CN105177439B - 一种含Cr、N型高锰奥氏体钢板及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含Cr、N型高锰奥氏体钢板及制备方法，其化学成分按重量百分比为：C 0.28‑0.32％；Mn 24.8‑25.2％；Cr 2.8‑3.2％；Al 2.8‑3.2％；N 0.02‑0.20％；P≤0.015％；S≤0.005％；～余量为Fe。其制备方法是：按设定成分冶炼钢水并铸成锭，加热至1200℃保温2h后锻造成板坯，然后热轧至～6mm厚，再进行均匀化处理，随后冷轧至～1mm左右，最后进行固溶处理，可以得到良好强塑性匹配并具有一定的抗氧化性及耐腐蚀性。

Description

一种含Cr、N型高锰奥氏体钢板及制备方法

技术领域

本发明属于冶金材料领域，特别涉及一种高锰奥氏体钢板，具体地说，是一种含Cr和N元素、低成本并具有一定耐蚀性能的高锰奥氏体钢板及制备方法。

背景技术

不锈钢是当今必不可少的、消耗量极大的传统金属材料，被广泛应用于国民经济建设和人民生活的各个领域。为了获得良好的耐腐蚀和抗氧化性能，Ni和Cr常被用作不锈钢中的合金添加元素，并且其含量很高。然而，就世界范围来说，Ni和Cr同属资源短缺型、价格昂贵的战略金属元素；尤其是，我国属于贫镍铬国家之一，镍铬蕴藏量很少，原料还主要依靠进口，这种现状严重地束缚了我国不锈钢生产的发展。

为了节约Ni和Cr，特别是Ni，早在二战期间，德、英、美等国的研究人员即在Ni-Cr不锈钢中开展了以Mn代Ni、以Al代Cr的研究工作。自20世纪60年代开始，节镍铬以及无镍铬耐热钢的研制开发也一直是我国冶金和材料工作者的攻关目标之一。近些年，我国一些高等院校和冶金企业的科技人员，在节镍铁素体不锈钢、高氮不锈钢等的研究中也开展了大量的工作，并取得了一定的进展。但是，这些不锈钢中仍然有较高含量的Cr。无疑，如何利用其它资源丰富的合金元素，取代或者大部分取代不锈钢中的Ni和Cr，节约资源，降低成本，以制取经济型无镍铬不锈钢或无镍低铬不锈钢，是一项有着深远意义的战略性研究课题。

按照以Mn代Ni和以Al代Cr的研究与设计思路，研究人员很早就注意到Fe-Mn-Al-C系奥氏体型合金具有替代或者部分替代奥氏体不锈钢的潜力。然而，研究发现，虽然这类奥氏体型Fe-Mn-Al-C合金的抗氧化能力较强，但所面临的问题是抗耐蚀性较差。

发明内容

本发明针对上述问题的不足，提出一种含Cr、N元素且成本较低具有耐蚀性能的高锰奥氏体钢板及制备方法。本发明通过适当的合金元素设计和轧制及热处理方法，满足这类钢的力学性能要求，同时兼具一定的抗氧化性及耐腐蚀性，这将有效地拓宽高锰奥氏体钢的应用范围。本发明提供的含Cr、N型低成本高锰奥氏体钢板，可以应用于耐蚀性要求不是特别高的场合，例如门窗把手、楼梯护栏、围栏，以及非沿海地区的建筑辅助材料、家具装饰等。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：

一种含Cr、N型高锰奥氏体钢板，该钢板化学成分按重量百分比为：C 0.28-0.32％；Mn 24.8-25.2％；Cr 2.8-3.2％；Al 2.8-3.2％；N 0.02-0.20％；P≤0.015％；S≤0.005％；余量为Fe；其组织为奥氏体。

本发明中含Cr、N型的高锰奥氏体钢板，室温下的规定非比例延伸强度Rp_0.2≥233MPa，抗拉强度Rm≥502MPa，断后伸长率A≥33.2％；在600-950℃的温度范围内进行8h氧化，增重≤0.064mg/mm²；室温下自腐蚀电位-0.54V，腐蚀电流密度1.54×10^-5A/cm²。

优选的：所述钢板化学成分按重量百分比为：C 0.3％；Mn 25％；Cr 3％；Al 3％；N0.11％；P 0.007％；S 0.002％。

一种含Cr、N型高锰奥氏体钢板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按设定的化学成分冶炼钢水并铸成锭，设定的化学成分按重量百分比为：C0.28-0.32％；Mn 24.8-25.2％；Cr 2.8-3.2％；Al 2.8-3.2％；N 0.02-0.20％；P≤0.015％；S≤0.005％；余量为Fe；

步骤2，将铸锭加热至1150-1250℃，保温1.8-2.2h，锻成板坯；加热至1150-1200℃，保温0.8-1.2h，进行4道次轧制，开轧温度1100-1050℃，终轧温度1000℃以上；首道次压下率25-27％，第2道次压下率38-39％，第3道次压下率37-38％，第4道次压下率39.5-40.5％；

步骤3，将热轧板在,1050-1150℃保温0.8-1.2h，进行均匀化处理后，然后进行冷轧，冷轧总压下率﹥80％，轧至0.8-1.2mm厚；

步骤4，将冷轧后的薄板进行固溶处理，得到最终板材。

优选的：所述步骤3，将热轧板在1100℃保温1h，进行均匀化处理后，进行冷轧，冷轧总压下率﹥80％，轧至1mm厚。

优选的：所述步骤2中进行4道次轧制时，首道次压下率25.7％，第2道次压下率38.5％，第3道次压下率37.5％，第4道次压下率40％。

优选的：所述步骤2，将铸锭加热至1200℃，保温2h，加热至1150-1200℃，保温1h。

优选的：所述步骤4中将冷轧后的薄板进行固溶处理的方法：将冷轧板在700-1000℃保温15-25min，然后水淬，得到最终板材。

本发明得到的是含Cr、N型高锰奥氏体钢钢板，本发明的成分设计是基于以下几点：

C元素既溶于γ-Fe也溶于α-Fe形成有限固溶体，但是在γ-Fe的溶解度更大，扩大奥氏体区，故称其为是奥氏体形成元素。C含量及其分布状态很大程度上决定了不锈钢的组织和性能。C在不锈钢中对组织的影响主要表现在两方面：一方面，由于C和Cr亲合力很大，与Cr形成一系列复杂的碳化物；另一方面，C是稳定奥氏体元素，它对奥氏体的稳定作用很强烈，约为Ni的30倍。

Mn是节Ni奥氏体钢必不可少的元素。在节Ni奥氏体不锈钢中，其主要作用是使N在钢中的溶解度提高且起到固溶强化的作用。与其它固溶强化元素相比，Mn元素的固溶对塑性、韧性和焊接性的不利影响较小。Mn是比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈的稳定奥氏体作用。Mn在不锈钢中的另一有益作用是形成MnS，抑制钢中硫的有害作用，提高钢的热敏性。

Al作为合金元素加入钢中，可以细化晶粒，提高韧性。在高锰奥氏体钢中Al作为一种合金成分加入其中，不仅能够增加应变硬化速率和钢的低温韧性，还有脱氧、抗氧化、抗腐蚀、固溶强化和晶粒细化的作用。Al可以增加层错能并且强烈地抑制马氏体转变，起到稳定奥氏体的作用。尽管在高锰奥氏体钢中Al起到以上有利作用，但是铝含量过高将影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性，因此其含量不宜过高。

Cr是中等碳化物形成元素，在所有碳化物中，Cr的碳化物是最细小的一种，当它均匀地分布时，可使钢有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性；由于Cr的碳化物较难溶解，在短时间加热下有阻碍晶粒长的大作用，使组织细化而又分布均匀，所以钢中加入少量的Cr可显著提高塑性和韧性，但Cr含量超过10％则韧性下降。Cr是铁素体形成元素(它同α-Fe都具有体心立方晶格，且自熔点至绝对0K，纯铬均为这一晶格不变)，缩小γ区，所以在无奥氏体化元素存在时，高Cr钢将呈铁素体组织，当Cr含量达13％时，Ac3与Ac4会合为一点，γ区被封闭，所以含Cr＞13％时变为纯铁素体相，不再发生转变。Cr在对抗氧化性和耐腐性的改善上是很有利的。另外，Cr可形成稳定的碳化物，减缓碳的扩散和生成紧固的氧化膜，所以可降低脱碳作用。

N是非常强烈的奥氏体形成元素，具有比C更强烈的奥氏体形成倾向。随着N含量的提高，AlN析出物密度增加，可以延缓冷却及等温过程中奥氏体的转变，使退火后强度和强塑积提高，这使其在不锈钢中可以代替部分Ni。N的加入使不锈钢的强度比不含N的钢提高2-3倍，并不降低材料的塑韧性。此外，N也可以提高不锈钢的抗蠕变、疲劳、磨损能力。而N在不锈钢中提高钢的耐点蚀、耐缝隙腐蚀的能力约为铬的16-30倍。

除了以上几种对组织与性能影响较大的合金元素外，还有其它元素应该被提到。这些元素与在一般钢材中一样作为常见杂质元素存在，其对组织及性能的影响没有前面所讨论的几种元素大，但同样不能忽视，即P和S。钢中的P、S是有害元素，对耐腐蚀性和冲压性都会产生不利影响。钢中过高的P含量会使晶界断裂应力降低，脆性转变温度升高，引起冷脆，不利于冷加工和焊接，且易偏析；S会在钢中形成低熔点的FeS共晶体，造成热脆，同时，S与其他一些元素形成化合物，以硫化物夹杂形式存在，易形成层状偏析，对钢材的韧性带来极为不利的影响。因此，不锈钢中的P、S含量应该尽量控制。这里，给出P和S的含量控制范围为：P≤0.005％、S≤0.008％。

本发明的含Cr、N型高锰奥氏体钢钢板的制备方法采用的轧制及热处理工艺的依据是：

热轧过程采用在高温奥氏体再结晶区轧制，在高温再结晶区进行多道次大变形轧制，通过动态再结晶使奥氏体晶粒得到充分细化。由于高锰钢的特性，使得热轧后元素分布不均匀，热轧后，采取1100℃保温1h的固溶处理方案进行均匀化处理。

冷轧后采取固溶处理，是为了使轧制变形后的钢板通过再结晶过程的到均匀细化的奥氏体晶粒，获得所需要的强度和韧性。

本发明的含Cr、N型高锰奥氏体钢板及制备方法，相比现有技术，具有以下有益效果：

(1)考虑不锈钢的强度和塑性要求，并结合节约成本的思路，优化设计了钢的化学成分，采用合理的轧制工艺和热处理工艺，获得理想的微观组织，保证其力学性能要求，同时具有一定的抗氧化性及耐腐蚀性。

(2)利用本发明，可以获得一种具有一定抗氧化性及耐腐蚀性的含Cr、N型高锰奥氏体钢钢板，其无镍低铬的成分特征，极大地降低了不锈钢的成本。

附图说明

图1为本发明实施例中的工艺对比1的二次电子像；

图2为本发明实施例中的工艺对比2的二次电子像；

图3为本发明实施例中的工艺对比3的二次电子像；

图4为本发明实施例中的工艺对比4的二次电子像。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

实施例1

一种含Cr、N型高锰奥氏体钢板，该钢板化学成分按重量百分比为：C 0.28％；Mn24.8％；Cr 2.8％；Al 2.8％；N 0.02％；P 0.015％；S 0.005％；余量为Fe。

一种含Cr、N型高锰奥氏体钢板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按设定的化学成分冶炼钢水并铸成锭，设定的化学成分按重量百分比为：C0.28％；Mn 24.8％；Cr 2.8％；Al 2.8％；N 0.02％；P 0.015％；S 0.005％；余量为Fe；

步骤2，将铸锭加热至1150℃，保温1.8h，锻成板坯；加热至1150℃，保温0.8h，进行4道次轧制，开轧温度1100℃，终轧温度1000℃以上；首道次压下率25％，第2道次压下率38％，第3道次压下率37％，第4道次压下率39.5％；

步骤3，将热轧板在,1050℃保温0.8h，进行均匀化处理后，然后进行冷轧，冷轧总压下率﹥80％，轧至0.8mm厚；

步骤4，将冷轧后的薄板进行固溶处理，具体的：将冷轧板在700℃保温15min，然后水淬，得到最终板材。

实施例2

一种含Cr、N型高锰奥氏体钢板，该钢板化学成分按重量百分比为：C 0.32％；Mn25.2％；Cr 3.2％；Al 3.2％；N 0.20％；P 0.015％；S 0.005％；余量为Fe；其组织为奥氏体。

一种含Cr、N型高锰奥氏体钢板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按设定的化学成分冶炼钢水并铸成锭，设定的化学成分按重量百分比为：C0.32％；Mn 25.2％；Cr 3.2％；Al 3.2％；N 0.20％；P 0.015％；S 0.005％；余量为Fe；其组织为奥氏体；

步骤2，将铸锭加热至1250℃，保温2.2h，锻成板坯；加热至1200℃，保温1.2h，进行4道次轧制，开轧温度1050℃，终轧温度1000℃以上；首道次压下率27％，第2道次压下率39％，第3道次压下率38％，第4道次压下率0.5％；

步骤3，将热轧板在1150℃保温1.2h，进行均匀化处理后，然后进行冷轧，冷轧总压下率﹥80％，轧至1.2mm厚；

步骤4，将冷轧后的薄板进行固溶处理，具体的是：将冷轧板在1000℃保温25min，然后水淬，得到最终板材。

实施例3

一种含Cr、N型高锰奥氏体钢板，该钢板化学成分按重量百分比为：C 0.3％；Mn25％；Cr 3％；Al 3％；N 0.11％；P 0.007％；S 0.002％，其组织为奥氏体。

一种含Cr、N型高锰奥氏体钢板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按设定的化学成分冶炼钢水并铸成锭，设定的化学成分按重量百分比为：C0.3％；Mn 25％；Cr 3％；Al 3％；N 0.11％；P 0.007％；S 0.002％，其组织为奥氏体。

步骤2，将铸锭加热至1200℃，保温2h，锻成板坯；加热至1175℃，保温1h，进行4道次轧制，开轧温度1070℃，终轧温度1000℃以上；首道次压下率25.7％，第2道次压下率38.5％，第3道次的压下率37.5％，第4道次的压下率40％。此时总压下83％，热轧板厚度6mm。

步骤3，将热轧板在1100℃保温1h，进行均匀化处理后，然后进行冷轧，冷轧总压下率﹥80％，轧至1mm厚；。

步骤4，将冷轧后的薄板进行固溶处理，具体方案为：将冷轧板在850℃保温20min，然后水淬，得到最终板材。

实例：

本发明实施例对含Cr、N型高锰奥氏体钢钢板组织采用场发射电子探针JEOL JXA-8530F进行形貌观察；室温拉伸在CMT5105-SANS微机控制电子万能实验机上进行；氧化动力学实验在SETSYS Evolution 1750差热分析仪上进行；极化曲线测试在CS2350型CorrTest4电化学工作站上进行，腐蚀环境为质量分数为3.5％的NaCl溶液。

室温拉伸试样按GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》制成矩形截面标准拉伸试样。

这里提供一组实验结果作为实施例，钢的成分是一致的，炼钢、连铸、锻坯加热以及轧制工艺是一致的，不同之处在于冷轧后的固溶处理工艺制度，给出一些固溶处理工艺、性能检测结果及二次电子像组织作为对比例。

(1)按设定的化学成分冶炼钢水并铸成铸锭；设定的化学成分按重量百分比为：C0.28-0.32％，Mn 24.8-25.2％，Cr 2.8-3.2％，Al 2.8-3.2％，N 0.02-0.20％，P≤0.015％，S≤0.005％，余量为Fe；

(2)将铸锭加热至1200℃，保温2h，锻成板坯；加热至1150-1200℃，保温1h，进行4道次轧制，开轧温度1100-1050℃，终轧温度1000℃以上；首道次压下率25.7％，第2道次压下率38.5％，第3道次的压下率37.5％，第4道次的压下率40％。此时总压下～83％，，热轧板厚度～6mm；

(3)将热轧板在1100℃保温1h，进行均匀化处理，然后进行冷轧，冷轧总压下率﹥80％，轧至1mm厚；

(4)固溶处理工艺：将钢板于700-1000℃保温20min，然后水淬，得到最终板材；具体工艺分别采取以下4种：700℃×20min(对比例1)、800℃×20min(对比例2)、900℃×20min(对比例3)、1000℃×20min(对比例4)，退火时间以达到实际温度开始计算。

其二次电子像如附图所示，为奥氏体组织，且对随着固溶温度的提高，晶粒尺寸增大，孪晶所占比例增加。

力学性能检测结果为：

从上述的实施例中的工艺对比研究结果可知，屈服强度不低于300MPa的固溶处理温度范围在800℃以下，此时的抗拉强度也超过了600MPa。因此，获得良好力学性能的含Cr、N高锰奥氏体钢板的固溶处理工艺制度是：700-800℃×20min。此时力学性能结果为：常温拉伸屈服强度Rp_0.2≥313MPa，抗拉强度Rm≥629MPa，断后伸长率A≥33.2％；而在700-800℃的固溶处理在工业中也是容易做到的。该含Cr、N高锰奥氏体钢板在600-950℃的温度范围内8h的氧化增重≤0.064mg/mm²；自腐蚀电位-0.54V，腐蚀电流密度：1.54×10^-5A/cm²。

上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。

Claims (6)

1.一种含Cr、N型高锰奥氏体钢板的制备方法，该钢板组织为奥氏体，其化学成分按重量百分比为：C 0.28-0.32％；Mn 24.8-25.2％；Cr 2.8-3.2％；Al 2.8-3.2％；N0.02-0.20％；P≤0.015％；S≤0.005％；余量为Fe；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，按设定的化学成分冶炼钢水并铸成锭，设定的化学成分按重量百分比为：C0.28-0.32％；Mn 24.8-25.2％；Cr 2.8-3.2％；Al 2.8-3.2％；N 0.02-0.20％；P≤0.015％；S≤0.005％；余量为Fe；

步骤2，将铸锭加热至1150-1250℃，保温1.8-2.2h，锻成板坯；加热至1150-1200℃，保温0.8-1.2h，进行4道次轧制，开轧温度1100-1050℃，终轧温度1000℃以上；首道次压下率25-27％，第2道次压下率38-39％，第3道次压下率37-38％，第4道次压下率39.5-40.5％；

步骤3，将热轧板在1050-1150℃保温0.8-1.2h，进行均匀化处理后，然后进行冷轧，冷轧总压下率﹥80％，轧至0.8-1.2mm厚；

步骤4，将冷轧后的薄板进行固溶处理，得到最终板材；其中固溶处理工艺制度是：700-800℃×20min，然后水淬。

2.根据权利要求1所述的含Cr、N型高锰奥氏体钢板的制备方法，其特征在于：所述钢板化学成分按重量百分比为：C 0.3％；Mn 25％；Cr 3％；Al 3％；N 0.11％；P 0.007％；S0.002％。

3.根据权利要求1所述的含Cr、N型高锰奥氏体钢板的制备方法，其特征在于：所述奥氏体，规定非比例延伸强度Rp_0.2≥233MPa，抗拉强度Rm≥502MPa，断后伸长率A≥33.2％；在600-950℃的温度范围内进行8h的氧化，增重≤0.064mg/mm²；室温下自腐蚀电位-0.54V，腐蚀电流密度1.54×10^-5A/cm²。

4.根据权利要求1所述的含Cr、N型高锰奥氏体钢板的制备方法，其特征在于：所述步骤3，将热轧板在1100℃保温1h，进行均匀化处理后，进行冷轧，冷轧总压下率﹥80％，轧至1mm厚。

5.根据权利要求1所述的含Cr、N型高锰奥氏体钢板的制备方法，其特征在于：所述步骤2中进行4道次轧制时，首道次压下率25.7％，第2道次压下率38.5％，第3道次压下率37.5％，第4道次压下率40％。

6.根据权利要求1所述的含Cr、N型高锰奥氏体钢板的制备方法，其特征在于：所述步骤2，将铸锭加热至1200℃，保温2h，加热至1150-1200℃，保温1h。