CN102330033B

CN102330033B - 一种耐腐蚀性能优良的低成本奥氏体不锈钢

Info

Publication number: CN102330033B
Application number: CN 201010226829
Authority: CN
Inventors: 淮凯文; 许海刚; 罗明; 崔培耀
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baosteel Desheng Stainless Steel Co., Ltd.
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2030-07-15
Also published as: CN102330033A

Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀性能优良的低成本奥氏体不锈钢，其化学元素质量百分配比为：C≤0.04％；Cr 16.00％～19.00％；Ni 8.00％～10.00％；Mo0.50％～1.50％；Cu 2.10％～4.50％；N 0.02％～0.08％；Mn≤0.80％；Si 1.30％～2.50％；P≤0.04％；S≤0.005％；B 0.0010％～0.0040％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；且Si/Mn为2.5～4。本发明所述的奥氏体不锈钢其耐腐蚀性能和力学性能远远优于现有的304L，接近或达到316L奥氏体不锈钢的水平，但其成本较之316L奥氏体不锈钢下降了20～30％。

Description

一种耐腐蚀性能优良的低成本奥氏体不锈钢

技术领域

本发明涉及一种奥氏体不锈钢，尤其涉及一种耐腐蚀性能优良、成本低廉的奥氏体不锈钢。

背景技术

18-8系列奥氏体不锈钢(如304)中较高含量的铬元素保证了其具有优良的耐腐蚀性能，尤其对氧化性酸(如硝酸)具有很强的耐腐蚀性能，对碱溶液及大部分有机酸和无机酸也有一定的耐腐蚀性能力，该类钢种中大于8％的镍含量保证了其具有优良的室温塑性和成型性能，其固溶态组织为奥氏体加少量的铁素体组织，微量的铁素体组织保证了其优良的焊接性能，亚稳组织保证了其在冷加工变形中可以通过马氏体形变而强化，由于具有以上优异的各方面性能，因此304是奥氏体不锈钢中生产量和使用量最大的钢种之一，主要用于化工、能源、炼油等领域。然而在一些对耐点蚀性和耐均匀腐蚀性能要求比较高的领域，其耐腐蚀性能仍然不能满足要求。

316是在18-8型Cr-Ni奥氏体不锈钢的基础上，添加了2～3％的Mo元素和2～4％的镍元素而发展起来的，由于Mo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、耐点蚀性能和耐缝隙腐蚀等性能，因此Mo的添加使18-8型奥氏体不锈钢耐稀硫酸、磷酸、各种有机酸(如醋酸、甲酸等)、尿素以及耐氯化物孔蚀的性能有明显提高。但其中贵重元素Mo和Ni的大量添加导致了其原料成本居高不下。

鉴于上述情况，对材料耐腐蚀性能的追求应该是既经济又适用，因此研究和开发一种经济的耐腐蚀性能不锈钢成为目前的研究热点。

公开号为JP02213451的日本专利公开了一种钢种，其合金成分为：C≤0.08％，1.10％＜Si＜1.80％，Mn≤2.00％，16.00％＜Cr＜25.00％，8.00％＜Ni＜13.00％，0.50％＜Mo＜1.50％，0.30％＜Cu＜1.20％，0.05％＜N＜0.30％，0.03％＜Nb＜0.10％，余量为Fe。该专利是在18-8奥氏体不锈钢基础上，通过提高氮、硅元素的含量来改善强度，通过提高硅和氮含量来改善材料的耐蚀性，通过添加少量铜来改善其成型性，从而开发了一种高强度、高耐蚀性、低成本的奥氏体不锈钢，但其高的碳、硅和氮含量导致了这种材料的冷加工性能和成型性较差。

专利号为JP2007002319的日本专利中公开了一种钢种，其合金组成和上述专利相似，是在上述专利的基础上将铜含量增加到2％来改善其冷加工性能，且添加了少量的铝而开发出的。然而在冶炼奥氏体不锈钢过程中添加铝需要特殊的铝添加设备或采用其它生产工艺，加大了该类钢的冶炼难度。

专利号为日特开昭57-185960的专利文献中公开了一种钢种，其合金成分为：C≤0.05％，Si＜0.60％，2.00％≤Mn≤5.00％，19.00％＜Cr＜22.50％，6.00％＜Ni＜8.00％，0.18％＜N＜0.30％，0.03％＜Nb＜0.10％，少量的Mo、Cu，余量为Fe，且其Cr当量大于25％，氧含量控制在50ppm。该类钢以提高Mn、N元素的含量来降低Ni的使用量，提高N和Cr含量来提高其耐蚀性，属于低成本奥氏体不锈钢，耐海水腐蚀性能和316奥氏体不锈钢相当。但该类钢中由于Mo含量较少，耐点蚀性能较差，大量的强化元素Cr、Mn和N会导致此材料加工性能较差，少量Cu的添加虽然有利于改善其冷加工性能，但改善程度有限，其耐点蚀性能和成型性能都劣于316L系列奥氏体不锈钢。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐腐蚀性能优良的低成本奥氏体不锈钢，其是基于18-8奥氏体不锈钢的基础上，具有优良耐蚀性和低成本优势的奥氏体不锈钢，其强度、塑韧性及耐稀硫酸、磷酸等还原性介质腐蚀性能达到或接近316和316L奥氏体不锈钢的水平，生产制造难度与316和316L奥氏体不锈钢相当，可用于对耐腐蚀性能要求较高的化工、能源等领域，但其成产成本较之316和316L奥氏体不锈钢却大大降低。

根据本发明的上述目的，本发明提出一种耐腐蚀性能优良的低成本奥氏体不锈钢，其化学元素质量百分配比为：

C≤0.04％；Cr 16.00％～19.00％；Ni 8.00％～10.00％；Mo 0.50％～1.50％；Cu 2.10％～4.50％；N 0.02％～0.08％；Mn≤0.80％；Si 1.30％～2.50％；P≤0.04％；S≤0.005％；B 0.0010％～0.0040％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；且Si/Mn为2.5～4。

优选地，所述奥氏体不锈钢在铸态时的镍铬当量平衡值Val(δ)为20～24。其计算公式为：

Val(δ)＝3*(Cr+Mo)+4.5*Si-2.8*Ni-1.4*(Mn+Cu)-84*(C+N)

本发明所述奥氏体不锈钢的化学元素质量百分配比是发明人根据相平衡、低温析出相以及合金元素含量对相平衡和低温析出相的影响，经过大量计算和试验验证得到的。

从理论分析上来说，上述各化学元素的成分设计原理如下：

Cu：在奥氏体不锈钢中，Cu元素为奥氏体形成元素，因此可替代部分贵重元素，增加Cu元素还可以明显改善该类钢种的冷加工性能，尤其是深冲性能；最重要的是增加Cu元素还可以改善钢种耐稀硫酸溶液腐蚀性能，可代替贵重元素Mo在合金中的作用，且发明人发现Cu元素与Mo元素复合添加，提高钢种耐蚀性的作用更为明显。但少量的Cu发挥上述作用的效果并不明显，经过试验验证效果，发明人将Cu含量最小限定为2.10％。同时发明人通过试验发现，当Cu含量超过某一值时，合金的液相线温度会降低，沉淀相析出倾向明显，这直接影响了所述钢种的可制造性和热加工性，所述“某一值”经试验确定为4.50％。

Mo：Mo在含铬钢中能够促进Cr在钝化膜中的富集，增强了不锈钢钝化膜的稳定性，此外还可以提高钢的再钝化能力，从而大大提高了不锈钢耐各种还原性酸介质的耐蚀性、耐点蚀和缝隙腐蚀能力，但本发明的目的是提供一种低成本的钢种，因此Mo元素作为贵重元素不宜添加过多。此外，发明人发现Mo元素添加过多还会导致钢中形成б、x相等有害金属间化合物。Mo含量限定为0.5％～1.5％，是与其他元素的添加量相配合的，特别是与Cu元素的添加量相配合。

Si：Si是强烈的铁素体形成元素，且为炼钢过程中通常采用的脱氧剂，因此在常规奥氏体不锈钢中都存在一定含量的Si元素，但其含量一般小于0.8％。但是对于本发明，过低的Si含量会降低铬镍不锈钢中的耐蚀性和晶间腐蚀敏感性，而提高Si含量会提高不锈钢的耐高温性能、耐高浓度硝酸和硫酸腐蚀性能，这是因为Si会在不锈钢表面形成富硅的氧化物保护膜。为了防止Si含量过多而导致脆性相析出，钢的塑韧性下降，耐蚀性降低，因此本发明中Si含量限定为1.3％～2.5％。

Mn：Mn是比较弱的奥氏体形成元素，且具有稳定奥氏体组织的作用。在不锈钢中Mn元素是一种脱氧剂产物，在铬镍系不锈钢中一般将Mn含量控制在0.8～1.5％之间。在奥氏体不锈钢中，Mn的加入会降低不锈钢的耐点蚀、耐缝隙腐蚀性能，主要是因为Mn和S形成MnS夹杂，这些夹杂会成为点蚀、缝隙腐蚀源。在试验过程中，发明人发现当将304不锈钢中的Mn含量降到约0.1％时，此钢的耐点蚀能力将达到316的耐点蚀水平。因此，本发明为了提高钢种的耐蚀性能，在保持奥氏体组织稳定的情况下近可能的降低Mn含量，最终通过试验确定Mn元素含量的最大值为0.8％。

C：C元素在奥氏体不锈钢中是强烈形成并稳定奥氏体及扩大奥氏体区的元素，因此C对形成奥氏体组织起着极其重要作用，但C含量过高时，会导致碳化物Cr₂₃C₆析出，降低奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀性能和耐点蚀性能，所以需要控制在较低水平，因此将其最大值确定为0.04％。

N：N元素是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区的元素，N元素在奥氏体不锈钢中可替代部分Ni元素。N可通过固溶强化，显著提高奥氏体不锈钢的强度并不明显降低其塑韧性。此外N的加入还会增加奥氏体不锈钢的耐点蚀性能，通过延缓碳化物的析出还会使耐晶间腐蚀性能得到改善。但当N含量过大时，对奥氏体不锈钢的热加工和冷成型性能都会有不利影响，因此将氮含量控制为0.02％～0.08％。

B：B元素在奥氏体不锈钢中的固溶度很低，可通过偏聚在晶间提高晶间强度，从而改善不锈钢的热加工性能，但过多的B元素会导致硼化物在晶间析出，恶化其热加工性能，因此本发明中硼含量控制在0.0010～0.0040％。

Cr和Ni：由于本发明是基于奥氏体不锈钢18-8的提高和改善，因此Cr和Ni的含量主要参考奥氏体不锈钢18-8的成分设计。

P和S元素为杂质元素。

将Si/Mn的比值控制在2.5～4，是发明人综合考虑钢种的耐蚀性、奥氏体组织的稳定性和钢种的可加工性能三方面得出的。试验证明，若Si/Mn大于4，过低的Mn含量和过高的Si含量会导致合金中存在较多的残余铁素体，且奥氏体组织不稳定，造成合金冷热加工性能和表面质量恶化；若Si/Mn小于2.5，Mn含量过高又会降低奥氏体不锈钢的耐蚀性，这就需要增加适量的Si元素来弥补由于Mn含量增加带来的耐蚀性下降。

镍铬当量平衡值Val(δ)含量为20～24，是为了控制奥氏体不锈钢中的残余铁素体含量。若Val(δ)值小于20，说明该合金为全奥氏体组织，这种全奥氏体组织虽有良好的冷加工性能，但是会导致板材表面出现微裂纹、焊接性不良等问题；若Val(δ)值大于24，说明奥氏体组织中存在过多残余铁素体含量，这些残余铁素体含量会影响材料的热加工性能和板材的表面质量。

本发明所述的奥氏体不锈钢具有以下优点：

(1)相比于18-8系列奥氏体不锈钢，本发明所述的钢种具有良好的耐点蚀性能和在还原性介质(如稀硫酸、磷酸等)环境中具有更优的耐蚀性，可替代奥氏体不锈钢316和316L；

(2)经过成本核算，相对于同样耐蚀性的奥氏体不锈钢316L，本发明所述的奥氏体不锈钢成本可降低20-30％，体现出来巨大的经济效益。

(3)本发明所述的奥氏体不锈钢可采用常规的不锈钢生产工艺进行生产，对生产工艺没有特殊要求，因此具有很好的实施便利性，同时其还具有良好的热加工性能、冷成型性能。

具体实施方式

实施例1-4

按照下列步骤进行制造：

(1)使用非真空感应炉、电炉+AOD双联工艺或电炉+AOD+VOD三联工艺冶炼、浇铸；

(2)热轧成6～12mm不同规格的热轧卷板，在1080℃进行固溶热处理，然后酸洗；

(3)将上述经过酸洗的热轧卷板进一步冷轧为2mm的冷轧板。

表1为实施例1-4以及作为对比例的常规奥氏体不锈钢304L、316L的化学成分含量表。

表1.实施例1-4和对比例的化学成分(重量百分比)

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

N

Mo

Cu

B

Val(δ)

Si/Mn

Md30

实施例1	0.032	1.43	0.55	0.024	0.003	17.60	9.44	0.070	0.97	2.10	0.0030	23.44	2.60	-60
															实施例2	0.015	2.40	0.70	0.031	0.002	16.10	9.98	0.050	1.10	3.40	0.0020	23.26	3.43	-67
实施例3	0.038	1.31	0.35	0.016	0.003	18.80	9.30	0.075	0.51	4.20	0.0017	21.92	3.74	-100
															实施例4	0.035	1.70	0.60	0.024	0.001	16.20	8.10	0.06	1.45	3.90	0.0014	23.64	2.83	-53
316L	0.023	0.40	1.29	0.020	0.001	16.60	10.50	0.045	2.05	-	-	20.98	0.31	22
															304L	0.024	0.45	1.10	0.018	0.002	18.10	8.20	0.05	-	-	-	25.61	0.41	41

表1中的Md30为奥氏体稳定性度量指标，Md30越小，表明奥氏体相越稳定。

随后，对各实施例和对比例进行了取样，分别进行了力学性能、腐蚀性能和成型性能的测试。表2～表5分别列出了实施例和对比例的拉伸性能、冲击性能和耐腐蚀性能的对比结果。

表2.实施例1-4和对比例的热轧板室温拉伸性能

	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	延伸率(％)
				实施例1	265	560	57
实施例2	265	565	58
				实施例3	275	585	56
实施例4	270	565	60
				316L	255	565	59
304L	270	610	60

表3.实施例1-4和对比例热轧板夏比冲击功A_kv(J)

(表3中的A_kv值采用V型缺口测量，试样尺寸为10mm×10mm×50mm)

表4.实施例1-4和对比例中冷轧板的力学性能

	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	延伸率(％)	n值
					实施例1	275	580	47	0.315
实施例2	280	570	48	0.320
					实施例3	270	585	49	0.325
实施例4	285	580	50	0.321
					316L	285	622	49	0.360
304L	280	626	50	0.370

表5.实施例1-4和对比例耐腐蚀性能的对比结果

表5所述的耐腐蚀为耐均匀腐蚀(5％H₂SO₄，沸腾状态)、耐晶间腐蚀性能(H₂SO₄/CuSO₄)和耐点蚀性能(3.5％NaCl，30℃)。其中耐晶间腐蚀采用GB/T4334.5-2000标准，敏化处理条件为650℃/120min；耐均匀腐蚀性能采用GB/T 4334.6-2000标准；点蚀电位测量采用GB/T 17899-1999标准。

由表1～表5可以看出，本发明所述的奥氏体不锈钢力学性能、耐腐蚀性能远远优于现有的304L，接近或达到316L奥氏体不锈钢的水平。

Md30和n值是影响奥氏体不锈钢冷加工性能和成型性能的两个重要指标，其中Md30为奥氏体稳定性度量指标，n值为加工硬化指数，Md30越小，表明奥氏体相越稳定，n值越小表明奥氏体不锈钢在冷加工过程中不易产生加工硬化，一定程度上避免了由于上工序加工硬化导致的下工序深冲性能的恶化。对于材料的深冲性和延伸凸缘性成型，要求奥氏体组织相越稳定越好，这就要求钢种具有较低的Md30值。其中Md30采用下述公式计算，其中v为晶粒度：

Md30＝497-462(C％+N％)-9.2Si％-8.1Mn％-13.7Cr％-20(Ni％+Cu％)-18.5Mo％-1.4(v-8.0)

本发明所述钢种的Md30值(见表1)，远低于304L和316L，说明其奥氏体组织比较稳定。其n值(见表4)也低于304L和316L，说明奥氏体不锈钢在冷加工过程中不易硬化，即奥氏体组织比较稳定，不易产生马氏体相变。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，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

1.一种耐腐蚀性能优良的低成本奥氏体不锈钢，其特征在于，其化学元素质量百分配比为：

余量为Fe和其他不可避免的杂质；

且Si/Mn为2.5～4；

所述奥氏体不锈钢在铸态时的镍铬当量平衡值为20～24，其中镍铬当量平衡值的计算公式为：

Val（δ）=3*(Cr+Mo)+4.5*Si-2.8*Ni-1.4*(Mn+Cu)-84*(C+N)。