CN102534425A - 一种低成本高强度铁素体不锈钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本高强度铁素体不锈钢，其各化学元素质量百分配比为：C 0.01～0.015％；Mn 1.5～2.0％；Si0.5～0.7％；Cr 11.0～12.5％；Nb 0.05～0.1％；Ni0.8～1.0％；Ti0.10～0.15％；N 0.008～0.012％；V≤0.1％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。相应地，本发明还公开了该低成本高强度铁素体不锈钢的制造方法。本发明所述的低成本高强度铁素体不锈钢的强度大大高于现有铁素体不锈钢的强度，且具有良好的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢种及其制造方法，尤其涉及一种铁素体不锈钢及其制造方法。
背景技术
铁素体不锈钢因其具有较强的耐氯化物、耐点蚀、耐缝隙腐蚀等局部耐腐蚀性能，被广泛应用到各个领域。用于高强度容器的不锈钢不仅需要具备一定的耐腐蚀性，而且由于其特殊的使用环境，此类不锈钢必需具备一定的屈服强度，从而为规避使用过程中可能会出现的碰撞风险提供一定的质量保证。
常规的铁素体不锈钢，例如Cr17，虽然在抗腐蚀性能上能够满足使用要求，但其屈服强度较低，一般在300MPa以下，且其室温冲击功低，因此不能满足高强度容器对钢的屈服强度(一般要大于350MPa)以及冲击功的要求，而Cr含量更高的铁素体不锈钢则又会不可避免地增加材料制造成本。
现有的公开文献中公开的高强度不锈钢均为马氏体不锈钢或奥氏体不锈钢。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种低成本高强度铁素体不锈钢，该铁素体不锈钢通过适当的成分设计辅以适当的制备工艺，使其强度应当远远高于现有常用的铁素体不锈钢，同时通过降低合金化元素的含量还使得其原料成本大大降低。
本发明的另一目的在于提供该低成本高强度铁素体不锈钢的制造方法，该制造方法还应当满足制造工艺简单的要求。
根据上述发明目的，本发明提供了一种低成本高强度铁素体不锈钢，其各化学元素质量百分配比为：
C：0.01～0.015％；
Mn：1.5～2.0％；
Si：0.5～0.7％；
Cr：11.0～12.5％；
Nb：0.05～0.1％；
Ni：0.8～1.0％；
Ti：0.10～0.15％；
N：0.008～0.012％；
V≤0.1％；
余量为Fe和其他不可避免的杂质。
优选地，所述低成本高强度铁素体不锈钢的各化学元素质量百分配比为：
C：0.01～0.015％；
Mn：1.75～2.0％；
Si：0.55～0.65％；
Cr：11.1～11.5％；
Nb：0.05～0.1％；
Ni：0.8～1.0％；
Ti：0.12～0.15％；
N：0.008～0.012％；
V：0.05～0.08％；
余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明所述的低成本高强度铁素体不锈钢的成分设计原理如下：
C、N：在不锈钢中，C、N均为强烈的奥氏体形成元素，势必影响材料中的Cr、Ni当量比，从而影响钢的热处理工艺，此外，C、N含量高，还会使材料的抗晶间腐蚀能力更加恶化。鉴于本技术方案所采用的热处理工艺以及与其他元素的匹配，发明人将C和N元素的含量控制在本技术方案所要求的范围内。
Si：Si为脱氧元素，如果钢中Si元素含量过低，在炼钢过程中就起不到脱氧的作用，但是对于本技术方案来说，过多的Si元素将会促进钢的铁素体当量增加，不利于提高铁素体不锈钢的强度，因此发明人将Si含量控制在0.5～0.7％内。
Mn：Mn为强烈的奥氏体形成元素，在钢中Mn和Si一起起到复合脱氧的作用。Mn元素的含量控制是本技术方案的核心，发明人通过试验证明，若要实现钢的高强度的同时，还保证钢的塑性不能降得太低，需要将Mn元素含量控制在本技术方案所要求的范围内。此外，对于本技术方案来说，将Mn元素含量控制在上述范围内，还可在不影响镍当量的情况下，有效减少C、N含量，从而增加产品的耐腐蚀性，并改善钢的焊接性能。
Cr：不锈钢要求具有良好的耐蚀性，因此为了使本技术方案所述的铁素体不锈钢具有一定程度的耐腐蚀性并保证其具有比较好的热加工性，需要将Cr元素含量限定在11.1～11.5％范围内。此外，在满足高强度和耐腐蚀性的同时，发明人在设计Cr元素含量时还充分考虑了制造钢的原料成本的因素。
Nb：鉴于不锈钢对于抗腐蚀性能的要求，综合考虑本技术方案对于铁素体不锈钢力学性能的要求，发明人将Nb含量控制在本技术方案所要求的范围内。
Ni：本技术方案中Ni含量的设计综合考虑了其对奥氏体相的稳定性、塑性以及制造成本的影响，同时Ni元素的含量还应当与Cr元素的含量相匹配，因此发明人将其控制在0.8～1.0％。
Ti：对于本技术方案来说，为了提高铁素体不锈钢的焊接性能以及抗晶间腐蚀性能，发明人将Ti元素含量控制在0.12～0.15％范围内。
本技术方案中的杂质元素主要是P元素和S元素，其含量均应当尽可能地低。
相应地，本发明还提供了上述低成本高强度铁素体不锈钢的制造方法，其包括下列步骤：
(1)冶炼、铸造：将原料置于真空感应炉中冶炼，温度达到1580±10℃时浇铸成钢锭，钢锭厚度为150～350mm，然后将钢锭空冷至室温；采用真空感应炉可以精确控制钢的气体成分(如N含量)，而在温度达到1580±10℃时进行浇铸，钢的成分及气体含量均较为稳定，为钢的后续热加工及热处理提供了保障；
(2)加热、粗轧：将钢锭加热至1050～1150℃后保温120～150分钟，轧制为粗轧坯，粗轧坯厚度为40～60mm，粗轧的终轧温度控制在890℃以上；
(3)将粗轧坯再次加热、精轧：将粗轧坯再次加热到1050～1150℃后保温45～60分钟，进行精轧，厚度控制在2～10mm，精轧的终轧温度为890～920℃；
在上述步骤(2)和步骤(3)中，如果加热温度高于1150℃，钢在热轧过程中将会因为进入了高温双相区间而使之在热轧过程容易引起开裂，而低于1050℃，随着温度的降低，将增加轧制应力。
(4)热处理：热处理温度为720～780℃，热处理保温时间为13～20小时。将热处理温度控制在上述范围内可以使钢获得较好的力学性能，钢在此温度范围内为铁素体单相上部区域，经过热处理后不仅能使钢中的轧制应力消除，钢的马氏体组织也发生了部分转变，而且能够提高钢的综合力学性能。
优选地，在上述低成本高强度铁素体不锈钢的制造方法中，所述步骤(2)中在钢锭加热前先对钢锭表面进行修磨。
优选地，在上述低成本高强度铁素体不锈钢的制造方法中，所述步骤(4)中，以罩式炉方式退火。
本发明所述的低成本高强度铁素体不锈钢由于采用了上述技术方案，使得其较之现有的常规铁素体不锈钢具有以下优点：
1.本发明所述的铁素体不锈钢的屈服强度可以达到500MPa以上，较之现有铁素体不锈钢所具有的300MPa的强度，屈服强度获得了大幅提高；
2.本发明所述的铁素体不锈钢合金化元素含量低，因此制造成本十分低廉，可以大大降低钢种的生产成本；
3.本发明所述的铁素体不锈钢的冲击功较之现有铁素体不锈钢的冲击功也有大幅提高，可以达到200J左右。
具体实施方式
实施例1-5
采用下述步骤制备铁素体不锈钢(本案实施例1-5中各钢种成分见表1)：
(1)冶炼、铸造：将原料置于真空感应炉中冶炼，温度达到1580±10℃时浇铸成钢锭，钢锭厚度为150～350mm，然后将钢锭空冷至室温；
(2)加热、粗轧：将钢锭加热至1050～1150℃后保温120～150分钟，轧制为粗轧坯，粗轧坯厚度为40～60mm，粗轧的终轧温度为890℃以上；
(3)再次加热、精轧：将粗轧坯再次加热到1050～1150℃后保温45～60分钟，进行精轧，厚度控制在2～10mm，精轧的终轧温度为890～920℃；
(4)热处理：罩式炉退火，热处理温度为720～780℃，热处理保温时间为13～20小时。
本案实施例1-5中各步骤的详细工艺参数参见表2。
表1.(余量为Fe以及除S、P外其他不可避免的杂质)
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Nb | Ni | N | Ti | |
| 实施例1 | 0.01 | 0.55 | 1.8 | 0.01 | 0.001 | 11.3 | 0.05 | 0.9 | 0.008 | 0.12 |
| 实施例2 | 0.015 | 0.65 | 1.9 | 0.02 | 0.001 | 11.1 | 0.1 | 1.0 | 0.012 | 0.15 |
| 实施例3 | 0.013 | 0.57 | 1.85 | 0.01 | 0.001 | 11.12 | 0.083 | 0.92 | 0.011 | 0.14 |
| 实施例4 | 0.014 | 0.65 | 2.0 | 0.01 | 0.001 | 11.28 | 0.079 | 0.97 | 0.012 | 0.15 |
| 实施例5 | 0.012 | 0.60 | 1.75 | 0.015 | 0.0012 | 11.5 | 0.08 | 0.8 | 0.009 | 0.13 |
表2.
表3列出了本案实施例1-5的力学性能。
表3.
从表3可以看出，本发明所述的铁素体不锈钢的屈服强度可以达到500MPa以上，抗拉强度可以达到650MPa以上，较之现有的铁素体不锈钢强度有了大幅度的提高，此外该铁素体不锈钢在具有高强度的同时，还具有良好的延展性和抗冲击性，因此具有很好的综合力学性能。
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 (5)
1.一种低成本高强度铁素体不锈钢，其特征在于，其各化学元素质量百分配比为：
C：0.01～0.015％；
Mn：1.5～2.0％；
Si：0.5～0.7％；
Cr：11.0～12.5％；
Nb：0.05～0.1％；
Ni：0.8～1.0％；
Ti：0.10～0.15％；
N：0.008～0.012％；
V ≤0.1％；
余量为Fe和其他不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的低成本高强度铁素体不锈钢，其特征在于，其各化学元素质量百分配比为：
C：0.01～0.015％；
Mn：1.75～2.0％；
Si：0.55～0.65％；
Cr：11.1～11.5％；
Nb：0.05～0.1％；
Ni：0.8～1.0％；
Ti：0.12～0.15％；
N：0.008～0.012％；
V：0.05～0.08％；
余量为Fe和其他不可避免的杂质。
3.如权利要求1或2所述的低成本高强度铁素体不锈钢的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)冶炼、铸造：将原料置于真空感应炉中冶炼，温度达到1580±10℃时浇铸成钢锭，钢锭厚度为150～350mm，然后将钢锭空冷至室温；
(2)加热、粗轧：将钢锭加热至1050～1150℃后保温120～150分钟，轧制为粗轧坯，粗轧坯厚度为40～60mm，粗轧的终轧温度为890℃以上；
(3)再次加热、精轧：将粗轧坯再次加热到1050～1150℃后保温45～60分钟，进行精轧，厚度控制在2～10mm，精轧的终轧温度为890～920℃；
(4)热处理：热处理温度为720～780℃，热处理保温时间为13～20小时。
4.如权利要求3所述的低成本高强度铁素体不锈钢的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)中在钢锭加热前先对钢锭表面进行修磨。
5.如权利要求3所述的低成本高强度铁素体不锈钢的制造方法，其特征在于，所述步骤(4)中，以罩式炉方式退火。
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