CN106319382A

CN106319382A - 一种低镍型中铬铁素体不锈钢及其制造方法

Info

Publication number: CN106319382A
Application number: CN201510359843.5A
Authority: CN
Inventors: 许海刚; 骆素珍; 王治宇; 马立
Original assignee: Baosteel Stainless Steel Co Ltd
Current assignee: Baosteel Desheng Stainless Steel Co., Ltd.
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2035-06-26
Also published as: CN106319382B

Abstract

一种低镍型中铬铁素体不锈钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为：Ni：0.7～1.2％，C：0.002～0.012％，N：0.002～0.020％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.1～0.50％，Cr：17.00～22.50％，Mo：1.70～2.50％，Nb：0.15～0.45％，Ti：0.05～0.25％，O：0.005～0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质，且满足关系式：(C+N)≤0.030％，Nb/Ti＝1.5～4；(Nb+Ti)/(C+N)＝12～22。本发明获得的低镍型中铬铁素体不锈钢具有优良的低温韧性和高强度，其韧脆转变温度≤-40℃，屈服强度≥330MPa，抗拉强度≥445MPa，其金相组织为全铁素体等轴晶组织。

Description

一种低镍型中铬铁素体不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明属于铁素体不锈钢领域，具体地涉及一种具备优良低温韧性的低镍型中铬铁素体不锈钢及其制造方法。

背景技术

铁素体不锈钢由于其具有成本风险小(不含或含少量的Ni)、耐蚀性(特别是耐应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀)优良的特点，在汽车排气系统、家电制品、建筑结构、水处理系统等行业均有着广泛的应用和广阔的发展前景。欧美和日本等国已开始大量应用含钼型的超纯铁素体不锈钢，代表钢种是SUS444。传统的铁素体不锈钢具有韧脆转变温度高、强度低、加工性差等的缺点，采用现代先进的不锈钢生产技术，已经能够保证典型的杂质元素C、N、P、S等保持在较低的范围内。另外，还可根据不同需求加入Ti、Nb、Zr等稳定化元素来提高超纯铁素体不锈钢本身的性能以及加工性。

当选择结构件钢板时，铁素体不锈钢板作为结构材料是一种选择。在满足耐蚀性的前提下，还必须有良好的力学性能，尤其是优良的低温韧性。但与奥氏体不锈钢相比，铁素体不锈钢低温状态下可移动滑移系少，容易产生裂纹且尖锐的裂纹会迅速的扩展而造成脆性开裂。具体表现为，常规工艺生产的铁素体不锈钢的低温韧性差，韧脆转变温度高，甚至某些铁素体不锈钢的韧脆转变温度在20℃以上，同时，铁素体不锈钢强度较低，由此限制了铁素体不锈钢作为结构件的应用。

中国专利CN102643968从工艺方面对中铬铁素体不锈钢的低温韧性进行提高，具体方法是添加了范围为260～600℃的中温轧制的方法，可以降低韧脆转变温度达20～41℃，但低温韧性值不会很高，且其强度并未大幅度提高。美国专利US5302214(A)规定添加了1％～2.5％的Cu，添加4％以下的Ni，稳定化元素方面仅规定和控制添加Nb的含量，视必要添加Al，Ti，V，Zr，W，B和REM等，但Ni含量过高对钢板的耐应力腐蚀性能危害大；欧洲专利EP0478790(B1)同样规定添加0.1～2.5％的Cu，视必要添加Al，Ti，V，Zr，W，B和REM等；日本专利JP2010100877(A)规定添加0.3％～0.8％的Cu和0.02％～0.08％的Al。以上几个外国专利中均规定要加一定量的Cu，Cu有利于提高冷加工成型性能和深加工性能，但Cu对钢的抗应力腐蚀性能危害很大，甚至高于Ni。日本专利JP2013209705(A)规定添加0.01％～0.30％的Ni，0.02％～1.2％的Al，0.02％～0.5％的V，0.001％～0.3％的Co，Al的作用为脱氧剂，Al含量适合时，可以降低韧脆转变温度，但增加会提高韧脆转变温度，而且增加含量会提高生产浇筑困难程度，Co可以强化基体，但会引起塑性和冲击韧性的下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种低镍型中铬铁素体不锈钢及其制造方法，获得的低镍型中铬铁素体不锈钢的低温韧性优良，韧脆转变温度降低，屈服强度得到大幅提高，其韧脆转变温度≤-40℃，屈服强度≥330MPa，抗拉强度≥445MPa。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种低镍型中铬铁素体不锈钢，其化学成分重量百分比为：Ni：0.7～1.2％，C：0.002～0.012％，N：0.002～0.020％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.1～0.50％，Cr：17.00～22.50％，Mo：1.70～2.50％，Nb：0.15～0.45％，Ti：0.05～0.25％，O：0.005～0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质，且满足关系式：(C+N)≤0.030％，Nb/Ti＝1.5～4；(Nb+Ti)/(C+N)＝12～22。

获得的钢板其韧脆转变温度≤-40℃，屈服强度≥330MPa，抗拉强度≥445MPa，其金相组织为全铁素体等轴晶组织。

本发明通过成分设计优化，使成分中不含Cu，通过添加适量的Ni保证良好的低温冲击韧性并提高强度，选择合适的Cr、Mo含量，超低的C、N含量，利用Ti、Nb双稳定化固定钢中的C、N，并控制钢中的O等杂质元素保证不锈钢高耐腐蚀性能和良好加工性能。

具体地，在本发明的成分设计中：

Ni：镍是很好的固溶强化元素，镍是大原子溶质，当它溶入基体金属中，会引起晶格点阵畸变，阻碍位错的运动，从而引起屈服强度的增加。可以显著提高铁素体不锈钢的强度，显著提高低温韧性，降低铁素体不锈钢的韧脆转变温度，其机理是镍通过吸附间隙原子减少了晶界析出物的析出量，减弱了晶界析出相对钢韧性的损害，并且镍可以增高铁素体的层错能，从而促进低温位错的交滑移，或<100>刃型位错的切变不匹配散开，使它们成为非有效的裂纹形核点。镍含量过低时不能在基体内体现其作用，Ni含量过高时则不会进一步降低铁素体不锈钢的韧脆转变温度，而且会带来降低不锈钢耐应力腐蚀的能力的负面影响，因此，本发明将其含量限定在0.7～1.2％。

C：碳虽然对耐腐蚀性有害，但从强度角度考虑还需要有一定含量。如果含量超过0.012％，则在加工性、韧性下降的同时，由于在焊接状态C和Cr等结合，形成Cr的化合物(Cr₂₃C₆和Cr₇C₃等)而产生贫Cr区，导致这些区域的耐腐蚀性显著下降。因此，本发明将C含量限定在0.002～0.012％。

Cr：铬是使铁素体不锈钢具有铁素体组织并具有良好耐蚀性的合金元素。Cr对铁素体不锈钢性能影响最大的是耐蚀性，主要表现在提高钢的耐氧化性介质和酸性氯化物介质的性能，铁素体不锈钢在氧化性介质中，铬能使不锈钢的表面上迅速生成氧化铬(Cr₂O₃)钝化膜。铁素体不锈钢的不锈性和耐蚀性的获得是由于在介质作用下，铬促进了钢的钝化并使钢保持稳定钝化态的结果。Cr还能提高钢耐局部腐蚀性，比如晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀以及某些条件下应力腐蚀的性能。如果低于17.0％就达不到中铬铁素体所具有的足够的耐腐蚀性，而如果超过22.5％，则钢材的韧性、延展性会下降。因此，本发明将Cr含量限定在17.00～22.50％。

Mo：钼的重要作用在于提高铁素体不锈钢的耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能，促进铁铬合金的钝化，提高不锈钢的耐蚀性能。但Mo含量过高会提高铁素体不锈钢冷轧态的应力腐蚀敏感性，Mo含量低于1.70％时，耐蚀性的提高有限，但超过2.50％时，基体的延展性、韧性就会降低，因此，本发明将Mo限定在1.70～2.50％。

Mn：锰是作为脱氧元素而添加的，可以提高不锈钢液的纯净度，提高冷轧带钢的表面质量，但如果Mn超过0.50％，其容易和S结合形成可溶性硫化物MnS，使耐腐蚀性低下，另外Mn对韧脆转变温度也有影响，含量高时会提高转变温度，因此，本发明将Mn含量限定在0.50％以下。

Si：硅是作为脱氧剂和强化元素而添加的，如果低于0.10％其效果就不充分，而如果超过0.50％，则冲击韧性降低。因此，本发明将Si含量限定在0.10～0.50％。

N：在焊接时N元素和Ti结合起来，有助于焊接部分的细晶化，并由此改善韧性、延展性，如果N含量超过0.02％，则其会和Cr结合而使耐腐蚀性降低，因此，本发明将N含量限定在0.002～0.020％。

Ti：钛是有力的碳氮化物生成元素，有利于提高耐腐蚀性能。Ti和N结合形成TiN，可以提高等轴晶比例，改善成型性能，Ti含量过高会造成稳定化比过高，析出相的含量会过多，另外，超过0.25％含量的Ti也会在一定程度上损害钢板的表面质量。

Nb：铌和碳结合起来，专门抑制碳化物析出，使耐腐蚀性提高，但是，Nb的添加超过0.45％时，就会使母材延展性、韧性遭到破坏。

O含量：O含量大时，夹杂物会大量增加，影响基体的韧性，因此控制在0.010％以下。

Nb/Ti的值在1.5～4，该值的规定是为了限定Nb和Ti之间的最优关系，Nb/Ti的值在1.5～4能够满足焊接区等轴晶比例，保证焊接性能，而且提高母材的表面质量。Ti的析出物TiN有利于形成焊缝等轴晶，提高焊缝韧性，但Ti过量会大量形成TiO，容易导致表面缺陷。

(Nb+Ti)/(C+N)的值在12～22，利用Ti、Nb双稳定化固定钢中的C、N，控制(Nb+Ti)/(C+N)的值在12～22保证能够使Ti和Nb充分结合掉C和N，避免在母材或焊接过程中由于Cr的碳氮化物的析出而导致晶间腐蚀的发生，同时，控制Nb和Ti的大量加入，可避免TiO大量产生影响表面质量，并且控制高成本Nb的添加。

本发明的低镍型中铬铁素体不锈钢的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述化学成分冶炼，连铸成坯；

2)加热

将连铸坯或铸坯加热至1050～1150℃，保温200～240min，使铁素体组织均匀化；

3)热轧

在800℃～920℃完成热轧，轧制总变形量97％～98％，热轧后按照常规工艺冷却；

4)退火

热轧卷在1000～1100℃完成连续退火，保温时间1～10min，退火后进行酸洗；

5)冷轧

冷轧的累积压下率≥70％，冷轧后进行连续退火，退火温度为1000～1100℃，保温时间1～5min，退火后进行酸洗。

本发明将连铸坯或铸坯加热保温200～240min，使铁素体组织均匀化，加热温度设定在1050～1150℃，可以防止由于过高的温度导致连铸坯或铸坯的晶粒粗化，影响最终成品的力学和表面性能；如果温度过低，就不能保证热轧的终轧温度而导致变形抗力的增大。

本发明在热轧终轧后在1000～1100℃完成连续退火，保温时间1～10min，由于本发明钢中添加了Ni元素，作为大原子溶质影响了基体组织中原子的扩散和新晶粒生长时晶界的推移，所需的温度要高一些，因此，本发明中的退火温度比常规中铬铁素体不锈钢的退火温度提高了50℃，退火温度过低或退火时间过短，容易导致不能完全再结晶；而退火温度过高或退火时间过长，容易导致晶粒粗化。

本发明冷轧的累积压下率≥70％，保证最终成品的成形性能和表面质量，冷轧后进行连续退火，退火温度为1000～1100℃，保温时间1～5min，退火温度过低或退火时间过短，容易导致不能完全再结晶；而退火温度过高或退火时间过长，容易导致晶粒粗化。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1)本发明针对铁素体不锈钢卷板作结构件时对于铁素体不锈低温韧性和强度的要求，通过添加镍元素来改善中铬铁素体不锈钢的低温韧性和强度，屈服强度是金属材料性能的重要指标之一，镍元素对铁素体不锈钢的屈服强度和抗拉强度的贡献，主要归因于镍的固溶强化作用，镍是大原子溶质，当它溶入基体金属中，会引起晶格点阵畸变，阻碍位错的运动，从而引起屈服强度的增加，获得的低镍型中铬铁素体不锈钢的屈服强度≥330MPa。

2)本发明加入镍元素，还用以降低铁素体不锈钢的韧脆转变温度和改善其低温冲击韧性，镍通过吸附间隙原子减少了晶界析出物的析出量，减弱了晶界析出相对钢韧性的损害；镍被加入铁素体不锈钢后，增加了铁素体的层错能，从而促进低温位错的交滑移，或<100>刃型位错的切变不匹配散开，使它们成为非有效的裂纹形核点，从而降低铁素体不锈钢的韧脆转变温度，改善其低温冲击韧性，获得的低镍型中铬铁素体不锈钢板的韧脆转变温度≤-40℃。

3)本发明对低镍中铬铁素体不锈钢的成分和生产工艺进行限定，比常规中铬铁素体不锈钢退火温度提高50℃，在不大幅增加成本的前提下提高含钼中铬铁素体的低温韧性和强度，减少低温天气时生产的断带风险，降低生产难度，有利于含钼中铬铁素体不锈钢作为结构件的应用。

附图说明

图1为本发明实施例2的典型金相组织。

图2为本发明实施例2和对比例2的应力腐蚀试验结果照片。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明实施例的成分如表1所示。本发明实施例制造方法采用三步法冶炼(电炉EF、氩氧脱碳炉AOD、真空氧精炼炉VOD)、连铸、热轧、冷轧、退火和平整后得产品。具体生产工艺情况参见表2。本发明实施例的铁素体不锈钢力学性能如表3所示。

对比例1使用无镍的SUS444作为对比，对比例2加入1.95％Ni作为对比。

从表3可以看出，采用本发明所获得的低镍型中铬铁素体不锈钢，屈服强度高，延伸率为正常的中铬铁素体不锈钢水平，冲击试样厚度为10mm，由冲击功平均值可以看出，本发明实施例的平均冲击功20℃时近150J，远远高于普通中铬铁素体不锈钢，在-40℃时平均值仍然较高，-60℃因冲击值之间相差较大而降低的平均值，说明韧脆转变温度降低至-40摄氏度以下，对比例1即SUS444保持正常的冲击韧性值。

图1为本发明实施例2的典型金相组织，可以看出，本发明的金相组织为全铁素体等轴晶组织。

实施例2和对比例2进行了沸腾氯化镁溶液中120h的应力腐蚀试验，其结果照片如图2所示，本发明实施例2无裂纹，对比例2在9小时时出现裂纹，试验结束后裂纹贯穿试样。可见，Ni含量的提高对耐应力腐蚀性能危害很大。

本发明的低镍型中铬铁素体不锈钢是一种含Ni的，Nb、Ti双稳定化、并且含有Mo的中铬铁素体不锈钢板，其钢板具有优良的低温韧性和更高的强度。

Claims

1.一种低镍型中铬铁素体不锈钢，其化学成分重量百分比为：Ni：0.7～1.2％，C：0.002～0.012％，N：0.002～0.020％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.1～0.50％，Cr：17.00～22.50％，Mo：1.70～2.50％，Nb：0.15～0.45％，Ti：0.05～0.25％，O：0.005～0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质，且满足关系式：(C+N)≤0.030％，Nb/Ti＝1.5～4；(Nb+Ti)/(C+N)＝12～22。

2.根据权利要求1所述的低镍型中铬铁素体不锈钢，其特征在于，其金相组织为全铁素体等轴晶组织。

3.根据权利要求1所述的低镍型中铬铁素体不锈钢，其特征在于，其韧脆转变温度≤-40℃，屈服强度≥330MPa，抗拉强度≥445MPa。

4.根据权利要求1或2或3所述的低镍型中铬铁素体不锈钢的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按权利要求1所述化学成分冶炼、连铸成坯；

2)加热

3)热轧

4)退火

5)冷轧

5.根据权利要求4所述的低镍型中铬铁素体不锈钢的制造方法，其特征在于，获得的钢板其金相组织为全铁素体等轴晶组织。

6.根据权利要求4所述的低镍型中铬铁素体不锈钢的制造方法，其特征在于，获得的钢板其韧脆转变温度≤-40℃，屈服强度≥330MPa，抗拉强度≥445MPa。