CN103540859A

CN103540859A - 一种高耐热不锈钢咖啡壶材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103540859A
Application number: CN201310532565.XA
Authority: CN
Inventors: 焦德宏
Original assignee: Wanbaoli Stainless Steel Products (dongguan) Co Ltd
Current assignee: Wanbaoli Stainless Steel Products (dongguan) Co Ltd
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: CN103540859B

Abstract

本发明涉及咖啡壶材料技术领域，具体涉及一种高耐热不锈钢咖啡壶材料及其制备方法，该材料的化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.01~0.05%、N：0.06~0.1%、Si：0.4~0.8%、Mn：0.6~1%、Cr：14~18%、Ni：0.8~1.2%、Mo：1~1.4%、La：0.001~0.005%、Ce：0.005~0.025%、Nb：0.05~0.15%、Ti：0.6~1%、余量为铁和杂质。本发明通过严格控制每种元素的含量，使材料具有较高的耐热性，生产成本低，且还具有较高的强度、硬度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性，综合性能优异。

Description

一种高耐热不锈钢咖啡壶材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及咖啡壶材料技术领域，具体涉及一种高耐热不锈钢咖啡壶材料及其制备方法。

背景技术

咖啡壶是一种冲煮咖啡的器具，随着人们生活水平的提高，咖啡壶的使用范围越来越广，咖啡壶的种类也越来越多，有不锈钢咖啡壶、塑料咖啡壶、玻璃咖啡壶等，不锈钢咖啡壶由于具有较高的韧性、强度、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，是市场上的主要销售种类。

由于咖啡壶的使用环境比较特殊，不锈钢咖啡壶需要具有较高耐热性的不锈钢材料制造，高耐热不锈钢材料的研究也越来越多。

申请号为200710062505.0的中国发明专利公开了一种耐热不锈钢，其化学成分的重量配比为：C 0.05%~0.10%、Si 1.40%~2.00%、Ce 0.03%~0.08%、Cr 20.0%~22.0%、Ni 10.0%~12.0%、N 0.14%~0.20%、Mn 0.40%~0.80%、P<0.040%、S<0.030%，其余为Fe与不可避免的杂质。该发明耐热性能好，但是该合金中含有较多价格昂贵的Ni元素，生产成本较高。

申请号为200910227928. 2的中国发明专利公开了一种奥氏体耐热不锈钢的连铸方法，通过大包开浇、中间包开浇、拉坯和切坯步骤，得到一种奥氏体耐热不锈钢，该发明制得的板坯上下表面平整光滑，无纵裂现象，但没有采用退火工艺，耐热效果不佳。

通过以上专利对比分析可知，现有技术中的不锈钢还不能完全满足目前使用和制造的要求，存在耐热性差、成本高等缺点，因此需要开发一种高耐热且成本低廉的不锈钢材料。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种高耐热不锈钢咖啡壶材料，该材料具有较高的耐热性，成本低，且还具有较高的强度、硬度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性，综合性能优异。

本发明的另一目的在于提供一种高耐热不锈钢咖啡壶材料的制备方法，该制备方法与本发明的材料配合使用，可以发挥材料的最佳性能，工艺简单，操作控制方便，质量稳定，生产效率高，可大规模工业化生产。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种高耐热不锈钢咖啡壶材料，其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.01~0.05%、N：0.06~0.1%、Si：0.4~0.8%、Mn：0.6~1%、Cr：14~18%、Ni：0.8~1.2%、Mo：1~1.4%、La：0.001~0.005%、Ce：0.005~0.025%、Nb：0.05~0.15%、Ti：0.6~1%、余量为铁和杂质。

优选的，其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.02~0.04%、N：0.07~0.09%、Si：0.5~0.7%、Mn：0.7~0.9%、Cr：15~17%、Ni：0.9~1.1%、Mo：1.1~1.3%、La：0.002~0.004%、Ce：0.01~0.02%、Nb：0.08~0.12%、Ti：0.7~0.9%、余量为铁和杂质。

更为优选的，其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.03%、N：0.08%、Si：0.6%、Mn：0.8%、Cr：16%、Ni：1%、Mo：1.2%、La：0.003%、Ce：0.015%、Nb：0.1%、Ti：0.8%、余量为铁和杂质。

本发明的一种高强度不锈钢咖啡壶材料的成分设计理由如下：

C：0.01~0.05%

C（碳）是强力的奥氏体生成元素，因此使金属组织中的马氏体相的比例增加，C可以发挥固溶强化效果，以间隙固溶体的形式熔入晶格结构中，从而产生了向其中引入应变，以强化间隙固溶体的作用；此外，C具有形成科特雷耳气团以使金属组织中的位错得到固着的作用，从而提高材料的强度，因此，为了有效地提高材料的强度，C的重量百分比应控制在0.01%以上。然而，C容易与钢中的Cr、Nb、Ti等结合而形成碳化物，例如，当在晶粒间界存在有Cr碳化物时，由于Cr在奥氏体中的扩散速度较慢，会在晶界附近产生Cr耗尽层，使得材料的韧性和耐腐蚀性降低，因此，为了避免C过高造成材料的韧性和耐腐蚀性下降，C的重量百分比应控制在0.05%以下。本发明中C的重量百分比为0.01~0.05%，既可以满足材料的强度要求，又可以保证材料的韧性和耐腐蚀性，优选的，C的重量百分比为0.02~0.04%，更为优选的，C的重量百分比为0.03%。

N：0.06~0.1%

N（氮）是形成奥氏体的最强有效元素之一，与C一样， N也是用以强化间隙固溶体的元素，并且也是形成科特雷耳气团的元素；此外，N还可以与钢中的Cr或Mo结合以形成簇合物，从而产生提高强度的作用，为了通过加入N有效地使奥氏体相稳定，并且通过形成Mo-N簇合物有效地使材料的强度提高，N的重量百分比应控制在0.06%以上。但是，N在奥氏体相中的固溶程度受到限制，加入较大量的N时，在铸造钢时会产生气孔，虽然通过加入与N具有高亲和力的元素（如Cr或Mn）来提高其固溶的限度，可在某种程度上抑制这种现象，但是当加入过多的这样的元素时，在钢被熔融时需要对环境条件（如温度等）进行控制，使成本增加，因此，为了避免N过高增加熔融和铸造的难度，N的重量百分比应控制在0.1%以下。本发明中N的重量百分比为0.06~0.1%，既可以满足材料的强度要求，又可以保证材料的加工性能，优选的，N的重量百分比为0.07~0.09%，更为优选的，N的重量百分比为0.08%。

Si：0.4~0.8%

Si（硅）为铁素体形成元素，起脱氧剂和改善材料耐腐蚀性的作用，同时也是增加钢的强度和耐热性的元素，Si会发生固溶，从而产生使层错能降低并使机械特性得到改善的效果，因此，为了有效地提高材料的强度和耐热性，并起到较好的脱氧作用，Si的重量百分比应控制在0.4%以上。但加入大量的Si对材料的热加工性和韧性不利，对常温下成型也不利，为了避免Si过高造成材料的热加工性和韧性下降，Si的重量百分比应控制在0.8%以下。本发明中Si的重量百分比为0.4~0.8%，既可以满足材料的强度和耐热性要求，又可以保证材料的热加工性和韧性，优选的，Si的重量百分比为0.5~0.7%，更为优选的，Si的重量百分比为0.6%。

Mn：0.6~1%

Mn（锰）是奥氏体形成元素，成本低，可以替代Ni形成奥氏体，在将钢熔融和精炼时，Mn被用作脱氧剂，对钢具有很大的强化作用，能提高钢的强度、硬度和耐磨性，为了保证材料的强度和硬度，Mn的重量百分比应控制在0.6%以上。但是，Mn对高温下的抗氧化性会产生不利的作用，使材料的韧性和耐腐蚀性降低，为了避免Mn过高造成材料的韧性和耐腐蚀性下降，Mn的重量百分比应控制在1%以下。本发明中Mn的重量百分比为0.6~1%，既可以满足材料的强度和硬度要求，又可以保证材料的韧性和耐腐蚀性，优选的，Mn的重量百分比为0.7~0.9%，更为优选的，Mn的重量百分比为0.8%。

Cr：14~18%

Cr（铬）是强烈形成并稳定铁素体的元素，缩小奥氏体区，随着钢中Cr含量增加，奥氏体不锈钢中可出现铁素体组织；此外，Cr是提高材料强度和耐腐蚀性的主要合金元素，Cr可提高不锈钢在氧化性酸中的耐腐蚀性，提高其在氯化物溶液中的耐应力腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀能力，而且Cr含量过低还会导致马氏体转变温度（Ms）升高，影响钢的性能，因此，为了保证材料的耐腐蚀性和强度，Cr的重量百分比应控制在14%以上。但Cr在提高钢的耐腐蚀性的同时会降低材料的塑性和韧性，若其含量过高，不仅增加成本，影响经济性，生产率下降，而且对焊接性不利，还会造成一些金属间相的形成倾向增大，因此，为了避免Cr过高造成材料的塑性和韧性下降，Cr的重量百分比应控制在18%以下。本发明中Cr的重量百分比为14~18%，既可以满足材料的强度和耐腐蚀性要求，又可以保证材料的塑性和韧性，优选的，Cr的重量百分比为15~17%，更为优选的，Cr的重量百分比为16%。

Ni：0.8~1.2%

Ni（镍）是形成奥氏体和稳定奥氏体的最佳元素，Ni对提高材料的耐腐蚀性能、力学性能和热加工性能均有积极的作用，有助于Cr的耐腐蚀作用的发挥；同时Ni的添加还可以改善铁素体不锈钢的塑性和韧性，量少时可以起到固溶强化的作用，量多时也会与其它元素形成析出物，起到时效强化的作用，为了通过加入Ni有效地使奥氏体相稳定，并且提高材料的强度和耐腐蚀性，Ni的重量百分比应控制在0.8%以上。但大量加入Ni会使得Ms点降低到以通常的淬火处理无法得到马氏体组织的情况，从而也无法令钢材获得所需要的高强度，还会使材料的耐腐蚀性能降低，且Ni资源短缺，价格较贵，应尽量节约使用，因此，为了避免Ni过高造成材料的强度和耐腐蚀性降低以及节约成本，Ni的重量百分比应控制在1.2%以下。本发明中Ni的重量百分比为0.8~1.2%，既可以满足材料的强度和耐腐蚀性要求，又可以节约生产成本，优选的，Ni的重量百分比为0.9~1.1%，更为优选的，Ni的重量百分比为1%。

Mo：1~1.4%

Mo（钼）是强烈的铁素体形成元素，有利于提高材料的耐腐蚀性，特别是Mo有利于提高焊接部位冲孔剪断面的耐腐蚀性，还可以通过固溶强化提高其强度，为了提高材料的强度和耐腐蚀性，Mo的重量百分比应控制在1%以上。但Mo是高成本元素，同时耐腐蚀性能达到饱和之后，过高的Mo含量会促进奥氏体不锈钢中金属间相的沉淀，影响合金的力学和加工性能，考虑到可加工性的劣化和材料成本的增加，Mo的重量百分比应控制在1.4 %以下。本发明中Mo的重量百分比为1~1.4%，既可以满足材料的强度和耐腐蚀性要求，又可以节约生产成本，优选的，Mo的重量百分比为1.1~1.3%，更为优选的，Mo的重量百分比为1.2%。

La：0.001~0.005%

稀土元素La（镧）加入到不锈钢材料中，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如耐热性、韧性、焊接性、耐磨性等。稀土元素La对软氮化过程具有显著的催渗作用，增加化合物层中的（γ）相含量，并使表面硬度和耐磨性发生相应变化；La能提高的耐热性能，提高材料表面的耐腐蚀性，适量加入La能有效提高渗层的冲击韧性。本发明中La的重量百分比为0.001~0.005%，既可以满足材料的耐热性要求，又可以满足材料的耐腐蚀性和冲击韧性，优选的，La的重量百分比为0.002~0.004%，更为优选的，La的重量百分比为0.003%。

Ce：0.005~0.025%

稀土Ce（铈）可以和不锈钢材料中的Si的共同作用，可以保证材料在1150℃仍具有良好的抗氧化性能；而N、C以及稀土Ce等元素的存在，使得其具有与镍基合金相当的持久强度，而且N对脆性的σ相析出有延缓作用，提高了材料在高温条件下的组织稳定性。

本发明通过控制不锈钢中N与稀土Ce的含量，并且降低了不锈钢中O与S的含量，从而保证了合金具有优良的耐热性及优良的塑性，具有比OCr25Ni2O更好的高温使用性能，同时明显降低Ni的含量，有效地节约了资源，降低了制造成本。本发明中Ce的重量百分比为0.005~0.025%，既可以满足材料的耐热性和塑性要求，又可以降低制造成本，优选的，Ce的重量百分比为0.01~0.02%，更为优选的，Ce的重量百分比为0.015%。

Nb：0.05~0.15%

Nb（铌）为铁素体形成元素，可以细化晶粒，提高材料的屈服强度，在材料加入适量的Nb，主要起到两个重要作用，其一，起到稳定化元素的作用，在热处理温度范围内，长时间保温；钢中Nb元素与C充分结合，形成C-Nb化合物，避免了C与Nb元素的结合，使材料的耐腐蚀性能进一步得到保证；其二，提高钢的再结晶温度，使钢的晶粒细化，提高钢的强度，因此，为了提高材料的强度及稳定性，Nb的重量百分比应控制在0.05%以上。但过量的难熔元素Nb又会导致材料的制造工艺复杂，为了避免Nb过高导致材料的制造工艺复杂，Nb的重量百分比应控制在0.15%以下。本发明中Nb的重量百分比为0.05~0.15%，既可以满足材料的强度及稳定性要求，又可以简化工艺，优选的，Nb的重量百分比为0.08~0.12%，更为优选的，Nb的重量百分比为0.1%。

Ti：0.6~1%

Ti（钛）是稳定化元素，主要是与C、N结合防止Cr的C、N化物形成造成贫Cr区，从而降低材料的耐腐蚀性，Ti主要与N结合；Ti还能提高钢的再结晶温度，使钢的晶粒细化，提高钢的强度，因此，为了提高材料的强度及稳定性，Nb的重量百分比应控制在0.6%以上。但Ti作为夹杂物也会影响到钢的表面质量，同时由于Ti在加入过程中易氧化，会给炼钢带来一定难度，为了避免Ti导致材料的制造工艺复杂，Ti的重量百分比应控制在1%以下。本发明中Ti的重量百分比为0.6~1%，既可以满足材料的强度及稳定性要求，又可以保证材料的质量，简化制造工艺，优选的，Ti的重量百分比为0.7~0.9%，更为优选的，Ti的重量百分比为0.8%。

优选的，以重量百分比计，所述杂质的总含量≤0.1%，其中，P≤0.015%、S≤0.008%、H≤0.003%、O≤0.001%。

P（磷）和S（硫）都是钢中的有害成份，过高的磷和硫含量会导致钢的强度急剧下降，会导致钢材变脆，必须严格的控制。因此，本发明采用的P的质量百分含量控制在0.015%以下，S的质量百分含量控制在0.008%以下。

H（氢）和O（氧）在不锈钢材料中会严重影响材料的韧性，必须严格控制。因此，本发明采用的H的质量百分含量控制在0.003%以下，O的质量百分含量控制在0.001%以下。

优选的，所述材料的化学成分还包括Y，Y的重量百分比为0.01~0.05%。

Y元素的加入能够提高材料的机械强度，并增加耐磨性，本发明采用的Y的质量百分含量控制在0.01~0.05%。

优选的，所述材料的化学成分满足以下公式：

4.5%≤80C+50N≤8% ……（1）

8（C+N）≤Si+Mn≤1.5% ……（2）

9.4%+6.8Mo≤Cr+5Ni≤22.5% ……（3）

0.5%≤80La+60Ce≤1.6% ……（4）

15%≤（Nb/Ti+0.75）×18.5≤18% ……（5）

其中，C、N、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、La、Ce、Nb和Ti分别代表各元素的重量百分比。

（1）式的（80C+50N）是影响材料的强度、弯曲加工性能、以及焊接部位韧性、进而影响焊接部位冲压加工性能的因素，在本发明中限定在4.5%~8%范围内。通过实验证明，当（80C+50N）小于4.5%%时，马氏体组织的强度过低，即使成为铁素体+马氏体的混合组织，抗拉强度也不能达到850MPa以上；当（80C+50N）超过8%时，由于C、N使马氏体显著硬化，C、N含量高时，软的铁素体和硬的马氏体的硬度差非常大，弯曲加工时其边界积蓄畸变，容易产生裂纹，从而使得材料的弯曲加工性能和焊接部位的韧性显著降低，此外，当（80C+50N）超过8%时，焊接部位的冲压加工性能显著降低，焊接部位冲压加工性能降低的原因是焊接后生成的铁素体和马氏体构成的混合组织中，由于从C、N固溶能力大的奥氏体相变的马氏体中固溶大量的C、N，马氏体的强度增加，与软的铁素体的强度差别过大造成的。因此，从提高材料的强度出发，（80C+50N）应控制在4.5%以上，从提高材料的韧性和加工性能出发，（80C+50N）应控制在8%以下。

（2）式的（Si+Mn）是影响材料的强度和脱氧作用的因素，在本发明中限定在8（C+N）~1.5%范围内。通过实验证明，当（Si+Mn）在小于8（C+N）时，得到的材料强度较差，且脱氧效果不好；当（Si+Mn）大于1.5%时，得到的材料热加工性和韧性较差，因此，从提高材料的强度和脱氧作用出发，（Si+Mn）应控制在8（C+N）以上，从提高材料的热加工性和韧性出发，（Si+Mn）应控制在1.5%以下。

（3）式的（Cr+5Ni）是影响材料的强度和耐腐蚀性的因素，在本发明中限定在（9.4%+6.8Mo）~22.5%的范围内。Cr、Ni和Mo都具有耐腐蚀性的作用，但Cr和Ni复配使用的效果更加显著，通过实验证明，当（Cr+5Ni）小于（9.4%+6.8Mo）时，得到的材料耐腐蚀性能较差，且强度小；当（Cr+5Ni）大于22.5%时，导致材料的塑性和韧性下降。因此，从提高材料的强度和耐腐蚀性出发，（Cr+5Ni）应控制在（9.4%+6.8Mo）以上，从提高材料的塑性和韧性出发，（Cr+5Ni）应控制在22.5%以下。

（4）式的（80La+60Ce）是影响材料耐热性的因素，在本发明中限定在0.5%~1.6%的范围内。通过实验证明，当（80La+60Ce）小于0.5%时，得到的材料耐热性差，当（80La+60Ce）大于1.6%时，导致材料的韧性和加工性能下降。因此，从提高材料的耐热性出发，（80La+60Ce）应控制在0.5%以上，从提高材料的韧性和加工性能出发，（80La+60Ce）应控制在1.6%以下。

（5）式的[（Nb/Ti+0.75）×18.5]是影响材料的强度和稳定性的因素，在本发明中限定在15%~18%范围内。通过实验证明，当[（Nb/Ti+0.75）×18.5]小于15%时，得到的材料稳定性差，且强度小，当[（Nb/Ti+0.75）×18.5]大于18%时，材料的制造工艺复杂，不经济。因此，从提高材料的强度和稳定性出发，[（Nb/Ti+0.75）×18.5]应控制在15%以上，从简化材料的制造工艺出发，[（Nb/Ti+0.75）×18.5]应控制在18%以下。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种高耐热不锈钢咖啡壶材料的制备方法，包括如下步骤：

A、真空感应冶炼：将上述配比的高耐热锈钢咖啡壶材料经真空感应炉在0.5~2.5Pa真空度下进行真空感应冶炼，浇铸成自耗电极；

B、真空自耗重熔：将浇铸后的自耗电极在0.01~0.1Pa真空度下，以1.5~3.5Kg/min的熔速进行真空自耗重熔，得到钢液；

C、均匀化处理：将重熔后的钢液在1100~1150℃温度下进行均匀化处理，处理时间为24~36h；

D、锻造成材：将均匀化处理后的钢液进行合金锻造，开锻温度为1000~1050℃，终锻温度为850~900℃，得到锻棒；

E、退火：将锻造后的锻棒以40~60℃/h的速度加热到800~900℃并保温5~7h，然后随炉冷却到400~450℃后出炉空冷；

F、淬火：将退火后的锻棒以200~400℃的温度入炉，以100~150℃/h的速度加热到650~700℃并保温2.5~3.5h，再以100~150℃/h的速度加热到1020~1060℃并保温6~7h，油冷；

G、第一次回火：将步骤F淬火后的锻棒以100~200℃的温度入炉，以60~80℃/h的速度加热到300~350℃并保温2~3h，再以60~80℃/h的速度加热到600~650℃并保温7~8h，空冷；

H、第二次回火：将步骤G第一次回火后的锻棒以100~200℃的温度入炉，以60~80℃/h的速度加热到300~350℃并保温2~3h，再以60~80℃/h的速度加热到600~650℃并保温7~8h，空冷，得到一种高耐热不锈钢咖啡壶材料。

真空感应炉冶炼具有如下优点：冶炼的合金纯净，性能水平高；熔炼出的钢和合金气体含量低；金属不易氧化；材料纯度高；能准确的调整和控制化学成分；能提高钢的强度，并降低了高强度不锈钢成品的生产成本。

均匀化处理作为提高锭坯的冶金质量及挤压性能的手段，目前已经成为了提高锭坯的冶金质量的最重要方法。均匀化处理是利用在高温进行长时间加热，使内部的化学成分充分扩散，因此又称为扩散退火。退火的目的是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力，同时可提高硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。

退火是生产中常用的预备热处理工艺。大部分机器零件及工、模具的毛坯经退火后，可消除铸、锻及焊件的内应力与成分的组织不均匀性；能改善和调整钢的力学性能，为下道工序作好组织准备。钢的退火是把钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。退火的目的在于均匀化学成分、改善机械性能及工艺性能、消除或减少内应力并为零件最终热处理作好组织准备。

钢的淬火与回火是热处理工艺中很重要的、应用非常广泛的工序。淬火能显著提高钢的强度和硬度。如果再配以不同温度的回火，即可消除（或减轻）淬火内应力，又能得到强度、硬度和韧性的配合，满足不同的要求。所以，淬火和回火是密不可分的两道热处理工艺。

淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于临界冷却速度（Vc）冷却，以得到马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。

回火是将淬火钢加热某一温度保温一定时间后，以适当方式冷到室温的热处理工艺。它是紧接淬火的下道热处理工序，同时决定了钢在使用状态下的组织和性能，关系着工件的使用寿命，故是关键工序。回火的主要目的是减少或消除淬火应力；保证相应的组织转变，使工件尺寸和性能稳定；提高钢的热性和塑性，选择不同的回火温度，获得硬度、强度、塑性或韧性的适当配合，以满足不同工件的性能要求。

本发明的制备方法采用真空感应冶炼、均匀化处理、退火、淬火、和回火等步骤，可以得到高耐热的不锈钢材料，并降低了高耐热不锈钢成品的生产成本，且具有较好的塑性，满足变形加工的需要。

优选的，所述步骤A中，真空感应冶炼的工艺步骤具体为：

A1、按照上述化学成分的配比，先将C装入坩埚，然后将除Cr、Mn以外的其余元素装入，放入真空感应炉中，将坩埚预热至450~550℃，将真空感应炉抽真空至0.5~2.5Pa，以6~8Kg/min的熔化速度进行熔化；

A2、待加入的物质全部熔化后，以1480~1540℃的温度进行精炼，保持50~70min；

A3、按照上述化学成分的配比加入Cr，继续以6~8Kg/min的熔化速度进行熔化；

A4、待Cr熔化后，再次以1480~1540℃的温度进行精炼，精炼时间控制为10~20min；

A5、按照上述化学成分的配比加入Mn，在1500~2000r/min转速下搅拌1~3min，待Mn熔化后，浇铸成自耗电极。

优选的，所述步骤F中，将退火后的锻棒以300℃的温度入炉，以125℃/h的速度加热到675℃并保温3h，再以125℃/h的速度加热到1040℃并保温6.5h，油冷。

优选的，所述步骤G中，将步骤F淬火后的锻棒以150℃的温度入炉，以70℃/h的速度加热到325℃并保温2.5h，再以70℃/h的速度加热到625℃并保温7.5h，空冷，整个回火过程在同样的条件下重复一次。

本发明的有益效果在于：本发明的高耐热不锈钢咖啡壶材料加入了La和Ce稀土元素，能显著提高材料的耐热性；还降低了材料的生产成本，而且可节约不可再生的Ni资源，属于环保型材料。

本发明的高耐热不锈钢咖啡壶材料，与传统的类似材料比较，本发明的不锈钢咖啡壶材料的抗拉强度≥820Mpa，屈服强度≥680Mpa；冲击韧性≥210J，断裂韧性≥90J，断裂伸长率≥35%，硬度≥44HRC，还具有优良的耐腐蚀性能：3.5%NaCl溶液环境下材料的腐蚀速度≥0.0120mm/年，在5%H₂S0₄溶液环境下材料的腐蚀速度≥0.0378mm/年，良好的综合性能，便于加工，成本低。

本发明的高耐热不锈钢咖啡壶材料，其化学成分包括C、N、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、La、Ce、Nb和Ti，余量为铁和杂质，通过严格控制每种元素的含量，使材料具有较高的耐热性，生产成本低，且还具有较高的强度、硬度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性，综合性能优异。

本发明的制备方法与本发明的材料配合使用，可以发挥材料的最佳性能，工艺简单，操作控制方便，质量稳定，生产效率高，可大规模工业化生产。

具体实施方式：

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

实施例1

一种高耐热不锈钢咖啡壶材料，其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.01%、N：0.1%、Si：0.4%、Mn：1%、Cr：14%、Ni：1.2%、Mo：1%、La：0.001%、Ce：0.025%、Nb：0.05%、Ti：0.6%、Y：0.01%、余量为铁和杂质。以重量百分比计，所述杂质的总含量≤0.045%，其中，P≤0.014%、S≤0.007%、H≤0.001%、O≤0.001%。

一种高耐热不锈钢咖啡壶材料的制备方法，包括如下步骤：

A、真空感应冶炼：将上述配比的高耐热锈钢咖啡壶材料经真空感应炉在0.5Pa真空度下进行真空感应冶炼，浇铸成自耗电极；

B、真空自耗重熔：将浇铸后的自耗电极在0.01Pa真空度下，以1.5Kg/min的熔速进行真空自耗重熔，得到钢液；

C、均匀化处理：将重熔后的钢液在1100℃温度下进行均匀化处理，处理时间为24h；

D、锻造成材：将均匀化处理后的钢液进行合金锻造，开锻温度为1000℃，终锻温度为850℃，得到锻棒；

E、退火：将锻造后的锻棒以40℃/h的速度加热到800℃并保温5h，然后随炉冷却到400℃后出炉空冷；

F、淬火：将退火后的锻棒以200℃的温度入炉，以100℃/h的速度加热到650℃并保温2.5h，再以100℃/h的速度加热到1020℃并保温6h，油冷；

G、第一次回火：将步骤F淬火后的锻棒以100℃的温度入炉，以60℃/h的速度加热到300℃并保温2h，再以60℃/h的速度加热到600℃并保温7h，空冷；

H、第二次回火：将步骤G第一次回火后的锻棒以100℃的温度入炉，以60℃/h的速度加热到300℃并保温2h，再以60℃/h的速度加热到600℃并保温7h，空冷，得到一种高耐热不锈钢咖啡壶材料。

所述步骤A中，真空感应冶炼的工艺步骤具体为：

A1、按照上述化学成分的配比，先将C装入坩埚，然后将除Cr、Mn以外的其余元素装入，放入真空感应炉中，将坩埚预热至450℃，将真空感应炉抽真空至0.5Pa，以6Kg/min的熔化速度进行熔化；

A2、待加入的物质全部熔化后，以1480℃的温度进行精炼，保持50min；

A3、按照上述化学成分的配比加入Cr，继续以6Kg/min的熔化速度进行熔化；

A4、待Cr熔化后，再次以1480℃的温度进行精炼，精炼时间控制为10min；

A5、按照上述化学成分的配比加入Mn，在1500r/min转速下搅拌1min，待Mn熔化后，浇铸成自耗电极。

本实施例制得的高耐热不锈钢咖啡壶材料的机械物理性能如表1所示。

实施例2

一种高耐热不锈钢咖啡壶材料，其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.02%、N：0.09%、Si：0.5%、Mn：0.9%、Cr：15%、Ni：1.1%、Mo：1.1%、La：0.002%、Ce：0.02%、Nb：0.08%、Ti：0.7%、余量为铁和杂质。以重量百分比计，所述杂质的总含量≤0.033%，其中，P≤0.013%、S≤0.006%、H≤0.002%、O≤0.001%。

一种高耐热不锈钢咖啡壶材料的制备方法，包括如下步骤：

A、真空感应冶炼：将上述配比的高耐热锈钢咖啡壶材料经真空感应炉在1Pa真空度下进行真空感应冶炼，浇铸成自耗电极；

B、真空自耗重熔：将浇铸后的自耗电极在0.02Pa真空度下，以2Kg/min的熔速进行真空自耗重熔，得到钢液；

C、均匀化处理：将重熔后的钢液在1120℃温度下进行均匀化处理，处理时间为28h；

D、锻造成材：将均匀化处理后的钢液进行合金锻造，开锻温度为1010℃，终锻温度为860℃，得到锻棒；

E、退火：将锻造后的锻棒以45℃/h的速度加热到820℃并保温6h，然后随炉冷却到410℃后出炉空冷；

F、淬火：将退火后的锻棒以250℃的温度入炉，以110℃/h的速度加热到660℃并保温3h，再以110℃/h的速度加热到1030℃并保温7h，油冷；

G、第一次回火：将步骤F淬火后的锻棒以120℃的温度入炉，以65℃/h的速度加热到310℃并保温3h，再以65℃/h的速度加热到610℃并保温8h，空冷；

H、第二次回火：将步骤G第一次回火后的锻棒以120℃的温度入炉，以65℃/h的速度加热到310℃并保温3h，再以65℃/h的速度加热到610℃并保温8h，空冷，得到一种高耐热不锈钢咖啡壶材料。

所述步骤A中，真空感应冶炼的工艺步骤具体为：

A1、按照上述化学成分的配比，先将C装入坩埚，然后将除Cr、Mn以外的其余元素装入，放入真空感应炉中，将坩埚预热至480℃，将真空感应炉抽真空至1Pa，以7Kg/min的熔化速度进行熔化；

A2、待加入的物质全部熔化后，以1490℃的温度进行精炼，保持55min；

A3、按照上述化学成分的配比加入Cr，继续以7Kg/min的熔化速度进行熔化；

A4、待Cr熔化后，再次以1490℃的温度进行精炼，精炼时间控制为12min；

A5、按照上述化学成分的配比加入Mn，在1600r/min转速下搅拌2min，待Mn熔化后，浇铸成自耗电极。

实施例3

一种高耐热不锈钢咖啡壶材料，其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.03%、N：0.08%、Si：0.6%、Mn：0.8%、Cr：16%、Ni：1%、Mo：1.2%、La：0.003%、Ce：0.015%、Nb：0.1%、Ti：0.8%、Y：0.03%、余量为铁和杂质。以重量百分比计，所述杂质的总含量≤0.036%，其中，P≤0.012%、S≤0.005%、H≤0.002%、O≤0.001%。

一种高耐热不锈钢咖啡壶材料的制备方法，包括如下步骤：

A、真空感应冶炼：将上述配比的高耐热锈钢咖啡壶材料经真空感应炉在1.5Pa真空度下进行真空感应冶炼，浇铸成自耗电极；

B、真空自耗重熔：将浇铸后的自耗电极在0.05Pa真空度下，以2.5Kg/min的熔速进行真空自耗重熔，得到钢液；

C、均匀化处理：将重熔后的钢液在1130℃温度下进行均匀化处理，处理时间为30h；

D、锻造成材：将均匀化处理后的钢液进行合金锻造，开锻温度为1020℃，终锻温度为870℃，得到锻棒；

E、退火：将锻造后的锻棒以50℃/h的速度加热到850℃并保温7h，然后随炉冷却到420℃后出炉空冷；

F、淬火：将退火后的锻棒以300℃的温度入炉，以120℃/h的速度加热到670℃并保温3.5h，再以120℃/h的速度加热到1040℃并保温6h，油冷；

G、第一次回火：将步骤F淬火后的锻棒以150℃的温度入炉，以70℃/h的速度加热到320℃并保温2h，再以70℃/h的速度加热到620℃并保温7h，空冷；

H、第二次回火：将步骤G第一次回火后的锻棒以150℃的温度入炉，以70℃/h的速度加热到320℃并保温2h，再以70℃/h的速度加热到620℃并保温7h，空冷，得到一种高耐热不锈钢咖啡壶材料。

所述步骤A中，真空感应冶炼的工艺步骤具体为：

A1、按照上述化学成分的配比，先将C装入坩埚，然后将除Cr、Mn以外的其余元素装入，放入真空感应炉中，将坩埚预热至500℃，将真空感应炉抽真空至1.5Pa，以8Kg/min的熔化速度进行熔化；

A2、待加入的物质全部熔化后，以1510℃的温度进行精炼，保持60min；

A3、按照上述化学成分的配比加入Cr，继续以8Kg/min的熔化速度进行熔化；

A4、待Cr熔化后，再次以1510℃的温度进行精炼，精炼时间控制为15min；

A5、按照上述化学成分的配比加入Mn，在1800r/min转速下搅拌1min，待Mn熔化后，浇铸成自耗电极。

实施例4

一种高耐热不锈钢咖啡壶材料，其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.04%、N：0.07%、Si：0.7%、Mn：0.7%、Cr：17%、Ni：0.9%、Mo：1.3%、La：0.004%、Ce：0.01%、Nb：0.12%、Ti：0.9%、余量为铁和杂质。以重量百分比计，所述杂质的总含量≤0.028%，其中，P≤0.011%、S≤0.004%、H≤0.001%、O≤0.001%。

一种高耐热不锈钢咖啡壶材料的制备方法，包括如下步骤：

A、真空感应冶炼：将上述配比的高耐热锈钢咖啡壶材料经真空感应炉在2Pa真空度下进行真空感应冶炼，浇铸成自耗电极；

B、真空自耗重熔：将浇铸后的自耗电极在0.08Pa真空度下，以3Kg/min的熔速进行真空自耗重熔，得到钢液；

C、均匀化处理：将重熔后的钢液在1140℃温度下进行均匀化处理，处理时间为32h；

D、锻造成材：将均匀化处理后的钢液进行合金锻造，开锻温度为1030℃，终锻温度为880℃，得到锻棒；

E、退火：将锻造后的锻棒以55℃/h的速度加热到880℃并保温5h，然后随炉冷却到430℃后出炉空冷；

F、淬火：将退火后的锻棒以350℃的温度入炉，以130℃/h的速度加热到680℃并保温2h，再以130℃/h的速度加热到1050℃并保温7h，油冷；

G、第一次回火：将步骤F淬火后的锻棒以180℃的温度入炉，以75℃/h的速度加热到340℃并保温3h，再以75℃/h的速度加热到640℃并保温8h，空冷；

H、第二次回火：将步骤G第一次回火后的锻棒以180℃的温度入炉，以75℃/h的速度加热到340℃并保温3h，再以75℃/h的速度加热到640℃并保温8h，空冷，得到一种高耐热不锈钢咖啡壶材料。

所述步骤A中，真空感应冶炼的工艺步骤具体为：

A1、按照上述化学成分的配比，先将C装入坩埚，然后将除Cr、Mn以外的其余元素装入，放入真空感应炉中，将坩埚预热至500℃，将真空感应炉抽真空至2Pa，以6Kg/min的熔化速度进行熔化；

A2、待加入的物质全部熔化后，以1520℃的温度进行精炼，保持65min；

A4、待Cr熔化后，再次以1520℃的温度进行精炼，精炼时间控制为18min；

A5、按照上述化学成分的配比加入Mn，在1900r/min转速下搅拌2min，待Mn熔化后，浇铸成自耗电极。

实施例5

一种高耐热不锈钢咖啡壶材料，其化学成分包括以下重量百分比的元素：C： 0.05%、N：0.06%、Si：0.8%、Mn：0.6%、Cr：18%、Ni：0.8%、Mo：1.4%、La：0.005%、Ce：0.005%、Nb：0.15%、Ti：1%、Y：0.05%、余量为铁和杂质。以重量百分比计，所述杂质的总含量≤0.1%，其中，P≤0.01%、S≤0.003%、H≤0.001%、O≤0.001%。

一种高耐热不锈钢咖啡壶材料的制备方法，包括如下步骤：

A、真空感应冶炼：将上述配比的高耐热锈钢咖啡壶材料经真空感应炉在2.5Pa真空度下进行真空感应冶炼，浇铸成自耗电极；

B、真空自耗重熔：将浇铸后的自耗电极在0.1Pa真空度下，以3.5Kg/min的熔速进行真空自耗重熔，得到钢液；

C、均匀化处理：将重熔后的钢液在1150℃温度下进行均匀化处理，处理时间为36h；

D、锻造成材：将均匀化处理后的钢液进行合金锻造，开锻温度为1050℃，终锻温度为900℃，得到锻棒；

E、退火：将锻造后的锻棒以60℃/h的速度加热到900℃并保温7h，然后随炉冷却到450℃后出炉空冷；

F、淬火：将退火后的锻棒以400℃的温度入炉，以150℃/h的速度加热到700℃并保温3.5h，再以150℃/h的速度加热到1060℃并保温6h，油冷；

G、第一次回火：将步骤F淬火后的锻棒以200℃的温度入炉，以80℃/h的速度加热到350℃并保温2h，再以80℃/h的速度加热到650℃并保温7h，空冷；

H、第二次回火：将步骤G第一次回火后的锻棒以200℃的温度入炉，以80℃/h的速度加热到350℃并保温2h，再以80℃/h的速度加热到650℃并保温7h，空冷，得到一种高耐热不锈钢咖啡壶材料。

所述步骤A中，真空感应冶炼的工艺步骤具体为：

A1、按照上述化学成分的配比，先将C装入坩埚，然后将除Cr、Mn以外的其余元素装入，放入真空感应炉中，将坩埚预热至550℃，将真空感应炉抽真空至2.5Pa，以8Kg/min的熔化速度进行熔化；

A2、待加入的物质全部熔化后，以1540℃的温度进行精炼，保持70min；

A4、待Cr熔化后，再次以1540℃的温度进行精炼，精炼时间控制为20min；

A5、按照上述化学成分的配比加入Mn，在2000r/min转速下搅拌3min，待Mn熔化后，浇铸成自耗电极。

表1 实施例1~5制得的高强度不锈钢咖啡壶材料的机械物理性能

测试项目	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						抗拉强度（MPa）	820	836	850	827	842
屈服强度（MPa）	690	700	710	680	695
						冲击韧性（J）	220	210	230	215	225
断裂韧性（MPa ）	95	100	110	90	105
						断裂伸长率（%）	35	37	38	36	37
硬度（HRC）	45	46	48	47	44
						3.5%NaCl溶液环境下的腐蚀速度（mm/年）	0.0120	0.0122	0.0126	0.0124	0.0123
5%H₂S0₄溶液环境下的腐蚀速度（mm/年）	0.0383	0.0380	0.0384	0.0382	0.0378

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高耐热不锈钢咖啡壶材料，其特征在于：其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.01~0.05%、N：0.06~0.1%、Si：0.4~0.8%、Mn：0.6~1%、Cr：14~18%、Ni：0.8~1.2%、Mo：1~1.4%、La：0.001~0.005%、Ce：0.005~0.025%、Nb：0.05~0.15%、Ti：0.6~1%、余量为铁和杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高耐热不锈钢咖啡壶材料，其特征在于：其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.02~0.04%、N：0.07~0.09%、Si：0.5~0.7%、Mn：0.7~0.9%、Cr：15~17%、Ni：0.9~1.1%、Mo：1.1~1.3%、La：0.002~0.004%、Ce：0.01~0.02%、Nb：0.08~0.12%、Ti：0.7~0.9%、余量为铁和杂质。

3.根据权利要求1所述的一种高耐热不锈钢咖啡壶材料，其特征在于：其化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.03%、N：0.08%、Si：0.6%、Mn：0.8%、Cr：16%、Ni：1%、Mo：1.2%、La：0.003%、Ce：0.015%、Nb：0.1%、Ti：0.8%、余量为铁和杂质。

4.根据权利要求1所述的一种高耐热不锈钢咖啡壶材料，其特征在于：以重量百分比计，所述杂质的总含量≤0.1%，其中，P≤0.015%、S≤0.008%、H≤0.003%、O≤0.001%。

5.根据权利要求1所述的一种高耐热不锈钢咖啡壶材料，其特征在于：所述材料的化学成分还包括Y，Y的重量百分比为0.01~0.05%。

6.根据权利要求1所述的一种高耐热不锈钢咖啡壶材料，其特征在于：所述材料的化学成分满足以下公式：

4.5%≤80C+50N≤8% ……（1）

8（C+N）≤Si+Mn≤1.5% ……（2）

9.4%+6.8Mo≤Cr+5Ni≤22.5% ……（3）

0.5%≤80La+60Ce≤1.6% ……（4）

15%≤（Nb/Ti+0.75）×18.5≤18% ……（5）

7.如权利要求1~6任一项所述的一种高耐热不锈钢咖啡壶材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种高耐热不锈钢咖啡壶材料的制备方法，其特征在于：所述步骤A中，真空感应冶炼的工艺步骤具体为：

9.根据权利要求7所述的一种高耐热不锈钢咖啡壶材料的制备方法，其特征在于：所述步骤F中，将退火后的锻棒以300℃的温度入炉，以125℃/h的速度加热到675℃并保温3h，再以125℃/h的速度加热到1040℃并保温6.5h，油冷。

10.根据权利要求7所述的一种高耐热不锈钢咖啡壶材料的制备方法，其特征在于：所述步骤G中，将步骤F淬火后的锻棒以150℃的温度入炉，以70℃/h的速度加热到325℃并保温2.5h，再以70℃/h的速度加热到625℃并保温7.5h，空冷，整个回火过程在同样的条件下重复一次。