CN108374119B - 一种抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板及制造方法，抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板的化学成分按重量百分比组成为C:0.05～0.09％，Si:0.1～0.3％，Mn:1.5～3.5％，Mo:1.5～2.5％，Cr:13～18％，Ni:20～26％，Nb:0.4～0.9％，Ti：2.2～2.9％，Al：0.6～1.5％，P≤0.05％，S≤0.05％，余量为Fe及不可避免微量元素；制造方法为：按照设定的化学成分冶炼钢水并铸成铸锭；将铸锭加热，通过自由锻造，获得中间坯；对中间坯进行轧制，获得钢板；对钢板进行固溶处理；对固溶处理后的热轧钢板进行时效处理。本发明的抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板能够在时效过程中析出弥散的纳米级金属间化合物，在保证磁导率的同时大大提高了强度。
Description
技术领域
本发明属于冶金材料技术领域，涉及无磁不锈钢轧板的制造方法，具体是一种抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板及制造方法。
背景技术
无磁不锈钢广泛应用于大型核聚变装置，超导发电、输电和储能设备的结构材料，磁悬浮列车的导向机构，大型飞机防护掩体，石油钻铤、无磁模具和轴承，扫雷艇的船体和无磁发动机、隐蔽潜艇的结构材料等。无磁不锈钢强度较低(抗拉强度700-750MPa，屈服强度200-400MPa)，随着技术的发展，对无磁不锈钢的强度要求日益提高，研制高强度的无磁不锈钢显得尤为重要。
发明内容
针对无磁不锈钢强度较低的问题，本发明提供一种抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板及制造方法。钢的强化机制包括固溶强化、细晶强化、第二相强化、形变强化等。本发明主要利用第二相强化机制，通过合理的成分设计，使无磁不锈钢中形成纳米级金属间化合物，能够显著提高了钢的强度，同时该强化相对钢板的磁性能不会造成影响。应用该方法制造得到了抗拉强度达1100MPa的无磁不锈钢板，本发明采用的技术手段如下：
一种抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板，抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板的化学成分按重量百分比组成为C:0.05～0.09％，Si:0.1～0.3％，Mn:1.5～3.5％，Mo:1.5～2.5％，Cr:13～18％，Ni:20～26％，Nb:0.4～0.9％，Ti：2.2～2.9％，Al：0.6～1.5％，P≤0.05％，S≤0.05％，余量为Fe及不可避免微量元素。
抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板的金相组织为奥氏体，晶内与晶界上有大量弥散分布且细小的析出相，室温屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥1100MPa，断后伸长率≥30％，相对磁导率≤1.005。
一种抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板的制造方法，具有如下步骤：
S1：按重量百分比取下述化学成分原料：C：0.05～0.09％，Si：0.1～0.3％，Mn：1.5～3.5％，Mo：1.5～2.5％，C：13～18％，Ni：20～26％，Nb：0.4～0.9％，Ti：2.2～2.9％，Al：0.6～1.5％，P≤0.05％，S≤0.05％，余量为Fe及不可避免微量元素，将上述原料冶炼钢水并铸成铸锭；
S2：将所述铸锭加热至1100～1200℃，保温1～2h，通过锻造，获得中间坯；
S3：对所述中间坯进行5～7道次轧制，开轧温度为1100～1200℃，终轧温度为900～1000℃，获得钢板；
S4：对所述钢板进行固溶处理，固溶温度为1050～1200℃，时间0.5～2h；
S5：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8～25h。
进一步地，在所述步骤S3中，每道次压下量控制在10～30％。
进一步地，在所述步骤S2中，所述中间坯的厚度为30～60mm；在所述步骤S3中，所述钢板的厚度为2.8～3.5mm。
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，过量C形成的NbC和TiC因颗粒过大而失去强化效应，且容易降低耐腐蚀性，故采用低碳原则，控制在0.1％以下。
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，还可起到脱氧并固定S的作用，且抑制硬脆相σ相的形成，改善钢的热塑性，如果Mn过高在高Cr-Ni系钢中会产生热脆性，同时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，经计算其含量控制在1.5～3.5％；
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1.5～2.5％；
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。但是过高不能保证全奥氏体组织，并且会导致硬脆相σ相生成，所以其含量控制在12～18％；
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，稳定奥氏体，至少在20％以上，过高则不经济，所以限制在20～26％；
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。Nb是生成金属间化合物必要元素，含量过高容易导致热加工性下降，所以Nb控制在0.4～0.9％；
Ti固定钢中杂质，减少偏聚，防止晶间腐蚀，也是生成金属间化合物必要元素，其冶炼过程中容易烧损，所以含量控制在2.2～2.9％；
Al改善钢的析出强化，提高硬度，也是生成金属间化合物的必要元素，当Nb，Ti，Al三个元素之和不足以3.5％时，得不到预期强度目标值，但超过6％时又会导致预期目标值下降，且热加工性下降；因此含量控制在0.6～1.5％；
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℃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0.05％，S含量不超过0.05％。
抗拉强度1100MPa无磁不锈钢板制备的依据：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Ni，Al，Ti等合金元素，能够在时效过程中析出弥散的纳米级金属间化合物，在保证磁导率的同时大大提高了强度。
基于上述理由本发明可在无磁不锈钢领域广泛推广。
附图说明
图1为本发明实施例1的抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板的金相组织图；
图2为本发明实施例2的抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板的金相组织图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对本发明实施例的热轧带钢的金相组织观察采用的是FEI扫描电子显微镜；
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
抗拉强度1100MPa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:0.083％，Si:0.3％，Mn:2.13％，Mo:1.81％，Cr:14.42％，Ni:20.88％，Nb:0.51％，Ti：2.45％，Al：1.12％，P≤0.04％，S≤0.03％，余量为Fe及不可避免的微量元素，冶炼钢水并铸成铸锭；
(2)将铸锭加热至1150℃，保温1h，通过自由锻造，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1160℃，终轧温度为976℃，每道次压下量控制在10～30％，获得厚度为3.2mm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1h；
(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10h。
抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板，其金相组织为如图1所示，为等轴奥氏体晶粒，晶内与晶界上有大量弥散分布且细小的析出相。
性能检测结果为：室温屈服强度846MPa，抗拉强度1104MPa，断后伸长率34.3％。相对磁导率1.003。通过上述性能检测的结果可以明显发现本发明提供的抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板具有良好的室温屈服强度、抗拉强度、断后伸长率并且具有较低的相对磁导率。
实施例2
抗拉强度1100MPa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:0.075％，Si:0.27％，Mn:2.5％，Mo:1.92％，Cr:15.4％，Ni:21.6％，Nb:0.64％，Ti：2.23％，Al：1.2％，P≤0.039％，S≤0.037％，余量为Fe，冶炼钢水并铸成铸锭；
(2)将铸锭加热至1200℃，保温1h，通过自由锻造，获得厚度为45mm的中间坯；
(3)对中间坯进行7道次轧制，开轧温度为1180℃，终轧温度为934℃，每道次压下量控制在10～30％，获得厚度为3.0mm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750℃，时效时间为20h。
抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板，其金相组织为如图2所示，为等轴奥氏体晶粒，晶内与晶界上有大量弥散分布且细小的析出相。
性能检测结果为：室温屈服强度925MPa，抗拉强度1125MPa，断后伸长率31％，相对磁导率1.0042。通过上述性能检测的结果可以明显发现本发明提供的抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板具有良好的室温屈服强度、抗拉强度、断后伸长率并且具有较低的相对磁导率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板，其特征在于：抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板的化学成分按重量百分比组成为C:0.05～0.09％，Si:0.1～0.3％，Mn:1.5～3.5％，Mo:1.5～2.5％，Cr：14.42～15.4％，Ni:20～26％，Nb:0.4～0.9％，Ti：2.2～2.9％，Al：0.6～1.5％，P≤0.05％，S≤0.05％，余量为Fe及不可避免微量元素；
抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板的金相组织为奥氏体，晶内与晶界上有弥散分布且细小的析出相，室温屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥1100MPa，断后伸长率≥30％，相对磁导率≤1.005。
2.如权利要求1所述的一种抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板的制造方法，其特征在于，具有如下步骤：
S1：按重量百分比取下述化学成分原料：C：0.05～0.09％，Si：0.1～0.3％，Mn：1.5～3.5％，Mo：1.5～2.5％，Cr：14.42～15.4％，Ni：20～26％，Nb：0.4～0.9％，Ti：2.2～2.9％，Al：0.6～1.5％，P≤0.05％，S≤0.05％，余量为Fe及不可避免微量元素，将上述原料冶炼钢水并铸成铸锭；
S2：将所述铸锭加热至1100～1200℃，保温1～2h，通过自由锻造，获得中间坯；
S3：对所述中间坯进行5～7道次轧制，开轧温度为1100～1200℃，终轧温度为900～1000℃，获得钢板；
S4：对所述钢板进行固溶处理，固溶温度为1050～1200℃，时间0.5～2h；
S5：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8～25h。
3.根据权利要求2所述的一种抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板的制造方法，其特征在于：在所述步骤S3中，每道次压下量控制在10～30％。
4.根据权利要求3所述的一种抗拉强度1100MPa无磁不锈钢热轧板的制造方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述中间坯的厚度为30～60mm；在所述步骤S3中，所述钢板的厚度为2.8～3.5mm。
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