cu：1.5-1.8％，Mn：8.9-9.2％，N：0.13-0.16％，C：0.07-0.1％，Si：0.3-0.6％，余量为Fe及其他不可避免的元素。
根据本发明的具体实施方案，优选地，本发明提供的奥氏体不锈钢的成分组成还可以包括：Ca：30ppm以下，B：20-40ppm。
根据本发明的具体实施方案，本发明提供的奥氏体不锈钢中S、P的含量可以分别为0-40ppm和0.04％以下。
具体地，本发明所采用的各种元素的作用以及优选的成分组成可以为：
C：C是固溶强化原理上对增加不锈钢的强度有利的元素，而且也是奥氏体稳定元素，但是C过量会导致对耐蚀性有利的Cr元素等在铁素体-奥氏体相界面上形成碳化物，降低晶粒周围的Cr元素等的含量，降低不锈钢的耐蚀性，因此，C含量一般在0.05-0.1％范围内较为合适，优选为0.07-0.1％；
N：在不锈钢中，与Ni一样，N也是对奥氏体相稳定化贡献较大的元素之一，而且N含量的增加还可以附带着提高耐蚀性及强度，但是N含量过高，会降低不锈钢的热加工性从而导致实收率的降低，N含量过低则需要相应降低Cr以确保相平衡，而且在稳定相平衡以及保证焊接部强度方面也有不利的影响，因此，N含量一般在0.1-0.2％较为合适，优选为0.13-0.16％。
Mn：Mn能够显著提高氮在不锈钢中的溶解度，而且也是奥氏体组织的稳定性元素，因此，Mn含量的下限一般为8.0％，为了防止出现热塑性退化，其上限一般为11.2％，优选的，Mn的含量范围为8.9-9.2％。
Cr：Cr是确保不锈钢的耐蚀性所必需的元素，增加Cr含量能够提高不锈钢耐蚀性，但是Cr含量过多会导致在不锈钢中形成过多的铁素体，无法保证不锈钢具有足够的拉伸延伸率，因此，Cr含量一般在13-16.2％的范围内较为合适，优选为14.6-15.2％。
Cu：Cu具有镍奥氏体化作用的40％左右，而且能够提高不锈钢的冷加工性能，但是，Cu含量过高会导致不锈钢的锻造性能明显下降，因此，Cu含量一般在1.0-2.2％的范围内较为合适，优选为1.5-1.8％。
Ni：Ni与Mn、N一样都属于奥氏体相稳定化元素，但是Ni元素在我国的储量较低，价格比较昂贵，为了节约成本降低价格，一般以其它形成奥氏体相元素中的Mn和N来替代贵的Ni，但是Ni含量过低，就需要较高的Mn和N元素含量，这样反而会降低不锈钢的耐蚀性和热加工性，因此，Ni含量一般在1.0％以下的范围内较为合适，优选为0.3-0.97％，更优选为0.3-0.7％。
P：偏析在晶界或相境界之中的P元素会导致不锈钢耐蚀性和耐韧性的降低，因此，应尽量降低不锈钢中的P含量，同时考虑到精炼的效率性，一般地P含量的上限控制在0.04％较为合适。
S：S作为不可避免的杂质，容易偏析在晶粒之间，在热轧时容易引发加工裂纹，因此，应尽量降低不锈钢中的S含量，一般的S含量范围在0.004％(0-40ppm)以下较为合适。
Si：Si含量过高易形成铁素体，过低易形成橄榄石型低熔点氧化物(FeO/SiO2/MnO)从而引起钢带表面光洁度差，因此，Si含量一般在0.3-0.6％的范围内较为合适。
B：B是提高热塑性的强有力的元素，不锈钢中含有一定量的B元素，能够防止不锈钢在热轧过程中产生边裂和M型缺陷，但是，B含量过多会降低固熔态下的晶间腐蚀和晶间应力，因此，B含量一般在20-40ppm的范围内较为合适。
Ca：Ca优先与降低热加工性的硫或锰、铜反应，防止锰与铜的损失，从而提高不锈钢的热加工性，但是，钙含量过高时，炼钢当中产生过多的夹杂物，导致浇铸时水口堵塞或加杂物引发的缺陷的发生，因此，Ca含量一般在0.003％以下(0-30ppm)较为合适。
Md30是指加工量在30％时生成加工诱发马氏体50％的温度，具体计算公式如下(各个元素符号代表该元素在钢中的重量百分比含量)：
Md30＝551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)-18.5Mo-68Nb。
Md30的值越低，在冷加工变形过程中诱变马氏体越不容易产生，冷作硬化程度小，越有利于拉伸成形；一般认为Ni含量对诱变马氏体转变点的影响是很明显的，Ni含量高，马氏体转变点降低，材料在冷变形过程中硬化程度小。但是本发明提供的奥氏体不锈钢具有极低的镍含量，其Md30值仍能够控制在74～125的范围之内，不仅能够保证奥氏体不锈钢具有良好的加工性能，同时还可以改善其强度。
SFE(stacking fault energy，堆垛层错能)值越低，位错越容易分解成部分位错，大间隔部分位错形成堆垛层错，此时位错交叉滑移困难，位错堆积、加工硬化显著；SFE值的计算公式如下：
SFE＝25.7+2Ni+410C-0.9Cr-77N-13Si-1.2Mn。
为了提高奥氏体不锈钢的加工性能，本发明通过对Cr，Mn等成分的控制，能够使奥氏体不锈钢的SFE值保持在-2～35范围内，这样适当提高SFE值，能够大大改善奥氏体不锈钢的加工性能。并且，本发明提供的奥氏体不锈钢的埃里克森值可以达到12mm以上。
本发明通过以低价的锰(Mn)，氮(N)来代替部分的高价镍(Ni)元素，能够大大降低奥氏体不锈钢的成本，同时仍能够保证冶炼得到的奥氏体不锈钢具有较好的耐蚀性以及冷热加工性能。同时，在本发明提供的奥氏体不锈钢中，还可以通过加入一定量的B和Ca，进一步改善不锈钢的冷热加工性，避免热轧过程中边裂和M型缺陷的出现。本发明提供的奥氏体不锈钢具有优良的耐蚀性以及冷热加工性能，尤其是热加工性能，能够替代304钢和301L等不锈钢钢种。同时，本发明提供的奥氏体不锈钢通过添加Ca，B，Cu等成分，能够使其在成型性能方面有更好的表现。
具体实施方式
以下结合具体实施例详细介绍本发明技术方案的实现和特点，以帮助阅读者理解本发明的精神实质和有益效果，但不能构成对本发明可实施范围的任何限定。
实施例1-5
表1显示的是Cr-Mn-N系奥氏体不锈钢的合金成分，包括四个比较钢种以及本发明的实施例1-5，表1中未显示的成分中S含量在0.001％以下。
表2显示的是本发明的实施例钢种以及比较钢种的物理性能。
表3显示的是本发明的实施例钢种与比较钢种的耐点腐蚀性能。
在获得表2和表3所显示的结果时，所采用的试样是由具有表1所示的各种钢种所对应的不锈钢钢水浇铸成的锭坯经过热轧、冷轧以及退火酸洗工艺后得到的厚度为1.5mm的样片。
表1：发明的实施例钢种与比较钢的合金成分(wt.％)
| 钢种 | C | Si | Mn | Cr | Ni | N | Cu | 其他 |
| 比较钢1 | 0.049 | 0.49 | 9.75 | 15.08 | 2.01 | 0.11 | 1.25 | - |
| 比较钢2 | 0.052 | 0.50 | 8.25 | 15.03 | 2.03 | 0.15 | - | - |
| 比较钢3 | 0.048 | 0.55 | 9.62 | 15.01 | 0.97 | - | - | B：40ppm |
| 比较钢4 | 0.058 | 0.51 | 9.67 | 15.18 | 0.98 | 0.20 | 1.23 | - |
| 实施例1 | 0.084 | 0.52 | 9.03 | 15.08 | 0.97 | 0.14 | 1.63 | Ca：15ppm B：25ppm |
| 实施例2 | 0.053 | 0.035 | 11.0 | 16.1 | 0.36 | 0.19 | 2.11 | Ca：13ppm B：26ppm |
| 实施例3 | 0.095 | 0.055 | 8.40 | 14.5 | 0.96 | 0.12 | 1.12 | Ca：11ppm B：23ppm |
| 实施例4 | 0.074 | 0.045 | 10.3 | 15.2 | 0.66 | 0.15 | 1.51 | Ca：10ppm B：28ppm |
| 实施例5 | 0.093 | 0.055 | 10.9 | 15.8 | 0.38 | 0.18 | 2.13 | Ca：19ppm B：21ppm |
表2：本发明的实施例钢种与比较钢种的物理性能
| 钢种 | 热加工性(RA)％ | 抗拉强度T.S.(kg/mm) | 延伸率El.(％) | 埃里克森(mm) | 深冲极限LDH(mm) |
| 比较钢1 | 38 | 79.7 | 60.1 | 11.2 | 22.3 |
| 比较钢2 | 47 | 109.5 | 47.8 | 10.5 | 22.4 |
| 比较钢3 | 52 | 109.3 | 52.2 | 10.9 | 22.7 |
| 比较钢4 | 40 | 83.5 | 61.2 | 11.1 | 21.1 |
| 实施例1 | 62 | 80.2 | 59.9 | 12.7 | 24.9 |
| 实施例2 | 64 | 81.2 | 59.7 | 12.8 | 25.3 |
| 实施例3 | 63 | 80.5 | 60.6 | 12.6 | 24.6 |
| 实施例4 | 65 | 82.2 | 60.1 | 12.9 | 25.9 |
| 实施例5 | 61 | 80.5 | 59.3 | 12.2 | 25.2 |
注：RA指Reduction of Area，断面收缩率(1250度左右测量的数据)。
表3：本发明的实施例钢种与比较耐点腐蚀性能
| 304 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | |
| 点蚀(％) | 1.58 | 1.59 | 1.62 | 1.57 | 1.58 | 1.61 |
注：FeCl3溶液中24小时浸没后单位面积耐点腐蚀性能
由表2的结果可以看出，添加Cu，不含Ca，B的钢种(比较钢1，比较钢4)具有相对高的延伸率，埃里克森试验(深冲性)结果显示其具有较高的埃里克森指数，这说明以上钢种具有优秀的成型性，具有优秀的冷加工性；相反，本发明的钢种(实施例1-5)热加工性能较好，强度相对低，但是完全能够满足一般用途的强度要求(304钢种抗拉强度是70kg/mm左右)，比较钢种(比较钢1，比较钢4)与本发明钢种(实施例1-5)相比在热轧过程中容易产生裂纹和M型缺陷，大大降低成材率。
同时根据表2的结果还可以看出，不含铜，含Ca，B的钢种(比较钢2)的强度尚可，但冷热加工性较差，其断面收缩率较低；相反，本发明的钢种(实施例1-5)冷热加工性能均较好，比较钢2与本发明钢种(实施例1-5)相比在热轧过程中，比较钢2容易产生裂纹和M型缺陷，大大降低成材率，而且不能用于深冲用途，而本发明的钢种不会出现上述问题。
同时根据表2的结果还可以看出，不含铜，含B的钢种(比较钢3)的相对其它钢种强度和热加工性相对其它比较钢种尚可，但冷加工性较差；相反，本发明的钢种(实施例1-5)冷热加工性能较好，所以比较钢种(比较钢3)比其它钢种(比较钢1，2，4)在热加工性方面相对有所改善，但是相对于本发明的钢种来说还是较差。
由表3的结果可以看出，本发明钢种的抗腐蚀能力接近于304钢种。
综合上述本发明提供的奥氏体不锈钢在冷加工性能方面(埃里克森值在15mm以上)较好，热加工性方面(RA值60％以上)较好，强度方面(80kg/mm，304钢种一般在70kg/mm左右)完全能够满足一般用途的性能，所以在一般用途中能够替代304钢和301L等不锈钢钢种。
Claims (7)
1.一种低镍含量的奥氏体不锈钢，以重量百分比计，其成分组成包括：
Cr：14.6-15.2％，Ni：0.3-0.97％，Cu：1.5-1.8％，Mn：8.9-9.2％，N：0.13-0.16％，C：0.07-0.1％，Si：0.3-0.6％，余量为Fe及其他不可避免的元素。
2.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，以重量百分比计，其成分组成包括：
Cr：14.6-15.2％，Ni：0.3-0.7％，Cu：1.5-1.8％，Mn：8.9-9.2％，N：0.13-0.16％，C：0.07-0.1％，Si：0.3-0.6％，余量为Fe及其他不可避免的元素。
3.如权利要求1或2所述的奥氏体不锈钢，以重量百分比计，其成分组成还包括：Ca：30ppm以下，B：20-40ppm。
4.如权利要求1或2所述的奥氏体不锈钢，以重量百分比计，其成分组成还包括：S：0-40ppm，P：0.04％以下。
5.如权利要求1或2所述的奥氏体不锈钢，其中，该奥氏体不锈钢的Md30值为74～125。
6.如权利要求1或2所述的奥氏体不锈钢，其中，该奥氏体不锈钢的SFE值为-2～35。
7.如权利要求1或2所述的奥氏体不锈钢，其中，该奥氏体不锈钢的埃里克森值在12mm以上。
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