CN102168230B - 一种304替代型节镍奥氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种节镍304奥氏体不锈钢替代钢种，其化学成分重量百分比为：C≤0.10%、Si≤0.50%、2.00%≤Mn≤6.00%、17.00%≤Cr≤20.00%、5.0%≤Ni≤7.0%、0.2%≤N≤0.40%、P＜0.045%、S＜0.030%，其余为Fe和不可避免的杂质。根据本成分配比制得的奥氏体不锈钢与传统18-8型304不锈钢相比节镍至少12.5%；热加工性能优异，热轧总压下量达90%仍不开裂；经过热轧+固溶处理后平均力学性能为RM≈724MPa、Rp0.2≈378Mpa，δ≈60%，均高于304不锈钢RM≥520MPa、Rp0.2≥205Mpa，延伸率δ≥40%的水平，综合力学性能改善明显；同时，各项耐蚀性能指标不低于304水平。
Description
技术领域
本发明涉及不锈钢材料，更具体的是一种通过加入锰、氮元素替代部分镍的奥氏体不锈钢，使其基本性能等同或优于传统304型奥氏体不锈钢及其制备方法。
背景技术
奥氏体不锈钢在世界不锈钢用量中占3/4以上，而304又是其中应用最为广泛的奥氏体不锈钢钢种。304标准中镍含量较高，在8.0%～10.5%之间，镍金属价格昂贵，中国又是贫镍国家，镍资源大量需要进口，因此开发节镍型奥氏体不锈钢具有非常重要的现实意义。节镍型不锈钢中，以200系列为代表，通过加入较多的锰、氮元素，能将镍降低到极低的水平（1.0%～6.0%），但其耐腐蚀性能与304相比急剧下降，加工性能降低；虽然后来有人通过加入少量Cu、B元素改善热加工性能，但过量的加入易形成低熔点共晶相，使热加工性能恶化，加入Mo、Nb、Ti等合金元素改善耐蚀性能，但以加钛不锈钢为例，TiO2和TiN以夹杂物存在，含量高且分布不均，降低钢的纯净度，铸锭表面质量差，增加工序修磨量，极易造成大批废品。同时，添加更多的合金元素也增加了制造成本。
中国发明授权专利公开号（CN101545078A）一种室温机械性能优良的节镍型亚稳奥氏体不锈钢，公开了成分配比为：0.06%≤C≤0.15%、Si≤1.00%、7.00%≤Mn≤10.00%、15.00%≤Cr≤17.00%、1.50%≤Ni≤2.50%、0.15%≤N≤0.3%、P＜0.030%、S＜0.020%，余量为铁和不可避免的杂质的不锈钢。其热轧+固溶态室温力学性能达到Rm≥863MPa、Rp0.2≥406Mpa，δ≥57%的水平，但耐蚀性能下降明显，该专利测得该不锈钢室温条件下在中性3.5%氯化钠溶液中，表征不锈钢耐点蚀能力的点蚀点位为：E’b10=210mv，E’b100=240mv，大大低于304不锈钢E’b10≈300mv的水平。对于不锈钢其他耐蚀能力，如晶间腐蚀、均匀腐蚀、盐雾腐蚀等等未做测定。虽然该项发明将镍的含量降低到了1.50%～2.50%的极低水平，但过分节镍却降低了不锈钢的耐蚀性能，限制了该钢种的应用领域。
发明内容
本发明力图通过加入一定量的锰、氮元素，替代304不锈钢中的部分镍，使镍含量降低至5.0%～7.0%的水平，以期降低304奥氏体不锈钢的原料成本、提高其强度和耐点蚀性能，保持良好的加工性能，同时不降低其耐晶间腐蚀、耐盐雾腐蚀的性能；从而，生产制造成本降低的同时而又几乎不降低其耐蚀性能。
与传统304奥氏体不锈钢相比，本发明主要特征在于通过添加适当的锰、氮元素来替代304不锈钢中的部分镍元素，使镍元素重量百分含量由8.0～10.5%降低至5.0～7.0%，节镍效果至少达12.5%以上。
本发明实现上述目的的技术方案为：一种304替代型节镍奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C≤0.10%、Si≤0.50%、2.00%≤Mn≤6.00%、17.00%≤Cr≤20.00%、5.00%≤Ni≤7.00%、0.20%≤N≤0.40%、P≤0.045%、S≤0.030%，其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步，一种304替代型节镍奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.012%、Si：0.21%、Mn：3.08%、Cr：18.8%、Ni:6.61%、N：0.22%、P:0.009%、S：0.0080%，其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步，一种304替代型节镍奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.042%、Si：0.19%、Mn：2.97%、Cr：18.6%、Ni:6.54%、N：0.22%、P:0.010%、S：0.0095%，其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步，一种304替代型节镍奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.057%、Si：0.22%、Mn：2.55%、Cr：17.5%、Ni:5.23%、N：0.20%、P:0.018%、S：0.0114%，其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步，一种304替代型节镍奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.065%、Si：0.22%、Mn：5.40%、Cr：19.6%、Ni:6.96%、N：0.31%、P:0.014%、S：0.0135%，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明另一目的提供上述304替代型节镍奥氏体不锈钢的制备方法，具体包括以下步骤：步骤1.按上述成分配比准备好原材料，按如下顺序将材料加入真空熔炼炉进行熔炼：将生铁、金属铬、纯镍豆加入，抽真空充入氮气保护，待上述金属融化后，再加入氮化合金和电解锰，待金属全部融化后，在温度为1500-1600℃进行浇注，得到铸锭；
步骤2.将所得的铸锭在温度为1250～1280℃温度范围开始热轧，共6道次，总压下率在80～90%，测得终轧温度在950℃～1000℃，轧后立即水冷至室温，随后，在温度为1050℃，按2.0～3.0min/mm，进行固溶处理。
所述氮化合金包括氮化铬或氮化锰。
C：碳元素强烈形成、稳定和扩大奥氏体相区元素，但从不锈钢塑性和耐蚀性角度考虑，钢种碳含量越低越好，至少不高于0.1%。
Si：硅是强烈铁素体形成元素，为确保本钢种单相奥氏体相的稳定性，应对Si含量严格限制，Si≤0.50%。
Mn：锰元素具有强烈的稳定奥氏体的作用并提高氮在钢中的溶解度，但锰会妨碍不锈钢钝化膜的形成，并且生成MnS、（Mn，Fe）S和（Mn，Fe）O等夹杂物，这些夹杂物易成为点蚀的诱发源[陈学群,孔小东,常万顺,等.低碳钢中硫化物夹杂物诱发点蚀的机理[J].海军工程大学学报,1997(1):1-9.]，所以Mn添加量不能太多，以2.00%～6.00%为宜。
Cr：铬是强烈稳定铁素体元素，同时也是保证不锈钢耐蚀性的重要合金元素，17.00%～20.00%的铬含量即保证了不锈钢的耐蚀性，又不会降低本发明钢种室温奥氏体相的稳定性。
Ni：镍元素强烈影响不锈钢成本和耐蚀性，本发明节镍钢中5.00%～7.00%的镍含量，与304相比节镍至少约12.5%左右。
N：氮元素固溶于奥氏体中，提高不锈钢强度和耐磨性，又不降低其塑性；氮元素提高不锈钢耐蚀性能，以弥补增锰、节镍对304不锈钢耐蚀性的不利影响，在上述合金成分常压下冶炼通常能够获得约0.20%～0.40%的氮含量。
P、S：磷、硫元素是不锈钢中的有害元素，含量控制越低越好，取P≤0.045%、S≤0.030%。
本发明的优点：
1. 达到了节约贵重金属镍的目的；
2. 提高了传统304奥氏体不锈钢综合力学性能，以适量锰、氮元素替代部分镍，保证了不锈钢耐蚀性不低于304不锈钢的水平；
3. 仅添加了适量锰、氮元素替代部分镍，无需另加其他合金元素，生产成本低。
附图说明
图1为实施例1含氮不锈钢试样固溶处理后的金相图。
图2为实施例2含氮不锈钢试样固溶处理后的金相图。
图3为实施例1经5%氯化钠盐雾腐蚀7天后外观图。
图4为实施例2经5%氯化钠盐雾腐蚀7天后外观图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
下表是具体实施例的元素组成成分及质量百分比，如表1所示
表1 具体实施例的元素成分及质量百分比（Wt%）
| C | Si | Mn | Cr | Ni | N | S | P | |
| 实施例1 | 0.012 | 0.21 | 3.08 | 18.8 | 6.61 | 0.22 | 0.0080 | 0.009 |
| 实施例2 | 0.042 | 0.19 | 2.97 | 18.6 | 6.54 | 0.22 | 0.0095 | 0.010 |
| 实施例3 | 0.057 | 0.22 | 2.55 | 17.5 | 5.23 | 0.20 | 0.0114 | 0.018 |
| 实施例4 | 0.065 | 0.22 | 5.40 | 19.6 | 6.96 | 0.31 | 0.0135 | 0.014 |
实施例1.的铸锭在1250℃保温1h后开始热轧，初始厚度为40mm，共6道次，终轧厚度为5mm，总压下率在87.5%，测得终轧温度在967℃，轧后立即水冷至室温。随后，进行1050℃固溶处理，根据轧后厚度不同固溶相应时间，依据为2.0min/mm。
实施例2.中的铸锭在1280℃保温1h后开始热轧，初始厚度为40mm，共6道次，终轧厚度为5mm，总压下率在87.5%，测得终轧温度均在998℃，轧后立即水冷至室温。随后，进行1050℃固溶处理，根据轧后厚度不同固溶相应时间，依据为3.0min/mm。
实施例的力学性能测试结果，与传统304不锈钢力学性能比较如表2所示。材料的抗拉强度、屈服强度、延伸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》。
表2实施例与对比例304不锈钢的力学性能对比
按照国家标准GB/4334-2008《金属和合金的腐蚀—不锈钢晶间腐蚀试验方法》对实施例进行耐晶间腐蚀性能测定，选择国家标准里面的方法C，即不锈钢65%硝酸腐蚀试验方法。将研磨好的实施例试样放在65%硝酸溶液中试验3个周期，每个周期连续煮沸48小时，且每周期应用新的试验溶液，测得实施例的耐晶间腐蚀性能如表3所示。
表3实施例与对比例304不锈钢耐晶间腐蚀性能对比
按照国家标准GB/17899-1999《不锈钢点蚀点位测量方法》对实施例1、2、3进行耐点蚀性能测定，采用动电位法测得实施例在中性3.5%氯化钠溶液中的点蚀点位，如表4所示。
表4实施例与对比例304不锈钢3.5%氯化钠溶液点蚀点位对比
| 试样 | 实施例1 | 实施例2 | 标准304不锈钢 |
| 点蚀点位/mV | 280～380 | 230～330 | ～300 |
为测定实施例在更恶劣环境中的耐点腐蚀性能，应用国家标准GB/T17897-1999《不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法》，评价实施例在6%三氯化铁溶液中的耐点蚀性能，如表5所示。
表5实施例与对比例304不锈钢6%氯化钠溶液点蚀性能对比
按照国家标准GB/T4334.6-2000《不锈钢5%硫酸腐蚀试验方法》对实施例进行耐均匀性能测定，结果如表6所示。
表6实施例与对比例304不锈钢耐均匀腐蚀性能对比
按照国家标准GB/T10125-1997《人造气氛腐蚀试验—盐雾试验》，测定实施例耐5%氯化钠盐雾腐蚀性能，100小时未出现锈点。
从上述对比表可以看出，本实施例综合力学性能高于304不锈钢水平；在节约贵金属镍的同时，耐蚀性能不低于甚至优于304不锈钢的水平，是一种可以替代304不锈钢的新钢种。
Claims (5)
1.一种304替代型节镍奥氏体不锈钢，其特征在于，其化学成分重量百分比为：C≤0.057%、Si≤0.50%、2.00%≤Mn≤5.40%、18.6%≤Cr≤19.6、5.23%≤Ni≤7.00%、0.20%≤N≤0.40%、P＜0.045%、S＜0.030%，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种304替代型节镍奥氏体不锈钢，其特征在于，其化学成分重量百分比为：C：0.012%、Si：0.21%、Mn：3.08%、Cr：18.8%、Ni:6.61%、N：0.22%、P:0.009%、S：0.0080%，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种304替代型节镍奥氏体不锈钢，其特征在于，其化学成分重量百分比为：C：0.042%、Si：0.19%、Mn：2.97%、Cr：18.6%、Ni:6.54%、N：0.22%、P:0.010%、S：0.0095%，其余为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的304替代型节镍奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1.按上述成分配比准备好原材料，按如下顺序将材料加入真空熔炼炉进行熔炼：将生铁、金属铬、纯镍豆加入，抽真空充入氮气保护，待上述金属熔化后，再加入氮化合金和电解锰，待金属全部 熔化后，在温度为1500-1600℃进行浇注，得到铸锭；
步骤2.将所得的铸锭在温度为1250～1280℃温度范围开始热轧，共6道次，总压下率在80～90%，测得终轧温度在950℃～1000℃，轧后立即水冷至室温，随后，在温度为1050℃，按2.0～3.0min/mm，进行固溶处理。
5.根据权利要求4所述的304替代型节镍奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述氮化合金包括氮化铬或氮化锰。
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