CN105200341B

CN105200341B - 一种抗拉强度大于1000MPa的经济型双相不锈钢及其制造方法

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Publication number: CN105200341B
Application number: CN201510611734.8A
Authority: CN
Inventors: 胡锦程; 宋红梅; 江来珠
Original assignee: Baosteel Desheng Stainless Steel Co ltd
Current assignee: Baosteel Desheng Stainless Steel Co., Ltd.
Priority date: 2015-09-23
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2021-02-23
Anticipated expiration: 2035-09-23
Also published as: CN105200341A

Abstract

一种抗拉强度大于1000MPa的经济型双相不锈钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C：0.01～0.08％，Si：0.1～0.8％，Mn：0.8～5.0％，Cr：18.0～20.5％，Ni：0.5～2.5％，N：0.07～0.15％，Mo：0～0.5％，Cu：0～1.0％，其余为Fe和不可避免的杂质；且同时需满足：115℃≤Md_30/50≤145℃，Md_30/50＝(580‑520C‑2Si‑16Mn‑16Cr‑23Ni‑300N‑26Cu‑10Mo)℃。本发明钢的抗拉强度＞1000MPa，显著提高双相不锈钢材料的抗拉强度，可应用于对抗拉强度有较高要求的领域，如汽车、轨道交通、移动罐箱等技术领域。

Description

一种抗拉强度大于1000MPa的经济型双相不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及双相不锈钢制造，具体涉及一种抗拉强度大于1000MPa的经济型双相不锈钢及其制造方法。

背景技术

双相不锈钢在室温下由接近相等比例的铁素体与奥氏体双相组成，因此，双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的强度，特别是屈服强度显著提高，大约是奥氏体不锈钢的两倍，这主要是因为双相不锈钢含有更高的N含量，更细的晶粒以及两相交互作用导致的强化。此外，双相不锈钢的耐晶间腐蚀、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳和耐磨性能都显著改善。与铁素体不锈钢比，双相不锈钢的韧性高、脆性转变温度低、耐晶间腐蚀和焊接性显著改善，同时保留了铁素体钢导热系数高、膨胀系数小的优点。

迄今为止，双相不锈钢的发展经历了三个重要阶段。

1971年以前所开发的牌号为第一代双相不锈钢，由于冶炼条件的限制，C、N的含量都无法准确控制，其焊接后性能急剧下降。

1971～1989年开发的牌号属于第二代双相不锈钢，代表钢种为S32205。借助于1968年不锈钢精炼工艺-氩氧脱碳(AOD)的发明和应用，可以使双相不锈钢中氮含量显著提高，碳含量得到准确控制，从而显著改善焊缝、热影响区的韧性和耐腐蚀性能，同时氮还降低了有害金属间相的形成速率。技术的进步使得双相钢得以广泛应用于海上石油平台、化工、造纸等多个领域。

1990年以后出现的牌号为第三代双相不锈钢，其发展呈现2种趋势。一方面进一步提高钢中合金元素含量以获得更高强度和更加优良的耐腐蚀性能，如瑞典SANDVIK开发的SAF2906和SAF3207。另一方面开发低镍含量且不含Mo或仅含少量Mo的经济型双相不锈钢，以降低成本，如S32002，S32101等。由于成本的压力以及价格的波动，经济型双相不锈钢的开发在2000年后成为行业的重点发展方向。

从第一代到第三代双相不锈钢，包括现在的经济型双相不锈钢，开发的重点在于提高耐腐蚀性能、焊接性能及降低成本，并没有考虑如何进一步提高材料的强度，尤其是抗拉强度。但是，在某些双相不锈钢的潜在应用领域，如汽车、移动罐箱、轨道交通等行业，抗拉强度是至关重要的。

要进一步提高其强度，尤其是抗拉强度，通常的思路是提高固溶元素的含量，尤其是C、N、Mo、W等强固溶元素的含量。但是，提高C含量会导致碳化物析出，耐腐蚀性能及焊接性能的下降；提高N含量会导致制造上的困难，尤其是冶炼与热加工；Mo、W则是贵重合金元素，会显著增加材料的成本。因此从提高合金元素含量的思路来提高双相不锈钢的抗拉强度，尤其是经济型双相不锈钢的抗拉强度，效果非常有限。

而另外一个提高经济型双相不锈钢抗拉强度的思路是利用相变强化。如果降低经济型双相不锈钢中的奥氏体的稳定性，使得其在拉伸过程中形成相变马氏体，则可以显著提高其抗拉强度。以M_s与Md_30/50来评价奥氏体的稳定性，其经典的表达式如下所示。M_s为冷却过程中奥氏体向马氏体转变的开始温度点，而Md_30/50为变形过程中奥氏体向马氏体转变的温度点。M_s＝(1305-61.6Ni-41.7Cr-33.3Mn-27.8Si-1667(C+N))℃；Md_30/50＝(580-520C-2Si-16Mn-16Cr-23Ni-300N-26Cu-10Mo)℃。

现有的双相不锈钢包括经济型双相不锈钢，都是高合金成分体系，奥氏体的稳定性非常高。目前Ms点都在-200℃以下，因此在从高温冷却至低温的过程中不发生马氏体相变。迄今为止绝大多数双相不锈钢的Md_30/50温度点都在40℃以下，所以，在室温变形过程中几乎不产生或仅产生微量的马氏体，其抗拉强度都在800MPa以下。因此，目前经济型双相不锈钢的主要研究方向是在降低材料的成本，同时提高优良的耐腐蚀性能，并未涉及到如何提高材料的抗拉强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗拉强度大于1000MPa的经济型双相不锈钢及其制造方法，降低合金元素总量，显著提高双相不锈钢材料的抗拉强度，使其抗拉强度＞1000MPa，可应用于对抗拉强度有较高要求的领域，如汽车、轨道交通、移动罐箱等。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明通过Mn、N取代Ni，并降低Mo的含量，显著降低合金成本。并将材料的奥氏体向马氏体转变的温度点Md_30/50＝(580-520C-2Si-16Mn-16Cr-23Ni-300N-26Cu-10Mo)℃控制在115～145℃，从而通过相变马氏体显著提高抗拉强度。

具体的，本发明一种抗拉强度大于1000MPa的经济型双相不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.01～0.08％，Si：0.1～0.8％，Mn：0.8～5.0％，Cr：18.0～20.5％，Ni：0.5～2.5％，N：0.07～0.15％，Mo：0～0.5％，Cu：0～1.0％，其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：

115℃≤Md_30/50≤145℃；

Md_30/50＝(580-520C-2Si-16Mn-16Cr-23Ni-300N-26Cu-10Mo)℃。

进一步，本发明所述经济型双相不锈钢的化学成分还包括W、B中的一种或两种，其中，W≤0.5％，B≤0.02％，以重量百分比计。

所述经济型双相不锈钢的显微组织由铁素体与奥氏体两相组成，其中奥氏体的体积分数为40～60％。

再，所述经济型双相不锈钢的抗拉强度＞1000MPa。

在本发明钢的成分设计中：

碳：碳是强奥氏体形成元素，碳的奥氏体形成作用相当于Ni的30倍，因此一定程度上可以取代Ni，促进奥氏体组织的形成。此外，碳是很强的奥氏体稳定元素，可抑制奥氏体向马氏体的转变。但，当碳含量过高时，碳与铬结合后在晶界形成富铬碳化物，导致晶间腐蚀，尤其是在焊接过程中，碳化物迅速析出，将导致焊接区的耐腐蚀性能与力学性能显著下降。当碳含量过低时，将增加制备过程中的难度和成本。因此，本发明钢中控制碳含量为0.01～0.08％。

硅：硅是钢铁中通常含有的元素，因为硅是熔炼过程中是很好的脱氧元素，因此，一般双相钢中含有0.1％以上的硅。在双相不锈钢中，硅是铁素体形成和稳定元素，硅含量过高会导致与之相匹配的镍当量提高，增加成本。更重要的是，硅会加速金属间相的析出，对于制造和使用过程不利。因此，本发明钢中控制硅含量为0.1～0.8％。

锰：锰是一种相对较弱的奥氏体形成元素，锰的奥氏体形成能力约为Ni的一半，因此可以利用Mn来取代Ni，从而降低合金成本。此外，锰的添加可以显著提高氮的溶解度。但是，锰对不锈钢的耐腐蚀性的影响基本上都是负面的。根据不锈钢耐点腐蚀性能的经验公式PREN(耐点蚀当量)＝Cr+3.3Mo+30N-0.5Mn，每添加1％的锰，将使合金PREN值降低0.5。而且，Mn是奥氏体稳定元素，过高的Mn含量会提高的奥氏体稳定性，抑制奥氏体向马氏体的转变。因此，本发明钢中重点控制Mn含量为0.8～5.0％。

铬：铬是不锈钢获得耐腐蚀性能的最重要元素，也是一种铁素体形成元素，同时可稳定奥氏体，铬是双相不锈钢中最重要的合金元素。对双相不锈钢而言，当铬含量较低时，耐蚀性将显著下降。同时铬含量降低，奥氏体的稳定性显著降低。因此，本发明铬含量最低控制为18.0％。但当铬含量过高时，为获得双相组织，需要增加奥氏体形成元素含量，从而增加成本。而且铬含量过高，会使得奥氏体难以发生马氏体转变。因此，本发明钢中铬含量最高控制在20.5％。为保证铁素体与奥氏体两相的比例，将铬含量控制在18～20.5％之间。

氮：氮元素是双相不锈钢中不可或缺的重要元素。首先N是一种强的奥氏体形成元素，氮的奥氏体形成能力是镍的30倍。此外，氮可以提高奥氏体相的耐腐蚀性能，尤其是耐点腐蚀性能和耐缝隙腐蚀性能，其耐点蚀当量是铬的30倍。因此，本发明经济型双相不锈钢以较高的N来取代Ni。氮也是一种很强的奥氏体稳定元素，如果N含量过高，会提高奥氏体稳定性，抑制奥氏体向马氏体的转变。同时高的氮含量会提高熔炼和热加工的难度，导致难以在现有产线上进行生产。因此，本发明钢中氮含量控制在0.07～0.15％。

钼：钼非常有利于提高钢的耐腐蚀性能，尤其是在与铬复合作用的情况下。钼的耐点蚀当量是铬的3.3倍，其机理是稳定钝化膜及促进铬元素在钝化膜中的富集。此外，钼可提高奥氏体稳定性，但影响较小。但是，钼含量过高将导致脆性金属间相的加速析出，同时显著增加合金成本。因此，本发明将钼含量控制在0.5％以下。

铜：铜是一种较弱的奥氏体形成元素，可以替代部分镍。铜的加入可以提高双相钢在还原性酸中的耐腐蚀性，同时有利于提高耐缝隙腐蚀性能，但是铜含量过高时不利于热加工性能。Cu也是强烈稳定奥氏体的合金元素，降低加工硬化倾向，从而提高不锈钢的塑性。综合考虑到对奥氏体稳定性的控制，本发明钢中Cu含量控制在1.0％以下。

钨：钨是本发明中可选元素之一。钨在双相钢中的作用与钼相似，可以提高钢的耐腐蚀性能。钨还可以降低奥氏体/铁素体相界面的活性，抑制金属间相的形成。但是，钨含量过高时反而促进金属间相生成。因此，本发明钢中钨含量控制在0.5％以下。

硼：硼也是本发明的可选元素之一。硼的加入主要是为提高双相不锈钢的热加工性能。但B含量过高会导致双相不锈钢中形成B的化合物，严重降低材料的塑性和韧性。因此，本发明中B含量控制在0.02％以下。

115℃≤Md_30/50≤145℃：要利用相变强化提高抗拉强度，则需要降低双相组织中奥氏体的稳定性，促进奥氏体向马氏体的转变。其基本思路是通过合金成分的调整将Md_30/50温度控制在合适的范围，变形过程中双相不锈钢中的奥氏体将会向马氏体转变。但是，如果Md_30/50过高，会导致冷却过程中形成铁素体与马氏体组织，硬度与强度过高，而延伸率太低；Md_30/50过低，会导致奥氏体稳定性提高，形变诱发马氏体的量不够，不能有效通过马氏相变提高抗拉强度。因此，本发明控制Md_30/50在115～145℃范围内。

本发明所述抗拉强度大于1000MPa的双相不锈钢的制造方法，其包括如下步骤：

(1)冶炼、铸造

按如下化学成分冶炼、模铸或连铸，其中，模铸或连铸时，过热度为20～50℃，连铸的板坯拉速为0.8～2m/min；所述化学成分重量百分比为：C：0.01～0.08％，Si：0.1～0.8％，Mn：0.8～5.0％，Cr：18.0～20.5％，Ni：0.5～2.5％，N：0.07～0.15％，Mo：0～0.5％，Cu：0～1.0％，其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：

115℃≤Md_30/50≤145℃；

Md_30/50＝(580-520C-2Si-16Mn-16Cr-23Ni-300N-26Cu-10Mo)℃；

(2)锻造或热轧

先加热，加热温度为1100～1250℃，再进行锻造或热轧；

(3)退火或退火+酸洗

退火温度为1020～1130℃；

(4)冷轧

单轧程的压下率≤70％，单道次的压下率≤25％；

(5)冷轧后退火+酸洗或光亮退火

退火温度为1020～1130℃。

进一步，所述化学成分还包括W、B中的一种或两种，其中，W≤0.5％，B≤0.02％，以重量百分比计。

本发明制备得到的经济型双相不锈钢的显微组织由铁素体与奥氏体两相组成，其中奥氏体的体积分数为40～60％。

再，所述经济型双相不锈钢的抗拉强度＞1000MPa。

本发明的制造工艺设计中：

将钢液进行模铸或连铸，为避免氮的逸出，模铸或连铸时的过热度为20～50℃，模铸的板坯拉速为0.8～2m/min。

本发明在冷轧过程中因为大量形变马氏体的产生，加工硬化率高。当冷轧单轧程的压下率高于70％时，会导致其屈服强度接近2000MPa，造成轧制力过大、板形难控制等一系列问题。当单道次压下率过大，同样会产生此类问题。因此，本发明单轧程的压下率控制在70％以下，单道次的压下率控制在25％以下。

本发明加热温度设定为1100～1250℃，可获得最佳的边部质量和表面质量。锻造或热轧后退火温度控制为1020～1130℃，从而获得接近1：1的铁素体-奥氏体双相结构的组织与无氧化皮表面。冷轧后退火温度控制为1020～1130℃，保证获得合适的两相比例。

本发明制得的经济型双相不锈钢的显微组织由铁素体与奥氏体两相组成，其中奥氏体的体积分数为40～60％。也就是说其中任何一相的体积比例不低于40％。如果铁素体相的比例高于60％，则可能导致韧性与焊接性能下降；如果奥氏体相的比例高于60％，则可能导致耐腐蚀性能下降。此外，如果任何一相的比例过高，接近单相奥氏体或单相铁素体组织时，也会降低复合强化的效果，导致其屈服强度、抗拉强度的下降。

本发明的计算公式：M_s＝(1305-61.6Ni-41.7Cr-33.3Mn-27.8Si-1667(C+N))℃，Md_30/50＝(580-520C-2Si-16Mn-16Cr-23Ni-300N-26Cu-10Mo)℃中，上述公式中元素符号表示对应元素的重量百分含量×100。

本发明的有益效果：

1)本发明重点是对合金元素的总量进行控制，使得材料的Md_30/50控制在115～145℃，从而利用奥氏体相向马氏体相的转变，将材料的抗拉强度显著提高至1000MPa以上。

2)将Mn含量控制在0.8～5.0％，结合0.07～0.15％的N，使得Ni含量降低至0.5～2.5％，同时将Mo含量控制在0.5以下，因此合金成本显著降低。

3)本发明双相不锈钢的显微组织由铁素体与奥氏体两相组成，其中奥氏体的体积分数为40～60％。

4)本发明所述双相不锈钢可利用现有的不锈钢产线批量生产。

附图说明

图1为本发明实施例1合金的金相组织照片。

图2为本发明实施例2钢在拉伸变形过程中马氏体含量的变化示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

表1为本发明实施例钢的成分，表1同时给出了作为对比例的、目前已开发的经济型双相不锈钢S32304(即对比例1)的成分。表2为本发明实施例和对比例钢的制造工艺参数和力学性能。

本发明的冶炼方法可选择真空感应冶炼，电炉-氩氧脱碳AOD或电炉-氩氧脱碳AOD-炉外精炼LF炉冶炼。

本实施例以真空感应冶炼-模铸-热轧-退火酸洗-冷轧-退火酸洗的生产流程为例：将表1所示原料加入真空感应炉，熔化并精确调整成分后，进行模铸，模铸的过热度为20～50℃。将铸坯放入加热炉加热到1100～1250℃，在热轧机组上轧制到所需厚度后卷取。然后进行退火酸洗，退火温度控制在1020～1130℃，从而获得接近1：1的铁素体-奥氏体双相结构的组织与无氧化皮表面。最后将热轧退火后的钢板冷轧至1.5mm厚，再进行退火及酸洗，以获得高质量的表面与理想的组织。在冷轧过程中因为会产生形变马氏体，因此冷轧单道次压下量小于25％，单轧程压下小于70％。冷轧完成后，为保证材料的性能，须进行退火处理，退火温度为1020～1130℃。

将实施例1的钢试样打磨并抛光后进行电解腐蚀，腐蚀剂为40gKOH+100ml H₂O，腐蚀电流0.3～0.8A/cm²，最后在金相显微镜下通过定量金相法对奥氏体比例进行分析，得到如图1所示的金相组织，图1中黑色组织为铁素体，白色组织为奥氏体，奥氏体相的体积分数约占52％。

实施例2钢拉伸过程中组织中马氏体含量的变化如图2所示。拉伸试样按JIS-13B标准制造，在MTS-810拉伸机上依照GB/T 228-2007拉伸，拉伸至预定的变形量后即停止并卸载，然后通过磁性仪测量拉伸前后磁性的变化，以此来确认拉伸过程中是否产生马氏体并大致确认马氏体含量的多少。实施例2钢的拉伸过程中组织中马氏体含量的变化如图2所示。由图2可知，在拉伸变形的过程中，部分奥氏体发生相变，生成了形变马氏体，这是导致其抗拉强度显著提高的关键原因。

表2中的力学性能按照GB/T 228-2007测得。由于调整了Ni、N、Mn、Cr等合金元素的总量，将材料的Md_30/50点控制在115～140℃之间，从而使材料产生相变强化，显著提高了材料的抗拉强度，其抗拉强度达到1000MPa以上，相对于现有S32304提高30％以上。

表1 单位：重量百分比

表2

Claims

1.一种抗拉强度大于 1000MPa 的经济型双相不锈钢，所述经济型双相不锈钢的制造方法，包括如下步骤：

1) 冶炼、铸造

按如下化学成分冶炼、模铸或连铸，其中，模铸或连铸时，过热度为 20 ～ 50℃，连铸的板坯拉速为0.8 ～ 2m/min；所述化学成分重量百分比为：C ：0.01 ～ 0.08％，Si ：0.1～0.8％，Mn：0.8 ～ 5.0％，Cr ：18.0 ～ 20.5％，Ni ：0.5 ～ 2.5％，N ：0.07 ～0.15％，Mo ：0 ～0.5％，Cu ：0 ～ 1.0％，0≤W ≤ 0.2％，其余为 Fe 和不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系： 132℃≤ Md_30/50≤ 141℃，Md_30/50＝ (580-520C-2Si-16Mn-16Cr-23Ni-300N-26Cu-10Mo)℃；

2) 锻造或热轧

先加热，加热温度为 1100 ～ 1250℃；再进行锻造或热轧；

3) 退火或退火 + 酸洗

退火温度为 1030 ～ 1130℃；

4) 冷轧 60% ≤单轧程的压下率≤ 70％，单道次的压下率≤ 25％；

5) 退火 + 酸洗或光亮退火

退火温度为 1030 ～ 1130℃。

2.根据权利要求 1 所述的抗拉强度大于 1000MPa 的经济型双相不锈钢，其特征在于，所述化学成分还包括 B，其中，B ≤ 0.02％，以重量百分比计。

3.根据权利要求 1 或 2 所述的抗拉强度大于 1000MPa 的经济型双相不锈钢，其特征在于，所述经济型双相不锈钢的显微组织由铁素体与奥氏体两相组成，其中奥氏体的体积分数为 40 ～ 60％。