CN105331905B

CN105331905B - 一种新型无磁不锈钢及其制备方法

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Publication number: CN105331905B
Application number: CN201510769857.4A
Authority: CN
Inventors: 奉明军
Original assignee: Shenzhen Yalu Industrial Co Ltd
Current assignee: Dongguan Yalu Industrial Co.,Ltd.
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2017-05-03
Anticipated expiration: 2035-11-12
Also published as: CN105331905A

Abstract

本发明公开了一种新型无磁不锈钢，所述新型无磁不锈钢的组分按重量百分比计算（以下%均表示重量百分比）为：碳为0.15%~0.21%，镍为3%~5%，铬为8%~13%，锰为8%~11%，硅4%~5%，铌为0.48%~0.65%，钒为0.13%~0.47%，钼为1.2%~1.7%，钛为3%~4%，稀土为0.27%~0.33%，磷和硫的总量不超过0.035%，余量为铁及其不可避免的杂质。在原有无磁不锈钢的基础之上，通过改变合金成分和添加新成分，大幅改变钢材的机械性能，同时，通过改变制备工艺，控制工艺过程中的参数，来改变钢材的结构组织，得到的钢材各项性能良好，耐腐蚀性强，形状记忆效应好，特别适合用于舰船上的管道连接中。

Description

一种新型无磁不锈钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种合金材料，特别涉及一种新型无磁不锈钢及其制备方法。

背景技术

目前，国内工业上广泛使用的无磁钢是18-8型奥氏体型不锈钢，无磁钢的冶炼及加工技术在国内已经十分成熟。但是，随着人们对材料的性能要求越来越高，该材料在使用过程中强度和耐磨性越来越不能满足人们的要求，特别是在海洋环境下工作，其耐腐蚀性和耐磨性显著不足，不仅影响外观质量，同时极大的影响该材料的使用寿命，导致相应成本增加，安全事故易发。

形状记忆合金是一种集感温与驱动与一身的功能材料，在不同温度下具有形状记忆的性能。形状记忆合金作为一种新型功能材料，在工业上还未广泛应用，所以近几十年来形状记忆合金一直是人们研究的一大方向。在工业上具有实际应用价值的形状记忆合金按成分可分为3类：镍-钛基、铜基和铁基形状记忆合金，相对于另外两种合金，铁基形状记忆合金除具有强度高、塑性好、原料丰富、价格低廉等优点外，还具有良好的耐蚀性能。因此，如何开发出一种具有各项优异性能的具有形状记忆功能的钢材，是本专业技术人员所研究的课题，特别是在航海用无磁钢材中，具有形状记忆性能的无磁钢能更好的解决舰船漏油、漏水、漏气的三漏问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种新型无磁不锈钢，在原有无磁不锈钢的基础之上，通过改变合金成分和添加新成分，大幅改变钢材的机械性能，同时，通过改变制备工艺，控制工艺过程中的参数，来改变钢材的结构组织，得到的钢材各项性能良好，耐腐蚀性强，形状记忆效应好，特别适合用于舰船上的管道连接中。

本发明采用的技术方案如下：一种新型无磁不锈钢，所述新型无磁不锈钢的组分按重量百分比计算（以下%均表示重量百分比）为：碳为0.15%~0.21%，镍为3%~5%，铬为8%~13%，锰为8%~11%，硅4%~5%，铌为0.48%~0.65%，钒为0.13%~0.47%，钼为1.2%~1.7%，钛为3%~4%，稀土为0.27%~0.33%，磷和硫的总量不超过0.035%，余量为铁及其不可避免的杂质。

进一步，所述新型无磁不锈钢的组分按重量百分比计算（以下%均表示重量百分比）为：碳为0.18%，镍为3.15%，铬为8.71%，锰为11.8%，硅4.80%，铌为0.57%，钒为0.23%，钼为1.5%，钛为3.56%，稀土为0.31%，磷和硫的总量不超过0.035%，余量为铁及其不可避免的杂质。

在本发明的新型无磁不锈钢中，各化学元素成分设计思路为：钢中含碳量的多少对钢的组织和性能产生根本性影响，由于本发明的钢种属于不锈钢一类，故属于低碳钢，考虑到碳对合金元素的影响，本发明的含碳量选用0.15%~0.21%，在保证钢具有一定的强度、硬度下，尽量减少碳对合金元素的影响；锰在钢中起到强化基体的作用，提高钢的淬透性，锰还可以有效减少奥氏体的堆垛层错能，使马氏体易于被应力诱发，但其含量必须控制在一个范围之内，锰为过热敏感性元素，加热温度过高时易引起基体晶粒的粗大，当锰含量小于20%时，在应力诱发下，使原子运动不可逆，降低了形状记忆恢复率，锰量过高，易形成仿晶型组织，出现大量的网状铁素体，增大钢的回火脆性，因此本发明的钢中锰含量设计为8%~11%；硅在钢中能使钢的强度和硬度显著提高，填补低碳钢强度、硬度的不足，同时还能降低渗碳体的稳定性，减缓渗碳体的析出与聚集速度，提高钢的淬透性和抗回火性能，硅还能强化奥氏体相使合金形变时不易产生永久滑移，从而可提高合金的形变记忆效应，但硅会使钢在加热过程中产生晶粒粗化现象，增加钢的过热敏感性及热裂倾向，因此硅含量应控制在4%~5%左右；铬是活泼元素，与钢中的碳和铁形成合金碳化物，化合物在钢中起到沉淀强化作用，同时抑制组织中碳和硅产生石墨化现象，也是不锈钢的主加元素，但铬的增加会明显提高钢的韧-脆临界转变温度，使材料的热敏感性和回火脆性增大，因此本发明中钢的铬含量控制在铬为9%~13%；钼可以有效的细化铸态组织，钼与铬的配合使用，可以降低铬对钢回火脆性的影响，急剧提高钢的淬透性和断面均匀性，但由于钼价格昂贵，综合考虑，本发明采用的钼的含量为钼为1.2%~1.7%；镍可以细化晶粒，能强烈稳定奥氏体，使钢具有无磁性，在提高钢的淬透性的同时不降低其韧性，也是提高钢抗腐蚀性能的主要元素，使钢具有较高的抗腐蚀疲劳性能，改善机加工性能，但镍价格昂贵，且不利于本发明的钢的形状记忆效应，综合考虑，镍含量应控制在3%~5%，镍和铬搭配使用，不仅可以使钢具有优异的抗腐蚀性和无磁性，还使钢具有较高的强度、耐磨性和韧性等性能，一般情况下，奥氏体相强度越高，越利于合金形状记忆效应的提高，因此，配合使用效果最好。

在本发明中，钢中新添加了钒、钛、铌和稀土元素，其中，钛能够起到脱氧的作用，能析出细小的碳化钛颗粒，作为形核核心，使晶粒得到细化，从而提高钢的综合机械性能，由于钛与硫的亲和力要强于锰与硫的亲和力，故钛可夺取硫化锰中的硫并与它形成更稳定的硫化物，减少硫化锰的析出，改善夹杂物形态，提高钢冲击韧性，因此本发明中钛的含量为钛为3%~4%；钒是一种能抑制奥氏体长大的元素，钢中钒的含量在0.1%以上就会有效地抑制硬化过程的晶粒长大，具有极强的固溶强化作用，形成的碳化物具有超高耐磨性能，但在本发明的钢中属不利元素，为了利用钒的优点，添加少量钒元素，再把钢加热到晶粒长大抑制碳化物溶解温度，晶粒就会长大，克服钒带来的不利影响；考虑到无磁不锈钢为单向奥氏体不锈钢，其强度性能较低，为了进一步提高其强度，向钢中加入铌元素以提高其抗拉强度和屈服强度，使钢具有很好的抗氢性能，防止氧化介质对钢的晶间腐蚀，克服了奥氏体不锈钢在焊接过程中，晶间腐蚀严重，导致晶粒脱落，钢件脆断的缺点；稀土元素的加入是为了综合提高本发明的无磁不锈钢的性能，钢中加入少量的稀土元素就能净化钢液、改善铸态组织，高熔点的稀土化合物在钢液中形成固态质点，成为结晶核心，加快钢液的凝固速度，细化晶粒使铸态柱状晶变细枝间碳化物变小、改善碳化物不均匀性，有效改善铸造组织和冶金质量，提高钢的强韧性和耐磨性。

本发明还包括一种新型无磁不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、用中频感应电炉熔炼，将原料铁放入转炉中加热熔化，待原料铁全部熔化后，调节熔池温度，使熔池温度控制在1550℃左右，然后向熔池中加入脱碳剂，脱硫剂，脱氧剂，对熔池里的铁水进行脱碳、脱硫、脱氧；

步骤2、脱碳、脱硫、脱氧工序完成后，升温熔池温度，使之达到1600℃左右，保持5min，然后向熔池中，连续加入铬铁，锰铁和镍粒，使熔池中的铬含量、锰含量、镍含量达到预定要求，调节温度，使温度控制在1610℃，保持5min；

步骤3、步骤2完成后，加入脱氧剂进行二次脱氧，之后加入钼铁、铌铁、钒铁和钛铁，熔炼快结束时，加入稀土，使钢中的合金成分达到预定要求，然后微调钢液中的化学成分，准备浇注，浇铸方法为蜡模浇铸，浇铸完后，待钢锭成型完毕，取出钢锭，清理表面渣滓，去除冒口；

步骤4、均匀化退火：浇铸完成后，在热处理炉中，将步骤1中得到的钢锭加热至1150℃，升温速率为120℃/h，然后保温8h，再随炉冷却至室温；

步骤5、均匀化退火完成后，将钢锭置于热处理炉中，加热钢锭至920℃，保温3h，再随炉冷却至室温；

步骤6、步骤5完成后，用机械加工的方法除去钢锭表面的铸造缺陷和氧化皮，表面打磨光滑平整；

步骤7、将机械加工完后的钢锭置于加热炉中，将钢锭加热至1050℃，升温速率为100℃/h，一次锻压下，将钢锭锻造成所需规格的板材；

步骤8、将锻压完成后的板材置于热处理炉中，加热板材至620℃，升温速率为70℃/h，然后保温2.5h，再随炉冷却至室温；

步骤9、步骤8完成后，将得到的板材用线切割的方式切割成方便存储和使用的板材，用机械加工的方式将线切割后的板材加工成所需形状和尺寸的成品，然后将得到的板材置于热处理炉中，加热板材至650℃，升温速率为50/h，保温30min，然后再水淬至室温。

在本发明的新型无磁不锈钢的制备方法中，在钢液冶炼过程中，控制冶炼参数和原料加入时机，能够得到优质的符合预定要求的钢液，如控制熔炼温度可防止合金元素过热而损失，又利于脱碳、脱氧和脱硫等过程，钼铁、铌铁、钒铁和钛铁要在熔炼后期加入，又利于钢液对合金元素的吸收。在热处理时，选择合适的热处理工艺也是钢能否具有优异性能的决定因素，如先对浇铸成型后的钢锭进行均匀化退火，消除钢锭在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化，然后再进行完全退火，使钢锭的组织完全奥氏体化，消除过热缺陷；钢锭经锻压成板材后，为了消除其残留应力，提高尺寸稳定性，防止变形和开裂，需将板材加热至650℃进行去应力退火；本发明的新型无磁不锈钢的板材通过压力加工成型，使其组织中产生了很多的晶体缺陷，如位错和层错等，以及应力诱力诱发ε马氏体（具有密排六方点阵结构的马氏体），且最后的形状并不是所需要的形状，通过热处理控制变形前奥氏体的微观组织，即可提高本发明的钢的形状记忆效应，查阅文献得知，回复退火时，钢的形状记忆效应随退火温度的升高而增加，随后下降，且认为再结晶消除了冷加工产生的应力诱发ε马氏体及大部分晶体缺陷，降低了应力诱发γ→ε马氏体相变的临界应力，有利于钢形状记忆效应的提高，因此板材在进行变形成成品前需淬火处理，以消除加工过程中形成的不利于形状记忆效应的大量位错和应力诱发ε马氏体，同时达到定形目的，避免成品发生记忆紊乱，而在650℃淬火时效果最佳。

进一步，制得后的新型无磁不锈钢成品的使用方法为：在使用时还需进行热机械循环训练，即在室温下，通过机械加工的方式将步骤9得到的成品加工成所需形状，然后将变形后的成品置于加热炉中，加热成品至600℃，升温速率为70℃/h，保温40min，最后随炉冷却至室温，如此反复，直至成品的可恢复变形量为3.5%。

进一步，所述新型无磁不锈钢成品的使用方法中，板材的使用状态为板材淬火后的状态，室温下板材变形后的状态为临时状态，即为过渡状态。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、耐蚀及耐晶间腐蚀性能好，抗氧化性，耐酸碱性优异，适合舰船壳体的制造。

2、塑性韧性好，硬度强度高，耐腐蚀性强，新型无磁不锈钢的机械性能良好。

3、耐磨性良好，抗冲击韧性增强，无磁性、焊接性和加工性能好，克服了奥氏体不锈钢在焊接过程中，晶间腐蚀严重，导致晶粒脱落，钢件脆断的缺点。

4、具有特殊使用性能，即具有形状记忆效应，能用于一些特殊的场合，特别适用管道连接件中，能有效解决舰船漏油、漏水、漏气的三漏问题。

具体实施方式

实施例一

一种新型无磁不锈钢，所述新型无磁不锈钢的组分按重量百分比计算（以下%均表示重量百分比）为：碳为0.18%，镍为3.15%，铬为8.71%，锰为11.8%，硅4.80%，铌为0.57%，钒为0.23%，钼为1.5%，钛为3.56%，稀土为0.31%，磷和硫的总量不超过0.035%，余量为铁及其不可避免的杂质。

上述新型无磁不锈钢的通过以下步骤制得：

实施例二

一种新型无磁不锈钢，所述新型无磁不锈钢的组分按重量百分比计算（以下%均表示重量百分比）为：碳为0.15%，镍为5%，铬为8%，锰为8%，硅4%，铌为0.65%，钒为0.47%，钼为1.2%，钛为3%，稀土为0.33%，磷和硫的总量不超过0.035%，余量为铁及其不可避免的杂质。

上述新型无磁不锈钢通过以下步骤制得：

实施例三

一种新型无磁不锈钢，所述新型无磁不锈钢的组分按重量百分比计算（以下%均表示重量百分比）为：碳为0.21%，镍为3%，铬为13%，锰为11%，硅5%，铌为0.48%，钒为0.13%，钼为1.7%，钛为4%，稀土为0.27%，磷和硫的总量不超过0.035%，余量为铁及其不可避免的杂质。

上述新型无磁不锈钢的制备方法包括以下步骤：

实施例四

一种新型无磁不锈钢，所述新型无磁不锈钢的组分按重量百分比计算（以下%均表示重量百分比）为：碳为0.21%，镍为5%，铬为13%，锰为8%，硅4%，铌为0.48%，钒为0.13%，钼为1.7%，钛为4%，稀土为0.33%，磷和硫的总量不超过0.035%，余量为铁及其不可避免的杂质。

上述新型无磁不锈钢的制备方法包括以下步骤：

通过上述实施例制得后的新型无磁不锈钢成品的使用方法为：在使用时还需进行热机械循环训练，即在室温下，通过机械加工的方式将步骤9得到的成品加工成所需形状，然后将变形后的成品置于加热炉中，加热成品至600℃，升温速率为70℃/h，保温40min，最后随炉冷却至室温，如此反复，直至成品的可恢复变形量为3.5%。板材的使用状态为板材淬火后的状态，室温下板材变形后的状态为临时状态，即为过渡状态。

将上述各实施例得到的成品中各取一试样进行力学性能测试，结果如下表所示：

在室温条件下，将上述各实施例得到的成品的试样经热处理后处理成平直试样，然后在模具上均匀弯曲180度，卸载力后，取出试样，测量试样的弹性回弹角Θ_e，然后将变形后的试样650℃回复退火，测量记忆回复角Θ_m，试样预变形量ε，形状回复率η，可回复变形量ε_r，塑性变形ε_p，得到下表：

通过对比两表格，可以得到，屈服强度和抗拉强度之差值大形状记忆效应就好的规律，而延伸率决定了合金的可加工性能，延伸率越高可加工性越好，因此本发明的新型无磁不锈钢在原有无磁不锈钢的基础之上，通过改变合金成分和添加新成分，大幅改变钢材的机械性能，同时，通过改变制备工艺，控制工艺过程中的参数，来改变钢材的结构组织，得到的钢材各项性能良好，耐腐蚀性强，形状记忆效应好，特别适合用于舰船上的管道连接中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种新型无磁不锈钢，其特征在于，所述新型无磁不锈钢的组分按重量百分比计算为：碳为0.15%~0.21%，镍为3%~5%，铬为8%~13%，锰为8%~11%，硅4%~5%，铌为0.48%~0.65%，钒为0.13%~0.47%，钼为1.2%~1.7%，钛为3%~4%，稀土为0.27%~0.33%，磷和硫的总量不超过0.035%，余量为铁及其不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的新型无磁不锈钢，其特征在于，所述新型无磁不锈钢的组分按重量百分比计算为：碳为0.18%，镍为3.15%，铬为8.71%，锰为11.8%，硅4.80%，铌为0.57%，钒为0.23%，钼为1.5%，钛为3.56%，稀土为0.31%，磷和硫的总量不超过0.035%，余量为铁及其不可避免的杂质。

3.如权利要求1或2所述的新型无磁不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、用中频感应电炉熔炼，将原料铁放入转炉中加热熔化，待原料铁全部熔化后，调节熔池温度，使熔池温度控制在1550℃，然后向熔池中加入脱碳剂，脱硫剂，脱氧剂，对熔池里的铁水进行脱碳、脱硫、脱氧；

步骤2、脱碳、脱硫、脱氧工序完成后，升温熔池温度，使之达到1600℃，保持5min，然后向熔池中，连续加入铬铁，锰铁和镍粒，使熔池中的铬含量、锰含量、镍含量达到预定要求，调节温度，使温度控制在1610℃，保持5min；

步骤4、均匀化退火：浇铸完成后，在热处理炉中，将步骤3中得到的钢锭加热至1150℃，升温速率为120℃/h，然后保温8h，再随炉冷却至室温；

4.如权利要求3所述的新型无磁不锈钢的制备方法，其特征在于，制得后的新型无磁不锈钢成品的使用方法为：在使用时还需进行热机械循环训练，即在室温下，通过机械加工的方式将步骤9得到的成品加工成所需形状，然后将变形后的成品置于加热炉中，加热成品至600℃，升温速率为70℃/h，保温40min，最后随炉冷却至室温，如此反复，直至成品的可恢复变形量为3.5%。

5.如权利要求4所述的新型无磁不锈钢的制备方法，其特征在于，所述新型无磁不锈钢成品的使用方法中，板材的使用状态为板材淬火后的状态，室温下板材变形后的状态为临时状态，即为过渡状态。