CN102191436A - 一种综合性能良好的马氏体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种综合性能良好的马氏体不锈钢及其制造方法，其包含元素的质量百分比为C≤0.05％，Si≤1.0％，Mn≤1.0％，P≤0.040％，S≤0.015％，Cr＝15.0～17.0％，Ni＝4.0～6.5％，Mo＝0.80～1.50％，N：0.02～0.06％，V≤0.15％，其它为不可避免的杂质和余量Fe。其制造方法包括以下步骤：1)按质量百分配比进行冶炼，得到钢坯；2)加热；3)终轧；4)回火。采用本发明生产的钢，组织均匀细小、强度高、韧性好，综合性能优良，且生产工艺简单、生产成本低、工艺易于控制，可以较高地满足水电用钢的需要，因而具备良好的推广及应用前景。

Description

一种综合性能良好的马氏体不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明属于金属材料的生产领域，涉及一种金属材料的生产方法，尤其涉及一种综合性能良好的马氏体不锈钢及其制造方法。

背景技术

随着石油、天然气、煤等不可再生资源的不断消耗，世界各国越来越多地把目光投向利用绿色能源，水电即是其中的一种。水电系统中的水轮机转轮、转轮下环、阀门系统、其他耐磨件都要使用不锈钢材料，这些设备、零件需要在大水压、水和泥沙的冲蚀、深水空蚀等恶劣环境中工作，因此水电用钢应当有较高的强度、硬度，较高的冲击韧性，还应具有良好的耐蚀性。开发出具有良好综合性能的水电用钢可以延长水电系统运转周期、减少维修成本，从而提高水电系统的工作效率和经济效益。

最初人们在传统的马氏体不锈钢基础上降低碳含量、增加镍含量，提高了材料的延展性、韧性和耐蚀性，因而开发出了低碳马氏体不锈钢，目前水电工程领域应用较多的有用传统铸造法生产的低碳马氏体不锈钢ZG06Cr13Ni4Mo、ZG06Cr16Ni5Mo，为了获得高强度，材料中都加入了较高的碳含量，这在一定程度会降低耐腐蚀性能、降低韧性。

随后，中国专利，专利公开号CN101104909A，专利名称“00Cr13Ni5Mo超低碳马氏体不锈钢及其生产方法”，公开了一种00Cr13Ni5Mo的铸造低碳马氏体不锈钢，这种不锈钢通过冶炼、钢锭浇注、钢锭退火、锻轧成坯料、坯料正火+回火成材，其制造工艺复杂、生产成本相对较高。

中国专利，专利公开号CN1528937A，专利名称“高屈强比高强韧性铸造马氏体不锈钢及其生产方法”，公开了一种高屈强比、高强韧性的铸造马氏体不锈钢和生产方法，这种不锈钢通过对铸件直接进行热处理后成材，对铸锭直接进行热处理成材可以简化生产工艺，节约生产成本，但是模铸过程中的成分、组织不均匀性却难以消除，使材料的综合性能下降。

中国专利，专利公开号CN1352319A，专利名称“具有高机械强度和抗腐蚀的马氏体不锈钢”，公开的马氏体不锈钢在低碳马氏体不锈钢0Cr13Ni4Mo、0Cr16Ni5Mo的基础上还添加了铜、铌、钨、氮和钒，对铸锭直接进行热处理得到成品钢。由于加入了铜、铌、钨等贵金属元素，使材料的制造成本明显提高；铌的加入使材料的脆性增加，使冲击韧性明显下降；而钨的加入使材料的高温强度明显的提高，加工难度显著增加。

日本专利，专利号JP 11343519公开了一种化学成分(重量，％)为C≤0.05、Si≤1.0、Mn≤5.0、Cr：10.0～15.0、Ni：3.0-0.5×Mn～8.0-0.5×Mn、Mo：0.1～3.0、Al≤0.1、Ti≤0.1的低碳马氏体不锈钢，这种钢具有强度高、耐蚀性好、焊接性能优等特点，但是由于这种钢和其他众多的石油用管材料一样更加注重材料在使用环境中要承受的压力、硫化氢腐蚀、应力腐蚀以及在制管过程中的焊接性能，与水电用钢相比无论是从成分设计与制造工艺都存在不同的侧重点。

因此迫切需要一种钢，既能提高钢的强度，又能减低生产成本，且综合性能优良，可以满足水电用钢的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种综合性能良好的马氏体不锈钢及其制造方法，通过加入了钒和氮元素，使钢的组织均匀细小，强度更高、韧性更好，也有利于提高耐蚀性；在生产过程中，用热轧后空冷替代传统的缓冷+正火工艺，生产工艺简单、易于控制，因而具有综合性能优良、生产成本低、工艺易于控制等特点，可以较好地满足水电用钢的需要。

本发明的目的是这样实现的：一种综合性能良好的马氏体不锈钢，化学元素及其质量百分比为：

C≤0.05％，      Si≤1.0％，       Mn≤1.0％，     P≤0.040％，

S≤0.015％，     Cr＝15.0～17.0％，Ni＝4.0～6.5％，Mo＝0.80～1.50％，

N：0.02～0.06％，V≤0.15％，

其它为不可避免的杂质和余量Fe。

碳：不高于0.05％。这是因为钢中含碳量提高，钢的强度和硬度上升，韧性下降。而且碳与铬反应形成化合物，碳含量越高形成铬的碳化物的量越大，铬的碳化物的形成会在钢中形成贫铬区，使钢的耐蚀性下降。要避免形成这些化合物，一方面可以降低碳含量，另一方面可以加入钒，使碳优先和钒形成化合物。

硅：硅主要是作为脱氧剂加入到钢中的，同时硅也是一种合金元素，起着固溶强化作用，在提高抗高温氧化性能方面也有明显的作用。但是，钢中硅含量过高时会引起延展性变差，因此从提高马氏体不锈钢的可加工性考虑，其含量应该不大于1.0％。

锰：锰既是脱氧元素又是固溶强化元素能显著提高钢的强度，但是锰含量过高时不利于提高钢的韧性，其含量应该不大于1.0％。

磷：磷是有害元素，因此根据生产控制水平尽量地降低。

硫：硫也是一种有害元素，不仅硫化物会产生热脆而且会降低耐蚀性，通常硫的含量控制在低于0.015％以避免硫的有害作用。

铬：为了保证不锈钢的耐蚀性，铬含量控制在15.0～17.0％，铬含量过高时，一方面成本提高，另一方面会使钢中出现奥氏体+铁素体组织，损害钢的热加工性能和耐蚀性。

镍：镍是扩大奥氏体区元素，是正火后形成马氏体和回火后形成逆变奥氏体所必需的元素。当镍含量小于4.0％时，回火组织中存在较多铁素体相，耐蚀性下降；当镍含量大于6.5％时，回火组织中奥氏体量增加，材料的强度得不到保证，另外，镍含量增加产品成本也会增加。因此，镍的控制范围为4.0～6.5％。

钼：镍的加入可以改善耐蚀性、低温力学性能，可以增加回火稳定性，同时增加钢的强度。过高的钼将促进铁素体的形成，给钢带来不利影响，其控制范围为0.8～1.5％

氮：氮是一种奥氏体化形成元素，可以扩大高温奥氏体温度区间，有利于热轧加工。氮在钢中以间隙原子形式存在，具有固溶强化作用，能够提高材料的拉伸强度和硬度。氮以固溶形式存在时还可以提高材料的点蚀电位，从而提高耐腐蚀性能。当钢中加入强氮化物形成元素钒时会形成钒的氮化物，因此过量的氮会降低材料的韧性。

钒：它是强碳、氮化合物的形成元素，能够优先于铬与碳、氮结合生成化合物，因而提高耐蚀性。而且，钒的化合物的析出温度较高，可以细化晶粒、抑制偏析。但是，钒含量过高不仅提高了生产成本，而且与碳、氮的化合物颗粒较大会损害材料的韧性。

一种综合性能良好的马氏体不锈钢的制造方法，包含以下步骤：

1)按如下质量百分配比进行冶炼，得到钢坯：

C≤0.05％， Si≤1.0％，       Mn≤1.0％，     P≤0.040％，

S≤0.015％，Cr＝15.0～17.0％，Ni＝4.0～6.5％，Mo＝0.80～1.50％，

N：0.02～0.06％，V≤0.15％，

其它为不可避免的杂质和余量Fe；

2)加热，采用1050～1180℃加热温度；

3)终轧，采用950℃以上的终轧温度，压缩比大于3.5，空冷至室温；

4)回火，采用500～650℃的回火温度。

钢坯或连铸坯在1050～1180℃温度范围内加热，使组织均匀化，保证钢坯或连铸坯有足够的可延展性，另一方面使碳、氮的化合物充分溶解。在950℃以上完成热轧，较高的终轧温度可以部分消除加工硬化，并保证良好的塑性。热轧的前后的压缩比大于3.5，使钢有较大的热轧形变量促进再结晶的进行，从而使组织均匀细小。终轧后空冷至室温，相当于进行了正火热处理，使材料具有高强度、高硬度和良好的耐蚀性。然后在500～650℃的温度范围内回火，使热轧后的组织出现逆变奥氏体，因而提高材料的延伸率和冲击韧性。

本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

1)采用本发明生产的钢板具有较高的强度、硬度，较好的塑性、韧性和耐蚀性，不仅有良好的综合性能，能够满足水电行业设备的加工、使用要求，还具有生产成本低、工艺易于控制等特点。

2)本发明加入了钒和氮元素，使钢的组织均匀细小，强度更高、韧性更好，同时也有利于提高耐蚀性。

3)本发明热轧后空冷替代传统的缓冷+正火工艺，生产工艺简单、易于控制。

具体实施方式

表1是本发明和现有有关马氏体不锈钢专利的化学成分比较，从表中的成分和现有技术的工艺相比较，可以看出本发明最显著的不同在于：(1)加入了钒和氮元素，使钢的组织均匀细小，强度更高、韧性更好，同时也有利于提高耐蚀性；(2)热轧后空冷替代传统的缓冷+正火工艺，生产工艺简单、易于控制。

表1有关马氏体不锈钢专利的化学成分比较(单位wt％)

下面是本发明的5个实施例，实施例的化学成分见表2，其具体生产工艺参数及相应的性能见表3，要注意的是：轧制时，本发明的实施例和对比例的压缩比都大于3.5。

表2实施例的化学成分(wt，％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	N	V
											A	0.030	0.4	0.7	0.015	0.003	15.7	4.0	0.85	0.04	0.04
B	0.050	0.5	0.3	0.013	0.015	17.0	4.8	0.81	0.06	0.15
											C	0.020	0.9	1.0	0.038	0.008	15.2	5.7	1.50	0.03	0.02
D	0.025	0.1	0.6	0.022	0.005	16.2	5.4	1.13	0.02	0.07
											E	0.015	0.7	0.1	0.031	0.002	15.1	6.5	1.02	0.04	0.09
对比例1	0.020	0.4	0.6	0.011	0.006	14.0	5.1	0.84	-	-
											对比例2	0.020	0.4	0.7	0.011	0.006	16.5	5.3	0.88	-	-

表3实施例的工艺和性能

由上述几个实施例可以知道，采用本发明的成分和工艺参数进行加工，钢板具有较高的强度、硬度、冲击功、延伸率和点蚀电位，在一定的范围内强度、韧性的可以通过采用不同的回火温度进行调节。

表2和表3中的对比例1是典型的0Cr13Ni5Mo钢，对比例2是典型的0Cr16Ni5Mo钢，它们是目前在水电行业内最常用的两种马氏体不锈钢。与对比例1相比，本发明钢在成分上最大的差别是含铬量较高，同时含有钒和氮；由于化学成分上的不同，0Cr13Ni5Mo钢的点蚀电位为0.15V，而实施例的点蚀电位最低为0.18V，可见发明钢具有更高的点蚀电位，也即具有更好的耐点蚀能力；与对比例2中的0Cr16Ni5Mo相比，发明钢在化学成分上的不同在于采用钒和氮的合金化，钒、氮的强化作用使实施例的屈服强度、抗拉强度和硬度都在0Cr16Ni5Mo的基础上明显提高，而点蚀电位等相差不多。而且除了成分上的差异外，本发明的实施例用热轧后空冷，而对比例采用轧后缓冷+正火，虽然在生产工艺上简化了，但是实施例的屈服强度、抗拉强度和硬度都高于对比例，同时实施例的点蚀电位还明显高于对比例2。综上所述可以认为，本发明钢比目前广泛用于水电行业的0Cr13Ni5Mo和0Cr16Ni5Mo钢在性能上具有明显的优势，其性能能够更好地满足水电行业设备制造的需要，且生产成本低、工艺易于控制。

综上所述，本发明钢的组织均匀细小、强度更高、韧性更好，同时也有利于提高耐蚀性，并且生产工艺简单、易于控制，具有综合性能优良、生产成本低的特点，可以较高地满足水电用钢的需要，因而具备良好的推广及应用前景。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的几个具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种综合性能良好的马氏体不锈钢，其特征在于化学元素及其质量百分比为：

C≤0.05％，      Si≤1.0％，       Mn≤1.0％，     P≤0.040％，

S≤0.015％，     Cr＝15.0～17.0％，Ni＝4.0～6.5％，Mo＝0.80～1.50％，

N：0.02～0.06％，V≤0.15％，

其它为不可避免的杂质和余量Fe。

2.一种综合性能良好的马氏体不锈钢的制造方法，其特征在于包含以下步骤：

1)按如下质量百分配比进行冶炼，得到钢坯：

C≤0.05％，      Si≤1.0％，       Mn≤1.0％，     P≤0.040％，

S≤0.015％，     Cr＝15.0～17.0％，Ni＝4.0～6.5％，Mo＝0.80～1.50％，

N：0.02～0.06％，V≤0.15％，

其它为不可避免的杂质和余量Fe；

2)加热，采用1050～1180℃加热温度；

3)终轧，采用950℃以上的终轧温度，压缩比大于3.5，空冷至室温；

4)回火，采用500～650℃的回火温度。