CN102560268B - 一种超低碳高强度不锈钢细径导管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超低碳高强度不锈钢领域，具体地说是一种沉淀强化型超低碳奥氏体不锈钢细径导管及其制备方法，解决现有技术中存在的内壁粗糙度难以控制等问题。按重量百分比计，其成分范围如下：碳≤0.015，Ni：29.5～31.0，Cr：13.5～16.5，Mo：1.1～1.5，钛：1.6～2.4，铝：0.1～0.5，硅：0.1～0.5，硫≤0.006，磷≤0.006，铁：余量。采用真空感应熔炼→钢模铸造→铸锭均匀化→锻造的方法制备不锈钢棒材(棒材也可通过真空感应熔炼+真空自耗重熔→锻造→棒材轧制→改锻成所需规格棒材的方法制备)，再通过管坯加工→多道次轧制+中间退火→拉拔→成品热处理的方法制备不锈钢细径导管。
Description
技术领域
本发明涉及超低碳高强度不锈钢领域，具体地说是一种沉淀强化型超低碳奥氏体不锈钢细径导管及其制备方法。
背景技术
304、310、316以及316L等单相奥氏体不锈钢具有中等强度、较高塑性，以及良好的耐蚀性能，由这类不锈钢所制备细径导管(φ3～4mm)已经在能源、航空、航天及核能领域获得了应用。但应指出的是，由单相奥氏体不锈钢制备的细径导管强度都不高，特别是在固溶态使用时，其屈服强度(σ0.2)仅为260～420MPa、抗拉强度不超过590～760MPa。随着航空、航天和核能利用等高科技领域的发展，对所用材料和器件提出了更高的要求，现有的不锈钢细径导管已不能满足使用要求。沉淀强化型奥氏体不锈钢是在单相奥氏体不锈钢基础上，通过Ti、Al等元素的合金化发展起来的，该类不锈钢在时效态下使用，通过析出与基体具有共格关系的强化相γ′-Ni3(Al，Ti)获得高强度和良好塑性匹配。
一般来说，当不锈钢细径导管内孔尺寸大于φ2.5～3.0mm时，可以采用轧制的工艺进行制备，因此细径导管的内壁粗糙度可以得到很好的控制，内壁粗糙度一般满足Ra≤1.6μm。当不锈钢细径导管的内孔尺寸小于φ2.5～3.0mm时，不能采用轧制、而只能采用拉拔工艺制备，如工艺选择不当，可导致细径导管内壁粗糙度大幅增加，由轧制状态的Ra≤1.6μm，增加至Ra≥3.2μm，甚至可达Ra≥7～8μm(典型的细径导管内壁形貌如图1(a)-(b))。因此，如何保证该类不锈钢细径导管的内壁粗糙度，或者说实现其内壁粗糙度控制是一个关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低碳高强度不锈钢细径导管及其制备方法，解决现有技术中存在的内壁粗糙度难以控制等问题。
本发明的技术方案是：
一种超低碳高强度不锈钢细径导管，其主要成分范围如下(重量百分比)：
碳≤0.015，Ni：29.5～31.0，Cr：13.5～16.5，Mo：1.1～1.5，钛：1.6～2.4，铝：0.1～0.5，硅：0.1～0.5，硫≤0.006，磷≤0.006，铁：余量。
本发明超低碳高强度不锈钢细径导管的制备方法，采用真空感应熔炼→钢模铸造→铸锭均匀化→锻造的方法制备不锈钢棒材(棒材也可通过真空感应熔炼+真空自耗重熔→锻造→棒材轧制→改锻成所需规格棒材的方法制备)，再通过管坯加工→多道次轧制+中间退火→拉拔→成品热处理的方法制备不锈钢细径导管。通过采用CaO坩埚进行真空感应熔炼，有效控制合金中的碳、硫、磷杂质含量，提高不锈钢的抗晶间腐蚀能力；通过多道次的轧制和1～2次拉拔，获得满足规格尺寸要求的不锈钢细径导管；通过控制中间退火温度、时间和拉拔道次，提高细径导管内壁粗糙度；通过最终的成品热处理，使不锈钢中析出适宜尺寸和数量的γ′强化相，保证合金具有高的强度和适宜塑性，具体步骤如下：
(1)以工业纯铁、电解镍、金属铬、金属钼、钛铁、铝锭和硅铁为原料，采用CaO坩埚进行真空感应熔炼；
(2)铸锭在1160～1200℃进行24±2h的均匀化处理，随炉冷却至室温；或者，进行真空自耗重熔；
(3)在1050～1150℃保温2～8h后进行合金锻造，开坯锻造温度1050～1150℃，终锻温度900～1000℃，锻棒尺寸控制在φ30～35mm；
(4)取步骤(3)中锻棒，在980±20℃保温50～80min，水淬处理，然后加工成管坯；
(5)取步骤(4)中的管坯在LD30轧机上进行多道次的轧制，每道次轧制变形量控制在15～35％，每道间进行930～980℃保温30～60min，气淬处理，最终轧管尺寸控制在：外径φ4～4.5mm，壁厚0.7～0.9mm；
(6)取步骤(5)中的轧管进行930～980℃保温20～40min，气淬处理，随后进行1～2次拉拔，最终细径导管尺寸控制在：外径 
圆度公差：±0.05mm，壁厚：0.8mm±0.064mm，外壁粗糙度Ra≤1.6μm，内壁粗糙度Ra≤3.2μm；
(7)取步骤(6)中的细径导管进行成品热处理：在980±20℃保温20～30mm后气淬处理，接着在670～730℃保温8～16h后气淬处理。
本发明中，气淬的气氛为氮气。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明基于单相奥氏体不锈钢的基础上，通过添加Ti、Al合金元素，利用时效过程中沉淀析出的细小弥散γ′-Ni3(Al，Ti)相的强化作用，保证了超低碳不锈钢细径导管的屈服强度(σ0.2)高于450～520MPa、抗拉强度高于900～1000MPa，延伸率高于25～30％。
2、本发明中的不锈钢细径导管可通过时效热处理进行强化，并可通过不同时效温度和时间的选择，实现合金细径导管的不同强度和塑性匹配。
3、本发明中的细径导管仅含超低的碳、硫和磷杂质，有效减少了时效和使用过程中有害相(如碳化物)在晶界的析出，从而保证高强度不锈钢细径导管的抗晶间腐蚀能力。
4、本发明通过控制轧制过程中的中间退火温度(930～980℃)、退火时间(20～40min)，以及控制冷拉拔道次(1～2次)，不但有效保证了细径导管的尺寸精度，用该方法制备的不锈钢细径导管规格为，外径： 
壁厚：0.8mm±0.064mm，圆度公差：±0.05mm；尤为重要的是，用该方法制备的不锈钢细径导管，可将外壁粗糙度Ra控制在≤1.6μm，内壁粗糙度Ra控制在≤3.2μm。
5、本发明方法制备的细径导管屈服强度(σ0.2)高于450～520MPa、抗拉强度高于900～1000MPa，延伸率高于25～30％。用该方法制备的超低碳高强度不锈钢细径导管，按GB/T4335.5-2000《不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法》进行抗晶间腐蚀性能检测，无晶间腐蚀发生。
附图说明
图1(a)-图1(b)为内壁粗糙度Ra＝7.68μm的不锈钢细径导管内外表面形貌图；其中，图1(a)纵向截面；图1(b)横向截面。
图2为机加工态不锈钢管坯。
图3为超低碳高强度不锈钢细径导管。
图4为晶间腐蚀实验后的细径导管微观组织。
具体实施方式
实施例1：φ3.17(外径)mm×0.78(壁厚)mm超低碳高强度不锈钢细径导管及其制备
采用CaO坩埚，在25kg真空感应炉上熔炼不锈钢，经铸锭均匀化、锻造、 管坯加工、轧制和拉拔制备成φ3.17mm×0.78mm规格细径导管，其化学成分见表1，制备过程为：
1、原材料为工业纯铁、电解镍、金属铬、金属钼、钛铁、铝锭和硅铁等。
2、将上述原材料装入CaO坩埚，进行真空感应熔炼，浇铸。
3、铸锭在1160～1200℃进行24±2h的均匀化处理(本实施例均匀化处理温度为1180℃、保温时间24h)，随炉冷却至室温。
4、在1050～1150℃保温2～8h后进行合金锻造(本实施例开坯锻造温度为1120℃、保温时间为2.5h)，终锻温度900～1000℃(本实施例终锻温度为950℃)，锻棒尺寸控制在φ30～35mm(本实施例锻棒尺寸为φ33mm)。
5、取步骤(4)中锻棒进行980±20℃保温50～80min，水淬处理(本实施例为980℃/60min)，然后加工成如图2的管坯。
6、取步骤(5)中的管坯在LD30轧机上进行多道次的轧制(本实施例为8道次轧制)，每道次轧制变形量控制在15～35％(本实施例为20～30％)，每道间进行930～980)℃保温30～60min，气淬处理(本实施例为950℃/40min)，最终轧管尺寸控制在：外径φ4～4.5mm，壁厚0.7～0.9mm(本实施例为外径φ4.2mm，壁厚0.80mm)。
7、取步骤(6)中的轧管进行930～980℃保温20～40min，气淬处理(本实施例为950℃/30min)，随后进行1～2次拉拔(本实施例为2次拉拔)，最终制备成规格为φ3.17×0.78mm的细径导管，其规格尺寸检验结果见表3。
8、取步骤(7)中的细径导管进行980±20℃保温20～30mm后气淬处理，接着在670～730℃保温8～16h后气淬处理(本实施例为980℃/20min，气淬+720℃/12h，气淬)，所制备的超低碳高强度不锈钢细径导管见图3。
9、取按步骤8处理的细径导管在万能工具显微镜上进行尺寸检测、在2206B表面粗糙度仪进行细径管内外表面粗糙度检测，结果见表4。将按步骤8处理的细径导管按GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学性能测试，结果见表5。
10、将按步骤8处理的细径导管按GB/T 4334.5-2000《不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法》进行抗晶间腐蚀实验，按金相法对细径导管的晶间腐蚀倾向做评定，结果表明所制备的超低碳高强度不锈钢细径导管无晶间腐蚀发生。图4是晶间腐 蚀实验后不锈钢细径导管的微观组织。
表1.不锈钢细径导管的化学成分(wt％)
| C | Si | Ni | Cr | Mo | Al | Ti | P | S | Fe |
| 0.013 | 0.23 | 30.0 | 14.85 | 1.30 | 0.25 | 2.12 | 0.004 | 0.0006 | 余 |
实验结果表明，本实施例所制备的规格为φ3.17×0.78mm的超低碳不锈钢细径导管抗拉强度高于970MPa、屈服强度高于500MPa、延伸率高于30％；细径导管内壁粗糙度可控制在Ra≤2.0μm，无晶间腐蚀发生。从而，可以看出所制备不锈钢细径导管不但有高强度、较好的内表面质量，而且具有优异的抗晶间腐蚀能力。
实施例2：φ3.17(外径)mm×0.81(壁厚)mm超低碳高强度不锈钢细径导管及其制备
与实施例1不同之处在于，调整了细径导管轧制过程中的退火温度和拉拔道次，所制备的不锈钢细径导管壁厚为0.81mm。
采用与实施例1相同的φ33mm不锈钢棒材加工成管坯，随后管坯在LD30轧机上经8道次轧制成规格为φ4.2×0.80mm的管材，每道次轧制变形量控制20～30％，每道间进行970℃保温40min，气淬处理。将φ4.2×0.80mm轧管进行970℃保温30min，气淬处理后进行1次拉拔，制备成规格为φ3.17×0.81mm的细径导管，最后进行980℃保温20min后气淬处理，接着在720℃保温12h后气淬处理。按与实施例1相同的方法进行细径导管的尺寸、表面粗糙度检验、力学和抗晶间腐蚀性能测试，检测结果见表3、表4和表5。
实验结果表明，本实施例所制备的规格为φ3.17×0.81mm的超低碳不锈钢细径导管抗拉强度高于970MPa、屈服强度高于500MPa、延伸率高于30％；细径导管内壁粗糙度可控制在Ra≤2.0μm，无晶间腐蚀发生。从而，可以看出所制备不锈钢细径导管不但有高强度、较好的内表面质量，而且具有优异的抗晶间腐蚀能力。
实施例3：φ3.17(外径)mm×0.83(壁厚)mm超低碳高强度不锈钢细径导管及其制备
与实施例1不同之处在于，制备细径导管所用不锈钢为工业规模制备，调整了细径导管轧制过程中间退火温度和拉拔道次，所制备的不锈钢细径导管壁厚为 0.83mm，细径导管化学成分见表2。
采用CaO坩埚，以工业纯铁、电解镍、金属铬、金属钼、钛铁、铝锭和硅铁等合金为原料，在500kg真空感应炉上进行不锈钢熔炼。铸锭经真空自耗重熔后制备成φ306mm圆棒，随后在1140℃、保温时间为6h后锻造成φ150mm棒材；之后经1120℃、保温时间为3h后轧制成φ65mm圆棒；将φ65mm圆棒经1120℃、保温时间为2h后改锻成φ32mm圆棒。φ32mm圆棒经980℃保温60min，水淬处理后加工成如图2的管坯。管坯在LD30轧机上经8道次轧制成规格为φ4.2×0.80mm的管材，每道次轧制变形量控制20～30％，每道间进行940℃保温40min，气淬处理。将φ4.2×0.80mm轧管进行940℃保温30min，气淬处理后进行1次拉拔，制备成规格为φ3.17×0.83mm的细径导管，最后进行980℃保温20min后气淬处理，接着在700℃保温12h后气淬处理。按与实施例1相同的方法进行细径导管的尺寸、表面粗糙度检验、力学和抗晶间腐蚀性能测试，检测结果见表3、表4和表5。
表2.不锈钢细径导管的化学成分(wt％)
| C | Si | Ni | Cr | Mo | Al | Ti | P | S | Fe |
| 0.011 | 0.21 | 29.8 | 14.95 | 1.36 | 0.29 | 2.12 | 0.004 | 0.0006 | 余 |
实验结果表明，本实施例所制备的规格为φ3.17×0.83mm的超低碳不锈钢细径导管抗拉强度高于970MPa、屈服强度高于500MPa、延伸率高于30％；细径导管内壁粗糙度可控制在Ra≤2.0μm，无晶间腐蚀发生。从而，可以看出所制备不锈钢细径导管不但有高强度、较好的内表面质量，而且具有优异的抗晶间腐蚀能力。
表3不锈钢细径导管规格尺寸检验结果
表4不锈钢细径导管内外表面粗糙度
表5不锈钢细径导管的力学性能
| 细径导管尺寸/mm | σb/MPa | σ0.2/MPa | δ/％ | 备注 |
| φ3.17×0.78 | 975 | 505 | 33.0 | |
| φ3.15×0.81 | 980 | 510 | 32.5 | |
| φ3.15×0.68 | 950 | 485 | 33.5 |
注：每个数据取3个试样的平均值
结果表明，采用本发明技术方案的工艺参数范围内，均可实现本发明目的，所制备的超低碳高强度不锈钢细径导管屈服强度(σ0.2)高于450～520MPa、抗拉强度高于900～1000MPa，延伸率高于25～30％。不锈钢细径导管的内壁粗糙度可控制在Ra≤3.2μm以内，同时具有优异的抗晶间腐蚀能力。
Claims (1)
1.一种超低碳高强度不锈钢细径导管的制备方法，其特征在于，按重量百分比计，所述超低碳高强度不锈钢细径导管其成分范围如下：
碳≤0.015，Ni：29.5～31.0，Cr：13.5～16.5，Mo：1.1～1.5，钛：1.6～2.4，铝：0.1～0.5，硅：0.1～0.5，硫≤0.006，磷≤0.006，铁：余量；
所述超低碳高强度不锈钢细径导管的制备方法包括如下步骤：
（1）以工业纯铁、电解镍、金属铬、金属钼、钛铁、铝锭和硅铁为原料，采用CaO坩埚进行真空感应熔炼；
（2）铸锭在1160～1200℃进行24±2h的均匀化处理，随炉冷却至室温；或者，进行真空自耗重熔；
（3）在1050～1150℃保温2～8h后进行合金锻造，开坯锻造温度1050～1150℃，终锻温度900～1000℃，锻棒尺寸控制在φ30～35mm；
（4）取步骤（3）中锻棒，在980±20℃保温50～80min，水淬处理，然后加工成管坯；
（5）取步骤（4）中的管坯在轧机上进行多道次的轧制，每道次轧制变形量控制在15～35%，每道间进行930～980℃保温30～60min，气淬处理，最终轧管尺寸控制在：外径φ4～4.5mm，壁厚0.7～0.9mm；
（6）取步骤（5）中的轧管进行930～980℃保温20～40min，气淬处理，随后进行1～2次拉拔，最终细径导管尺寸控制在：外径
mm，圆度公差：±0.05mm，壁厚：0.8mm±0.064mm，外壁粗糙度Ra≤1.6μm，内壁粗糙度Ra≤3.2μm；
（7）取步骤（6）中的细径导管进行成品热处理：在980±20℃保温20～30min后气淬处理，接着在670～730℃保温8～16h后气淬处理。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |