CN107119241A - 一种1000MPa级无磁不锈钢热轧板及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种1000MPa级的无磁不锈钢热轧板及制造方法，无磁不锈钢的化学成分按重量百分比组成为C:0.05～0.20％，Si:0.1～0.3％，Mn:4～7％，Mo:0.4～0.6％，Cr:19～21％，Ni:13～15％，Nb:0.6～1.5％，V:0.3～0.5％，N:0.2～0.5％，P≤0.04％，S≤0.03％，余量为Fe；制备方法为：按设定的化学成分冶炼钢水并铸成铸锭；将铸锭加热，通过自由锻，获得中间坯；对中间坯进行轧制；对轧制后的钢板进行固溶处理；对固溶处理后的热轧钢板进行时效处理。本发明的无磁不锈钢能够在时效过程中析出稳定的碳化物，在保证磁导率的同时提高了强度。

Description

一种1000MPa级无磁不锈钢热轧板及制造方法
技术领域
本发明属于冶金材料技术领域，特别涉及一种1000MPa级无磁不锈钢热轧板及制造方法。
发明背景
奥氏体不锈钢在室温下表现为顺磁性，由于其具有良好的耐腐蚀性和优良的力学性能，可以作为无磁不锈钢使用。常规的无磁不锈钢的抗拉强度为700-750MPa，磁导率为1.05左右。随着技术的发展，对无磁钢的抗拉强度和相对磁导率要求也在日益提高，开发抗拉强度大于750MPa、相对磁导率小于1.05的无磁不锈钢显得尤为迫切。
发明内容
本发明解决的技术问题提供一种1000MPa级的无磁不锈钢热轧板及制造方法，目的在于通过适当的合金元素设计和制造方法，提供一种高抗拉强度和磁性能良好的无磁不锈钢板。
本发明的1000MPa级无磁不锈钢热轧板，其中无磁不锈钢的化学成分按重量百分比组成为C:0.05～0.20％，Si:0.1～0.3％，Mn:4～7％，Mo:0.4～0.6％，Cr:19～21％，Ni:13～15％，Nb:0.6～1.5％，V:0.3～0.5％，N:0.2～0.5％，P≤0.04％，S≤0.03％，余量为Fe；其中，C：优选含量为0.06～0.15％，Nb：优选含量为0.08～1.3％，V：优选含量为0.35～0.47％，N：优选含量为0.35～0.48％.
其金相组织为均匀分布的奥氏体，并且带有少量孪晶，室温屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥1000MPa，断后伸长率≥35％，相对磁导率≤1.005。
本发明的1000MPa级无磁不锈钢板的制备方法按以下步骤进行：
(1)按设定的化学成分：重量百分比C:0.05～0.20％，Si:0.1～0.3％，Mn:4～7％，Mo:0.4～0.6％，Cr:19～21％，Ni:13～15％，Nb:0.6～1.5％，V:0.3～0.5％，N:0.2～0.5％，P≤0.04％，S≤0.03％，余量为Fe，冶炼钢水并铸成铸锭；
(2)将铸锭加热至1100～1200℃，保温1～2h，通过自由锻，获得中间坯；
(3)对中间坯进行5～7道次轧制，开轧温度为1100～1200℃，终轧温度为900～1000℃，获得钢板；其中优选开轧温度为1110℃～1160℃，终轧优选温度为930～970℃。
(4)对轧制后的钢板进行固溶处理，固溶温度为1050～1200℃，时间0.5～1.5h；其中，优选的固溶处理温度为1100～1160℃，时间为0.6～1.3h。
(5)对固溶处理后的热轧钢板进行时效处理，时效温度为650～800℃，时效时间为1～4h。其中，优选的时效处理温度为650～750℃，时间为1.5～3.5h。
进一步地，在上述技术方案中，步骤(3)中，每道次压下量控制在10～30％。
进一步地，在上述技术方案中，步骤(2)中，中间坯的厚度为30～60mm；步骤(3)中，钢板的厚度为4～6mm。
本发明中合金元素的设计考虑了以下几点：
C是一种强烈地形成和稳定奥氏体元素，作为一种间隙元素并且可以和一些元素共同形成碳化物，在固溶处理和时效处理后，均通过与位错相互作他用的机制来增强奥氏体不锈钢的强度，在保证强度的情况下，高Cr含量钢中的C含量控制在较低范围内。
Si是强烈形成铁素体的元素，它形成铁素体的能力非常强，所以想要得到单一的奥氏体组织，就必须控制硅的含量。在奥氏体不锈钢中，随着硅含量的提高，δ铁素体含量将增加，同时金属间相、比如δ(x)相的形成也会加速和增多，从而影响钢的性能，因此，Si的含量控制在0.2％左右；
Mn是无磁不锈钢中的主要合金元素，是扩大奥氏体区和强烈地稳定奥氏体的元素，Mn的加入会增加钢中氮的溶解度。高Cr-Ni系无磁不锈钢中，钢中Mn含量增加，强度会得到提高；Mn在高Cr-Ni系无磁不锈钢中的作用除能够稳定奥氏体稳定外，同时能够作为脱氧剂和脱S剂，并且能改善钢的热塑性；但Mn含量过高，会促使钢的导热系数下降，线膨胀系数增加，在冷热加工中产生较大的内应力，因此，Mn的含量控制在5.5％左右；
Mo固溶在基体中时会引起晶格畸变，间接增大原子间的结合力,提高了钢的强度。Mo与Nb可无限固溶，Mo的存在可提高Nb的固溶度，可以形成更多细小的C化物，达到的弥散强化的目的，因此，Mo的含量控制在0.5％左右；
Cr是不锈钢中最重要的合金元素，Cr能显著改善钢的抗氧化性能和耐腐蚀能力，在钢表面产生致密的Cr2O3作为保护膜来阻止钢被继续的氧化，促进钢的钝化，并使钢保持长期稳定的钝化状态。奥氏体不锈钢的铬含量越高，钢的抗氧化性越好。在无磁不锈钢中为保持其抗蚀性能一般Cr质量分数为18％以上，因此，Cr的含量控制在20％左右；
Ni是形成和稳定奥氏体组织的主要合金元素，其作用仅次于碳和氮。Ni可能不是钢中形成奥氏体所必需的元素，Ni的加入会改善钢的力学性能、机械加工性能和耐蚀性，所以大部分无磁不锈钢中都会加入一定量的Ni。为了保证无磁性能并基于Cr含量，Ni的含量控制在14％左右；
Nb在钢中能形成非常稳定的NbC，通常作为稳定碳的元素加入，减少和防止富铬的碳化物的形成，从而防止晶间贫铬，提高不锈钢的耐蚀性。Nb元素的原子半径为0.147nm，在常见的合金元素中是最大的，比铁的大15％，所以它对奥氏体不锈钢有最大的强化作用。在无磁不锈钢中Nb(C，N)从基体析出形成弥散的第二相分布在集体上，达到弥散强化的目的，且Nb的全固溶温度为1250℃以上，在高温时也可以抑制形变奥氏体再结晶，因此，Nb的含量控制在1.0％左右；
V是强烈形成碳化物的元素，V的化合物在一定温度固溶时能溶于基体，形成过饱和固溶体，在后续时效处理时能够在基体上析出弥散的碳化V，通过阻碍晶界和位错的移动达到强化基体的作用，从而提高奥氏体不锈钢的强度和硬度。V作为合金强化元素被加入到钢中，加入量应控制在一定范围，加入量超过本身的溶解度时，不仅达不到强化的目的，还会成为有害相。因此，V的含量控制在0.4％左右；
N是强烈的奥氏体形成和稳定元素，同时也强烈扩大相图中奥氏体相区的范围。在奥氏体无磁不锈钢中，N作为合金元素通过固溶强化能显著提高钢的强度，同时，氮的加入还可以抑制或延缓钢中金属间化合物的析出，扩大热处理工艺窗口，提高钢的耐腐蚀性能，对提高材料耐局部腐蚀性能的作用尤其显著。因此，N的含量控制在0.4％左右；
S在钢中是以S化铁或它与铁形成的共晶体的形态存在，它们的熔点比钢低得多，因而在不锈钢的结晶过程中，S化铁一直是处于液态，只有在钢完全凝固后，温度下降到1200°C时，S化铁才开始凝固，在钢凝固的过程中，液态的S化铁被不断挤压到晶界处，S共晶的强度与铁基体相比低而且脆，成为裂纹萌生的发源地，使钢的机械性能降低。
P也是钢中的有害元素，过高的P会在钢中的晶界上形成并析出P化铁FeP，塑性变形过程中最先被撕裂，使钢的塑性和冲击韧性显著下降。同时，S、P在奥氏体不锈钢中均降低耐蚀性能。因此应对S、P予以严格控制，所以一般要求P含量不超过0.045％，S含量不超过0.03％。
1000MPa级无磁不锈钢制备的依据：无磁不锈钢的固溶处理温度为1050～1200℃，时效温度为650～850℃，钢中除了Cr和Ni元素，还加入Nb，Mo，V等C、N化物形成元素，能够在时效过程中析出稳定的碳化物，在保证磁导率的同时提高了强度。利用N在奥氏体中的溶解度比C高，加入N可以稳定奥氏体相，可以起到固溶强化和析出强化作用。
附图说明
图1为本发明实施例1的热轧带钢的金相组织图；
图2为本发明实施例2的热轧带钢的金相组织图；
图3为本发明实施例3的热轧带钢的金相组织图。
具体实施方式
对本发明实施例的热轧带钢的金相组织观察采用的是Leica DMIRM型光学显微镜；
其中室温拉伸试样按GB/T228-2002制成矩形截面标准拉伸试样，室温拉伸是在CMT5105-SANS微机控制电子万能实验机上进行；
本发明实施例中相对磁导率是采用Lake Shore的7400系列振动样品磁强计进行测量。
实施例1
1000MPa级无磁不锈钢热轧板的制备方法，按顺序包括以下步骤：
(1)按设定的化学成分，其中C:0.08％，Si:0.25％，Mn:5.2％，Mo:0.46％，Cr:19.1％，Ni:13.9％，Nb:0.9％，V:0.42％，N:0.37％，P≤0.04％，S≤0.028％，余量为Fe，冶炼钢水并铸成铸锭；
(2)将铸锭加热至1140℃，保温1h，通过自由锻，获得厚度为35mm的中间坯；
(3)对中间坯进行5道次轧制，开轧温度为1140℃，终轧温度为945℃，每道次压下量控制在10～30％，获得厚度为5.2mm的钢板；
(4)对轧制后的钢板进行固溶处理，固溶温度为1100℃，时间0.8h；
(5)对固溶处理后的热轧钢板进行时效处理，时效温度为700℃，时效时间为1.5h。
1000MPa级无磁不锈钢热轧板，其金相组织为如图1所示，为均匀分布的等轴奥氏体晶粒，并且带有少量孪晶。
性能检测结果为：室温屈服强度675MPa，抗拉强度1031MPa，断后伸长率43.3％。相对磁导率1.003。
实施例2
1000MPa级无磁不锈钢热轧板的制备方法，按顺序包括以下步骤：
(1)按设定的化学成分，其中C:0.1％，Si:0.27％，Mn:5.6％，Mo:0.53％，Cr:19.8％，Ni:14.1％，Nb:1.1％，V:0.38％，N:0.40％，P≤0.042％，S≤0.03％，余量为Fe，冶炼钢水并铸成铸锭；
(2)将铸锭加热至1150℃，保温1h，通过自由锻，获得厚度为40mm的中间坯；
(3)对中间坯进行6道次轧制，开轧温度为1150℃，终轧温度为960℃，每道次压下量控制在10～30％，获得厚度为5.4mm的钢板；
(4)对轧制后的钢板进行固溶处理，固溶温度为1130℃，时间1h；
(5)对固溶处理后的热轧钢板进行时效处理，时效温度为750℃，时效时间为2h。
1000MPa级无磁不锈钢热轧板，其金相组织为如图2所示，为均匀分布的等轴奥氏体晶粒，并且带有少量孪晶。
性能检测结果为：室温屈服强度669MPa，抗拉强度1027MPa，断后伸长率42％，相对磁导率1.002。
实施例3
1000MPa级无磁不锈钢热轧板的制备方法，按顺序包括以下步骤：
(1)按设定的化学成分，其中C:0.14％，Si:0.27％，Mn:5.6％，Mo:0.47％，Cr:20.4％，Ni:14.6％，Nb:1.2％，V:0.45％，N:0.45％，P≤0.039％，S≤0.027％，余量为Fe，冶炼钢水并铸成铸锭；
(2)将铸锭加热至1150℃，保温1h，通过自由锻，获得厚度为35mm的中间坯；
(3)对中间坯进行7道次轧制，开轧温度为1120℃，终轧温度为934℃，每道次压下量控制在10～30％，获得厚度为5.1mm的钢板；
(4)对轧制后的钢板进行固溶处理，固溶温度为1150℃，时间1.2h；
(5)对固溶处理后的热轧钢板进行时效处理，时效温度为660℃，时效时间为3h。
1000MPa级无磁不锈钢热轧板，其金相组织为如图3所示，为均匀分布的等轴奥氏体晶粒，并且带有少量孪晶。
性能检测结果为：室温屈服强度680MPa，抗拉强度1045MPa，断后伸长率44.5％，相对磁导率1.002。

Claims (5)

1.一种1000MPa级无磁不锈钢热轧板，其特征在于：无磁不锈钢的化学成分按重量百分比组成为C:0.05～0.20％，Si:0.1～0.3％，Mn:4～7％，Mo:0.4～0.6％，Cr:19～21％，Ni:13～15％，Nb:0.6～1.5％，V:0.3～0.5％，N:0.2～0.5％，P≤0.04％，S≤0.03％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述1000MPa级无磁不锈钢热轧板，其特征在于：无磁不锈钢的金相组织为均匀分布的奥氏体，并且带有少量孪晶，室温屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥1000MPa，断后伸长率≥35％，相对磁导率≤1.005。
3.如权利要求1或2所述1000MPa级无磁不锈钢热轧板的制备方法，其特征在于按顺序包括以下步骤：
(1)按重量百分比取下属化学成分原料：C:0.05～0.20％，Si:0.1～0.3％，Mn:4～7％，Mo:0.4～0.6％，Cr:19～21％，Ni:13～15％，Nb:0.6～1.5％，V:0.3～0.5％，N:0.2～0.5％，P≤0.04％，S≤0.03％，余量为Fe，将上述原料冶炼钢水并铸成铸锭；
(2)将铸锭加热至1100～1200℃，保温1～2h，通过自由锻，获得中间坯；
(3)对中间坯进行5～7道次轧制，开轧温度为1100～1200℃，终轧温度为900～1000℃，获得钢板；
(4)对轧制后的钢板进行固溶处理，固溶温度为1050～1200℃，时间0.5～1.5h；
(5)对固溶处理后的热轧钢板进行时效处理，时效温度为650～800℃，时效时间为1～4h。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，每道次压下量控制在10～30％。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，中间坯的厚度为30～60mm；步骤(3)中，钢板的厚度为4～6mm。
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