CN109234631A - 一种耐低温不锈钢及其制备方法 - Google Patents

一种耐低温不锈钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于冶金材料领域，尤其涉及一种耐低温不锈钢及其制备方法。所述耐低温不锈钢按重量百分比计，包括C 0.08‑0.15％、Si 0.3‑1.0％、Mn 0.4‑1.0％、P≤0.040％、S≤0.025％、Cr 11.50‑13.50％、Ni 0.61‑0.65％、Nb 0.01‑0.04％及余量的Fe与不可避免的杂质。所述耐低温不锈钢的制备方法包括：(1)冶炼钢水并浇筑成钢锭；(2)将所述钢锭加热至1180‑1250℃，保温4‑5h；(3)锻造，锻造每道次变形量控制在10‑20％，并且成形终锻温度在850℃以上；(4)将所述钢锭转移至退火炉，按100‑150℃/h的升温速度升温至850℃，保温6‑8h后，按30‑60℃/h的降温速度降温至500℃出炉，出炉后冷却至室温。本发明的耐低温不锈钢在特殊低温环境下的强度和韧性均满足耐低温冲击阀体对钢材料的要求。

Description

一种耐低温不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金材料领域，尤其涉及一种耐低温不锈钢及其制备方法。
背景技术
在全世界范围内，油田所处的地理位置分布广泛。当油田处于特殊环境时，为了满足生产需要，应采用特殊的不锈钢材料制作石油开采装备的阀体备件。当油田处于寒冷地区时，制作阀体配件的不锈钢材料应具有较好的耐低温韧性，具体指标为：在-46℃温度下V型冲击功不低于27J，抗拉强度不低于655MP，屈服强度不低于517MP。
美标410不锈钢材料与中国国标的12Cr13相对应，但是，12Cr13的力学性能远低于阀体材料的要求，尤其是-46℃温度下V型冲击功仅为10J左右，不能满足石油开采行业要求。
为此需要开发一种新材料，以满足石油开采行业在特殊低温环境下的使用需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种耐低温不锈钢及其制备方法。
一方面，本发明提供了一种耐低温不锈钢，按重量百分比计，包括C 0.08-0.15％、0.3≤Si≤1.0％、0.4≤Mn≤1.0％、P≤0.040％、S≤0.025％、Cr 11.50-13.50％、Ni 0.61-0.65％、Nb 0.01-0.04％及余量的Fe与不可避免的杂质。
上述的一种耐低温不锈钢，按重量百分比计，包括C 0.10-0.15％、0.3≤Si≤0.65％、0.4≤Mn≤0.7％、P≤0.025％、S≤0.025％、Cr 11.50-13.50％、Ni 0.61-0.65％、Nb 0.01-0.04％及余量的Fe与不可避免的杂质。
另一方面，本发明提供了一种耐低温不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼钢水并浇筑成钢锭；
(2)将所述钢锭加热至1180-1250℃，保温4-5h；
(3)锻造，锻造每道次变形量控制在10-20％，并且成形终锻温度在850℃以上；
(4)将所述钢锭转移至退火炉，按100-150℃/h的升温速度升温至850℃，保温6-8h后，按30-60℃/h的降温速度降温至500℃出炉，出炉后冷却至室温。
上述的耐低温不锈钢的制备方法，步骤(1)中，按重量百分比计，所述钢锭包括C0.08-0.15％、0.3≤Si≤1.0％、0.4≤Mn≤1.0％、P≤0.040％、S≤0.025％、Cr 11.50-13.50％、Ni 0.61-0.65％、Nb 0.01-0.04％及余量的Fe与不可避免的杂质。
上述的耐低温不锈钢的制备方法，步骤(1)中，按重量百分比计，所述钢锭包括C0.10-0.15％、0.3≤Si≤0.65％、0.4≤Mn≤0.7％、P≤0.025％、S≤0.025％、Cr 11.50-13.50％、Ni 0.61-0.65％、Nb 0.01-0.04％及余量的Fe与不可避免的杂质。
上述的耐低温不锈钢的制备方法，步骤(1)中，采用K-OBM-S复吹转炉和LF精炼炉冶炼钢水。
上述的耐低温不锈钢的制备方法，所述冶炼钢水为：以12Cr13为基础材料，在脱碳期加入高铬、高锰合金及镍板，送电时加入铌铁。
上述的耐低温不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述锻造在1800吨径锻机上进行。
采用本发明的技术方案，具有如下有益效果：
本发明的耐低温不锈钢在-46℃温度下，V型冲击功可达到27J以上，屈服强度达到530Mp以上，抗拉强度大于720Mp，其强度和韧性均满足耐低温冲击阀体对钢材料的要求，能够在特殊低温环境条件下使用。
具体实施方式
为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。
12Cr13不锈钢按质量百分比计包括：C 0.08-0.15％、Si≤1.0％、Mn≤1.0％P≤0.040％、S≤0.020％、Cr 11.50-13.50％、Ni≤0.60％，其余为Fe与不可避免的杂质。其中，12Cr13不锈钢在-46℃温度下V型冲击功仅为10J左右，不能满足石油开采行业要求。发明人选用12Cr13不锈钢为基础材料，炼钢时在钢液中添加一定含量的Ni、Nb元素，以改善材料的力学性能，达到在特殊环境温度下，各项力学性能满足石油行业阀体用材料。
具体的，一方面，本发明提供了一种耐低温冲击阀体用不锈钢，按重量百分比计，包括C 0.08-0.15％、0.3≤Si≤1.0％、0.4≤Mn≤1.0％、P≤0.040％、S≤0.025％、Cr11.50-13.50％、Ni 0.61-0.65％、Nb 0.01-0.04％及余量的Fe与不可避免的杂质；优选的，按重量百分比计，按重量百分比计，包括C 0.10-0.15％、0.3≤Si≤0.65％、0.4≤Mn≤0.7％、P≤0.025％、S≤0.025％、Cr 11.50-13.50％、Ni 0.61-0.65％、Nb 0.01-0.04％及余量的Fe与不可避免的杂质。
下面将本发明的主要化学成分的作用作详细叙述：
碳是重要的奥氏体化元素，可降低奥氏体不锈钢中的铁素体含量；同时，碳还可显著提高奥氏体不锈钢的高温力学性能，但含量过多会严重影响材料的耐蚀性和焊接性，因此碳含量应控制在0.08-0.15(wt)％之间，优选为0.10-0.15(wt)％。
硅与碳类似，可提高奥氏体不锈钢的高温力学性能，但作为铁素体形成元素，其含量不易过多，因此硅含量应控制在0.30-1.0(wt)％之间，优选为0.30-0.65(wt)％。
锰是一种奥氏体化元素，可显著提高氮元素在奥氏体不锈钢中的溶解度，但含量过多容易导致夹杂物增多，因此锰含量应控制在0.4-1.0(wt)％之间，优选为0.4-0.7(wt)％。
磷、硫是不锈钢中的有害元素，含量越低越好。
铬是奥氏体不锈钢中主要的抗腐蚀性元素，与锰类似，固溶于钢中的铬可显著提高氮含量。但由于铬元素是主要的铁素体形成元素，含量过多会导致铁素体含量增加，因此铬含量应控制在11.5-13.5(wt)％之间。
镍是强烈的稳定奥氏体并且扩大奥氏体相区的元素，可有效提高钢的强度和韧性，但镍含量过多会降低碳在奥氏体不锈钢中的溶解度，增强碳化物析出倾向，因此镍含量应控制在0.61-0.65％之间。
铌是重要的弥散强化和固溶强化元素，可显著提升奥氏体不锈钢的力学性能，可在不影响钢的塑性或韧性的情况下提高钢的强度；铌通过与碳、氮结合生成碳氮化铌，可有效改善奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀性能，铌含量应控制在0.01-0.04(wt)％之间。
发明人在12Cr13的基础上将Ni元素含量调整为0.61-0.65％，Nb元素的含量调整为0.01-0.04％，并与不锈钢中其它成分共同发挥协同作用，使本发明的不锈钢具有优异的性能，即：-46℃温度下V型冲击功可达到27J以上，屈服强度达到了530Mp以上。
另一方面，本发明提供了一种耐低温不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼钢水并浇筑成钢锭；
在一些实施方式中，采用K-OBM-S复吹转炉和LF精炼炉冶炼钢水。
其中，按重量百分比计，所述钢锭包括C 0.08-0.15％、0.3≤Si≤1.0％、0.4≤Mn≤1.0％、P≤0.040％、S≤0.025％、Cr 11.50-13.50％、Ni 0.61-0.65％、Nb 0.01-0.04％及余量的Fe与不可避免的杂质；优选的，按重量百分比计，包括C 0.10-0.15％、0.3≤Si≤0.65％、0.4≤Mn≤0.7％、P≤0.025％、S≤0.025％、Cr 11.50-13.50％、Ni 0.61-0.65％、Nb 0.01-0.04％及余量的Fe与不可避免的杂质。
在一些实施方式中，采用铬钢为基础材料，通过冶炼过程中监测到的钢水各成分含量，适当地添加其他种金属，直至使浇注出的钢锭满足以上各成分含量的要求。
在一些优选的实施方式中，以12Cr13为基础材料，在脱碳期加入高铬、高锰合金及镍板，送电时加入铌铁。
本发明的耐低温不锈钢的成分与12Cr13不锈钢的成分相近，通过以12Cr13为基础材料，可以节省冶炼成本，而且可以使制备的耐低温不锈钢的质量稳定。
(2)将所述钢锭加热至1180-1250℃，保温4-5h；
通过将钢锭加热到1180-1250℃并保温4-5h，可以保证不锈钢的塑性变形性能达到最优，满足锻造过程中对不锈钢的锻造要求。
(3)锻造，锻造每道次变形量控制在10-20％，并且成形终锻温度在850℃以上；
其中，所述锻造在1800吨径锻机上进行。
其中，将每道次变形量控制在10-20％，使钢锭中铸态组织得到充分破碎，可以有效提高不锈钢的性能。
其中，将成形终锻温度控制在850℃以上，可以保证塑性变形在较理想的温度范围内完成。
(4)将所述钢锭转移至退火炉，按100-150℃/h的升温速度升温至850℃，保温6-8h后，按30-60℃/h的降温速度降温至500℃出炉，出炉后冷却至室温。
其中，通过将钢锭转移至退火炉，按100-150℃/h的升温速度升温至850℃，保温6-8h后，按30-60℃/h的降温速度降温至500℃出炉，出炉后冷却至室温，可以使锻材组织在室温下更加稳定，并且使锻材更易锯切加工。
实施例
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件。下列实施例中使用的原料均为常规市购获得。
实施例1
采用90吨K-OBM-S复吹转炉和90吨LF精炼炉上进行冶炼，基础材料为80t的12Cr13不锈钢：
1.K-OBM-S复吹转炉：脱碳1期和2期，加入高铬、高锰合金，脱碳3期，加入0.476t镍板(Ni含量99.9％)，还原8分钟后出钢，出钢后，钢液重量83t，钢液温度1603℃，钢包空间1250mm，钢液带渣渣厚150mm，钢液化学成分的质量百分比为：C 0.13％、Si 0.40％、Mn0.52％、P 0.019％、S 0.015％、Cr 12.65％、Ni 0.65％、N 0.0183％、其余为Fe与不可避免的杂质。
2.LF精炼炉：送电时将0.043t铌铁(Nb含量60％)，加入钢包内；加石灰0.15t，萤石0.1t调渣；出站模注温度1585℃，出站钢液化学成分的质量百分比：C 0.132％、Si 0.39％、Mn 0.52％、P 0.019％、S 0.003％、Cr 12.63％、Ni 0.65％、Nb 0.03％、其余为Fe与不可避免的杂质。
3.出钢，通过下注浇注的方式，将该炉钢液浇注成8.4吨钢锭。经检测，钢锭中各成分含量为：C 0.132％、Si 0.39％、Mn 0.52％、P 0.019％、S 0.003％、Cr 12.63％、Ni0.65％、Nb 0.03％、其余为Fe与不可避免的杂质。
4.将炼钢所述钢锭在加热炉内加热至1180-1250℃，保温4-5h。
5.将加热后的钢锭在1800吨径锻机上进行锻造，锻造每道次变形量控制在10-20％，并且成形终锻温度在850℃以上，经锻造钢锭成为150mm*150mm的方扁钢。
6.将锻造后的方扁钢转移至退火炉内，按100-150℃/h的升温速度升温至850℃，保温6-8h后，按30-60℃/h的降温速度降温至500℃出炉，出炉后冷却至室温。
实施例2-8
采用与实施例1相同的设备及方法步骤制备本发明实施例2-8的耐低温不锈钢，唯一不同的是各实施例的钢锭中各成分的含量不同，具体见表1。
对比例1-2
采用与实施例1相同的设备及方法步骤制备对比例1-2的不锈钢，不同的是对比例1-2制备的钢锭中各成分含量与12Cr13不锈钢的不同。详见表1。
表1实施例2-8与对比例1制备的钢锭中各成分含量汇总
理化性能测试
在-46℃温度下，按照GB/T229《金属夏比缺口冲击试验方法》标准对实施例1-8及对比例1制备的不锈钢进行冲击功检验，按照GB/T228《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学性能检验，检验结果见表2。
表2实施例1-8与对比例1制备的不锈钢的性能检验结果汇总
实施例 V型冲击功(J) 屈服强度(Mp) 抗拉强度(Mp)
1 62 551 720
2 66 553 730
3 67 552 726
4 62 560 724
5 63 557 730
6 67 556 729
7 69 555 724
8 65 557 720
对比例1 18 490 680
对比例2 20 497 677
通过表2的性能检验结果可以看出：本发明的耐低温不锈钢的V型冲击功在62J以上，屈服强度大于551Mp，抗拉强度大于720Mp，各项力学性能满足石油行业用阀体材料的使用要求。
而对比例1-2冶炼的12Cr13不锈钢的V型冲击功、屈服强度及抗拉强度不能满足在特殊低温环境下石油开采行业对不锈钢材料的使用需求。
本发明在上文中已以优选实施例公开，但是本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描绘本发明，而不应理解为限制本发明的范围。应注意的是，凡是与这些实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的权利要求范围内。因此，本发明的保护范围应当以权利要求书中所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种耐低温不锈钢，其特征在于，按重量百分比计，包括C 0.08-0.15％、Si 0.3-1.0％、Mn 0.4-1.0％、P≤0.040％、S≤0.025％、Cr 11.50-13.50％、Ni 0.61-0.65％、Nb0.01-0.04％及余量的Fe与不可避免的杂质。
2.根据权利要求2所述的一种耐低温不锈钢，其特征在于，按重量百分比计，包括C0.10-0.15％、Si 0.3-0.65％、Mn 0.4-0.7％、P≤0.025％、S≤0.025％、Cr 11.50-13.50％、Ni 0.61-0.65％、Nb 0.01-0.04％及余量的Fe与不可避免的杂质。
3.权利要求1-2任一项所述的耐低温不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)冶炼钢水并浇筑成钢锭；
(2)将所述钢锭加热至1180-1250℃，保温4-5h；
(3)锻造，锻造每道次变形量控制在10-20％，并且成形终锻温度在850℃以上；
(4)将所述钢锭转移至退火炉，按100-150℃/h的升温速度升温至850℃，保温6-8h后，按30-60℃/h的降温速度降温至500℃出炉，出炉后冷却至室温。
4.根据权利要求3所述的耐低温不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，按重量百分比计，所述钢锭包括C 0.08-0.15％、Si 0.3-1.0％、Mn 0.4-1.0％、P≤0.040％、S≤0.025％、Cr 11.50-13.50％、Ni 0.61-0.65％、Nb 0.01-0.04％及余量的Fe与不可避免的杂质。
5.根据权利要求4所述的耐低温不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，按重量百分比计，所述钢锭包括C 0.10-0.15％、Si 0.3-0.65％、Mn 0.4-0.7％、P≤0.025％、S≤0.025％、Cr 11.50-13.50％、Ni 0.61-0.65％、Nb 0.01-0.04％及余量的Fe与不可避免的杂质。
6.根据权利要求3所述的耐低温不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，采用K-OBM-S复吹转炉和LF精炼炉冶炼钢水。
7.根据权利要求6所述的耐低温不锈钢的制备方法，其特征在于，所述冶炼钢水为：以12Cr13为基础材料，在脱碳期加入高铬、高锰合金及镍板，送电时加入铌铁。
8.根据权利要求3所述的耐低温不锈钢的制备方法，其特征在于，其特征在于，步骤(3)中，所述锻造在1800吨径锻机上进行。
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