CN107904521A - 一种经济型双相不锈钢合金及其制备工艺 - Google Patents

一种经济型双相不锈钢合金及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种经济型双相不锈钢合金，属于钢铁合金材料技术领域，组成包括：C、Si、Mn、S、P、Ni、Cr、Mo、W、Cu、N、B、Fe和镧铈混合稀土；还公开了该双相不锈钢合金材料的制备工艺。本发明采用冶炼、铸造、铸锭或铸坯开坯、热轧、固溶处理工序制备而成，具有节镍、生产成本低、耐腐蚀性能好、强度高的优点，可用于制造纸浆和造纸用设备热交换器、染色设备、沿海区域建筑物外部用材料以及电磁阀领域用阀体和螺母等设备。

Description

一种经济型双相不锈钢合金及其制备工艺
技术领域
本发明涉及一种双相不锈钢合金材料及其制备工艺，特别是涉及一种经济型双相不锈钢合金及其制备工艺，属于钢铁合金材料技术领域。
背景技术
双相不锈钢是指在它的固溶体组织中铁素体相与奥氏体相大约各占一半的钢种，正是由于双相不锈钢具有两相组织的特征，所以，使其兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点，现已广泛用于造纸工业设备、食品加工设备、海上石油平台设备、海水淡化设备等特殊化工环境设备。
随着我国国民经济的快速发展，对不锈钢的需求也与日俱增，但我国是一个缺镍少钼、贫铬且不锈钢废钢资源匮乏的国家，随着国内不锈钢消费需求的迅速增长，铬、镍和钼等原料的供给已成为突出问题，这将严重限制我国不锈钢产业的发展，一些不锈钢生产企业为了减少原料的价格波动对市场的影响，转而开发低镍低钼或者无镍的价格便宜的经济节约型双相不锈钢，即在成分设计时以氮和锰代镍，降低镍含量；以硅等代铬，降低铬含量等，达到降低生产成本而又不损失双相不锈钢优良性能的目的。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种经济型双相不锈钢合金及其制备工艺，为了降低生产成本，节约铬、镍等宝贵资源，具有成本低、性能优良的特点。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种经济型双相不锈钢合金，包括如下质量百分比的组成成分：
C≤0.03％；
Si：4.50～6.00％；
Mn：4.00～8.00％；
S≤0.005％；
P≤0.03％；
Ni：1.0～3.5％；
Cr：13.0～17.5％；
Mo：1.0～3.0％；
W：0.2～1.0％；
Cu：0.2～1.0％；
N：0.3～0.45％；
B：0.01～0.02％；
混合稀土：0.01～0.1％；
Fe余量。
进一步的，所述混合稀土为镧铈混合稀土。
进一步的，所述镧铈混合稀土中，La≤41％，Ce≤50％。
进一步的，所述镧铈混合稀土中还La和Ce的含量总和≥99.5％。
进一步的，所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种。
一种经济型双相不锈钢合金的制备工艺，包括如下步骤：冶炼、铸造、铸锭或铸坯开坯、热轧和固溶处理。
进一步的，具体包括如下步骤：
步骤1：冶炼
采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉加炉外精炼、转炉加炉外精炼中任一种工艺冶炼；
步骤2：铸锭或铸锭开坯
铸锭或铸坯采用锻造开坯或连铸连轧；
步骤3：热轧
铸锭或铸锭开坯后对钢材进行热轧，热轧时坯料加热温度1100-1300℃，开轧温度控制在1100-1300℃，终轧温度控制在950-1100℃；
步骤4：固溶处理
钢材锻造或热轧后在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为1050-1150℃，保温30-60min后冷却。
进一步的，所述步骤1中，在冶炼中，在冶炼出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1500-1660℃。
进一步的，所述步骤2中，锻造开坯或连铸连轧的加热温度为1100-1300℃，开坯始锻温度为1100-1300℃，终锻温度为950-1100℃。
进一步的，所述步骤4中，冷却方式采用水冷或空冷。
本发明的有益技术效果：按照本发明的经济型双相不锈钢合金，本发明提供的经济型双相不锈钢合金，根据元素合金化原理，氮和锰可以代替镍在钢中的作用原理，用适量的廉价氮和锰可以代替镍，稳定双相不锈钢中的奥氏体，从而降低贵重镍的用量，同时氮也能提高耐腐蚀性；硅作为强烈的铁素体形成元素，可代替部分铬元素，来稳定铁素体，降低铬含量，同时增加双相不锈钢的抗氧化性。
本发明通过奥氏体形成元素(氮、锰、镍)和铁素体形成元素(铬、硅、钼)的添加，来保持奥氏体和铁素体两相的平衡。此外，本发明在适当调整Cr、Ni、Si、Mn、Mo、N等元素的同时，并添加了W、B和Cu元素，提高了双相不锈钢的强度和耐腐蚀性能。
另外，本发明的又一特点是加入La和Ce混合稀土元素，它们的化学性质活泼，原子量相当且性质相似，固溶在钢中后，能够占据钢表面的活性位置，提高富Cr钝化膜的稳定性，提高耐腐蚀性能；另外，固溶在钢中的稀土富集在晶界，能减少S、P等杂质元素在晶界的偏聚，强化晶界，提高晶界的强度和抗腐蚀能力。
本发明合金的热加工性能良好，具有良好的延展性和塑性。另外，该合金具有优良的力学性能和耐腐蚀性能，远高于316L奥氏体不锈钢，可以用作制浆造纸设备和电磁阀领域等方面用钢，而其成本只有316L的一半左右，可以大幅降低原料成本和减少材料用量，因此，如果以其取代316L和OCr18Ni12Mo2Ti等奥氏体不锈钢将导致工件寿命大幅度提高，这对可持续发展资源节约型社会具有重要的意义。
附图说明
图1为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的对比例2205双相不锈钢锻态金相组织照片图；
图2为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例2锻态金相组织照片图；
图3为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例3锻态金相组织照片图；
图4为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例4锻态金相组织照片图；
图5为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例的高温断面收缩率试验结果图；
图6为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例的在沸腾温度5％(wt.％)H2SO4水溶液中的均匀腐蚀性能；
图7为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例的室温力学性能对比图；
图8为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例的高温拉伸性能对比；
图9为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例的高温拉伸性能对比续图。
图中：δ-铁素体；γ-奥氏体。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本实施例1提供的一种经济型双相不锈钢合金，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.025％；
Si：4.65％；
Mn：4.55％；
S：0.004％；
P：0.019％；
Ni：1.56％；
Cr：13.42％；
Mo：1.40％；
W：0.35％；
Cu：0.28％；
N：0.31％；
B：0.010％；
混合稀土：0.015％；
Fe余量。
进一步的，在本实施例1中，所述混合稀土为镧铈混合稀土；所述镧铈混合稀土中，La≤41％，Ce≤50％；所述镧铈混合稀土中还La和Ce的含量总和≥99.5％；所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种。
本实施例1提供的一种经济型双相不锈钢合金的制备工艺，包括如下步骤：
步骤1：冶炼
采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉加炉外精炼、转炉加炉外精炼中任一种工艺冶炼，在冶炼中，在冶炼出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1500-1660℃；
步骤2：铸锭或铸锭开坯
铸锭或铸坯采用锻造开坯或连铸连轧，锻造开坯或连铸连轧的加热温度为1100-1300℃，开坯始锻温度为1100-1300℃，终锻温度为950-1100℃；
步骤3：热轧
铸锭或铸锭开坯后对钢材进行热轧，热轧时坯料加热温度1100-1300℃，开轧温度控制在1100-1300℃，终轧温度控制在950-1100℃；
步骤4：固溶处理
钢材锻造或热轧后在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为1050-1150℃，保温30-60min后冷却，冷却方式采用水冷或空冷。
实施例2：
本实施例2提供的一种经济型双相不锈钢合金，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.020％；
Si：4.83％；
Mn：5.26％；
S：0.005％；
P：0.018％；
Ni：1.84％；
Cr：14.71％；
Mo：1.85％；
W：0.46％；
Cu：0.52％；
N：0.35％；
B：0.012％；
混合稀土：0.027％；
Fe余量。
进一步的，在本实施例2中，所述混合稀土为镧铈混合稀土；所述镧铈混合稀土中，La≤41％，Ce≤50％；所述镧铈混合稀土中还La和Ce的含量总和≥99.5％；所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种。
本实施例2提供的一种经济型双相不锈钢合金的制备工艺，包括如下步骤：
步骤1：冶炼
采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉加炉外精炼、转炉加炉外精炼中任一种工艺冶炼，在冶炼中，在冶炼出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1500-1660℃；
步骤2：铸锭或铸锭开坯
铸锭或铸坯采用锻造开坯或连铸连轧，锻造开坯或连铸连轧的加热温度为1100-1300℃，开坯始锻温度为1100-1300℃，终锻温度为950-1100℃；
步骤3：热轧
铸锭或铸锭开坯后对钢材进行热轧，热轧时坯料加热温度1100-1300℃，开轧温度控制在1100-1300℃，终轧温度控制在950-1100℃；
步骤4：固溶处理
钢材锻造或热轧后在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为1050-1150℃，保温30-60min后冷却，冷却方式采用水冷或空冷。
实施例3：
本实施例3提供的一种经济型双相不锈钢合金，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.022％；
Si：5.78％；
Mn：5.82％；
S：0.005％；
P：0.015％；
Ni：2.85％；
Cr：16.93％；
Mo：2.26％；
W：0.92％；
Cu：0.75％；
N：0.39％；
B：0.016％；
混合稀土：0.033％；
Fe余量。
进一步的，在本实施例3中，所述混合稀土为镧铈混合稀土；所述镧铈混合稀土中，La≤41％，Ce≤50％；所述镧铈混合稀土中还La和Ce的含量总和≥99.5％；所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种。
本实施例3提供的一种经济型双相不锈钢合金的制备工艺，包括如下步骤：
步骤1：冶炼
采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉加炉外精炼、转炉加炉外精炼中任一种工艺冶炼，在冶炼中，在冶炼出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1500-1660℃；
步骤2：铸锭或铸锭开坯
铸锭或铸坯采用锻造开坯或连铸连轧，锻造开坯或连铸连轧的加热温度为1100-1300℃，开坯始锻温度为1100-1300℃，终锻温度为950-1100℃；
步骤3：热轧
铸锭或铸锭开坯后对钢材进行热轧，热轧时坯料加热温度1100-1300℃，开轧温度控制在1100-1300℃，终轧温度控制在950-1100℃；
步骤4：固溶处理
钢材锻造或热轧后在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为1050-1150℃，保温30-60min后冷却，冷却方式采用水冷或空冷。
实施例4：
本实施例4提供的一种经济型双相不锈钢合金，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.018％；
Si：5.46％；
Mn：6.63％；
S：0.004％；
P：0.016％；
Ni：2.46％；
Cr：15.65％；
Mo：2.73％；
W：0.75％；
Cu：0.63％；
N：0.41％；
B：0.015％；
混合稀土：0.044％；
Fe余量。
进一步的，在本实施例4中，所述混合稀土为镧铈混合稀土；所述镧铈混合稀土中，La≤41％，Ce≤50％；所述镧铈混合稀土中还La和Ce的含量总和≥99.5％；所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种。
本实施例4提供的一种经济型双相不锈钢合金的制备工艺，包括如下步骤：
步骤1：冶炼
采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉加炉外精炼、转炉加炉外精炼中任一种工艺冶炼，在冶炼中，在冶炼出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1500-1660℃；
步骤2：铸锭或铸锭开坯
铸锭或铸坯采用锻造开坯或连铸连轧，锻造开坯或连铸连轧的加热温度为1100-1300℃，开坯始锻温度为1100-1300℃，终锻温度为950-1100℃；
步骤3：热轧
铸锭或铸锭开坯后对钢材进行热轧，热轧时坯料加热温度1100-1300℃，开轧温度控制在1100-1300℃，终轧温度控制在950-1100℃；
步骤4：固溶处理
钢材锻造或热轧后在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为1050-1150℃，保温30-60min后冷却，冷却方式采用水冷或空冷。
实施例5：
本实施例5提供的一种经济型双相不锈钢合金，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.019％；
Si：5.52％；
Mn：7.35％；
S：0.005％；
P：0.017％；
Ni：3.32％；
Cr：16.74％；
Mo：2.55％；
W：0.53％；
Cu：0.56％；
N：0.44％；
B：0.018％；
混合稀土：0.049％；
Fe余量。
进一步的，在本实施例5中，所述混合稀土为镧铈混合稀土；所述镧铈混合稀土中，La≤41％，Ce≤50％；所述镧铈混合稀土中还La和Ce的含量总和≥99.5％；所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种。
本实施例5提供的一种经济型双相不锈钢合金的制备工艺，包括如下步骤：
步骤1：冶炼
采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉加炉外精炼、转炉加炉外精炼中任一种工艺冶炼，在冶炼中，在冶炼出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1500-1660℃；
步骤2：铸锭或铸锭开坯
铸锭或铸坯采用锻造开坯或连铸连轧，锻造开坯或连铸连轧的加热温度为1100-1300℃，开坯始锻温度为1100-1300℃，终锻温度为950-1100℃；
步骤3：热轧
铸锭或铸锭开坯后对钢材进行热轧，热轧时坯料加热温度1100-1300℃，开轧温度控制在1100-1300℃，终轧温度控制在950-1100℃；
步骤4：固溶处理
钢材锻造或热轧后在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为1050-1150℃，保温30-60min后冷却，冷却方式采用水冷或空冷。
对比例1：
对比例1提供的316L，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.034％；
S：0.015％；
P：0.007％；
Si：0.41％；
Mn：1.7％；
Ni：12.52％；
Cr：17.45％；
Mo：2.53％；
Fe余量。
对比例2：
对比例2提供的OCr18Ni12Mo2Ti，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.041％；
S：0.014％；
P：0.010％；
Si：0.63％；
Mn：1.65％；
Ni：12.54％；
Cr：18.68％；
Mo：2.38％；
Fe余量。
对比例3：
对比例3提供的2205双向不锈钢，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.025％；
S：0.006％；
P：0.020％；
Si：1.28％；
Mn：1.45％；
Ni：5.56％；
Cr：22.38％；
Mo：3.05％；
Cu：0.4％；
N：0.18％；
B：0.002％；
Fe余量。
在实施例1-5中，根据本发明所设定的化学成分范围，在真空感应炉中冶炼了5炉钢，其成分见表1。出钢浇铸前加入镧铈混合稀土，浇注成型后，经热锻后，再经一定固溶处理，得到最终的经济型高硅节镍含稀土双相不锈钢合金。本发明合金的力学性能试样、腐蚀试验试样、金相组织试样和工业性挂片均直接从锻坯上横向取样，经1080℃×40min水冷固溶处理后测试性能。为便于对比，还同时冶炼了2205双相不锈钢、316L和OCr18Ni12Mo2Ti奥氏体不锈钢。对比试验均在相同的冶炼、锻造、热处理和腐蚀试验等条件下进行。
在实施例1-5中，图1为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的对比例2205双相不锈钢锻态金相组织照片图；图2为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例2锻态金相组织照片图；图3为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例3锻态金相组织照片图；图4为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例4锻态金相组织照片图；图5为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例的高温断面收缩率试验结果图；图6为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例的在沸腾温度5％(wt.％)H2SO4水溶液中的均匀腐蚀性能；图7为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例的室温力学性能对比图；图8为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例的高温拉伸性能对比；图9为按照本发明的经济型双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例的高温拉伸性能对比续图。
综上所述，在本实施例中，根据元素合金化原理，氮和锰可以代替镍在钢中的作用原理，用适量的廉价氮和锰可以代替镍，稳定双相不锈钢中的奥氏体，从而降低贵重镍的用量，同时氮也能提高耐腐蚀性；硅作为强烈的铁素体形成元素，可代替部分铬元素，来稳定铁素体，降低铬含量，同时增加双相不锈钢的抗氧化性。
本发明通过奥氏体形成元素(氮、锰、镍)和铁素体形成元素(铬、硅、钼)的添加，来保持奥氏体和铁素体两相的平衡。此外，本发明在适当调整Cr、Ni、Si、Mn、Mo、N等元素的同时，并添加了W、B和Cu元素，提高了双相不锈钢的强度和耐腐蚀性能。
另外，本发明的又一特点是加入La和Ce混合稀土元素，它们的化学性质活泼，原子量相当且性质相似，固溶在钢中后，能够占据钢表面的活性位置，提高富Cr钝化膜的稳定性，提高耐腐蚀性能；另外，固溶在钢中的稀土富集在晶界，能减少S、P等杂质元素在晶界的偏聚，强化晶界，提高晶界的强度和抗腐蚀能力。
本发明合金的热加工性能良好，具有良好的延展性和塑性。另外，该合金具有优良的力学性能和耐腐蚀性能，远高于316L奥氏体不锈钢，可以用作制浆造纸设备和电磁阀领域等方面用钢，而其成本只有316L的一半左右，可以大幅降低原料成本和减少材料用量，因此，如果以其取代316L和OCr18Ni12Mo2Ti等奥氏体不锈钢将导致工件寿命大幅度提高，这对可持续发展资源节约型社会具有重要的意义。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种经济型双相不锈钢合金，其特征在于，包括如下质量百分比的组成成分：
C≤0.03％；
Si：4.50～6.00％；
Mn：4.00～8.00％；
S≤0.005％；
P≤0.03％；
Ni：1.0～3.5％；
Cr：13.0～17.5％；
Mo：1.0～3.0％；
W：0.2～1.0％；
Cu：0.2～1.0％；
N：0.3～0.45％；
B：0.01～0.02％；
混合稀土：0.01～0.1％；
Fe余量。
2.根据权利要求1所述的一种经济型双相不锈钢合金，其特征在于，所述混合稀土为镧铈混合稀土。
3.根据权利要求2所述的一种经济型双相不锈钢合金，其特征在于，所述镧铈混合稀土中，La≤41％，Ce≤50％。
4.根据权利要求3所述的一种经济型双相不锈钢合金，其特征在于，所述镧铈混合稀土中还La和Ce的含量总和≥99.5％。
5.根据权利要求4所述的一种经济型双相不锈钢合金，其特征在于，所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述的经济型双相不锈钢合金的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：冶炼、铸造、铸锭或铸坯开坯、热轧和固溶处理。
7.根据权利要求6所述的经济型双相不锈钢合金的制备工艺，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1：冶炼
采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉加炉外精炼、转炉加炉外精炼中任一种工艺冶炼；
步骤2：铸锭或铸锭开坯
铸锭或铸坯采用锻造开坯或连铸连轧；
步骤3：热轧
铸锭或铸锭开坯后对钢材进行热轧，热轧时坯料加热温度1100-1300℃，开轧温度控制在1100-1300℃，终轧温度控制在950-1100℃；
步骤4：固溶处理
钢材锻造或热轧后在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为1050-1150℃，保温30-60min后冷却。
8.根据权利要求7所述的一种经济型双相不锈钢合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤1中，在冶炼中，在冶炼出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1500-1660℃。
9.根据权利要求7所述的一种经济型双相不锈钢合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤2中，锻造开坯或连铸连轧的加热温度为1100-1300℃，开坯始锻温度为1100-1300℃，终锻温度为950-1100℃。
10.根据权利要求7所述的一种经济型双相不锈钢合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤4中，冷却方式采用水冷或空冷。
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