CN109609854A - 一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢 - Google Patents

一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢 Download PDF

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Abstract

本发明涉及不锈钢制造技术领域，具体涉及一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体‑马氏体不锈钢，其具有如下的质量百分比的组分：C：0.03‑0.1％；Si：0.3‑1.0％；Mn：6.0‑9.0％；Cr：13.0‑15.0％；Ni：0.5‑2.0％；Cu≤0.5％；P≤0.045％；S≤0.030％；N：0.05‑0.15％；Ti≤0.30％；Nb≤0.30％；V：0.05‑0.3％；Mo：0.1‑0.5％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。本发明的有益效果在于：本发明不锈钢包含马氏体和奥氏体的两相组织，与传统的高强度不锈钢相比，具有更低的合金成本，且强度和韧性综合性能优异。

Description

一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢
技术领域
本发明涉及不锈钢制造技术领域，具体涉及一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢。
背景技术
高强度不锈钢具有优异的耐腐蚀性、焊接性和强韧性的特点，可用作于综合性能较高的金属结构材料，如建筑、海洋工程、生物化工、航空和机械工业等领域。按照组织结构特征分为铁素体不锈钢(F)、奥氏体不锈钢(A)、马氏体不锈钢(M)、双相不锈钢(F+A)和沉淀硬化不锈钢(PH)。其中，双相不锈钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢的强度级别较高。
上述现有技术具有如下缺点。
(1)双相不锈钢合金成本高，制造难度大，热轧处于奥氏体和铁素体双相区间轧制，易产生大边裂，降低综合成材率。冷却过程中析出富铬的FeCrMo金属间化合物σ相，强烈降低材质塑、韧性，严重脆化且降低耐腐蚀性。双相不锈钢材质屈服强度难以达到700MPa以上的强度等级，限制了其更好的推广和应用。
(2)马氏体不锈钢具备较高的强度等级，但其冲击韧性较低，故其综合性能一般。专利CN107557697A公开一种索氏体不锈钢，抗拉强度不低于750Mpa，规定非比例延伸强度Rp0.2不低于500MPa，断后延伸率不低于14％；当该钢种屈服强度大于700MPa时，延伸率无法达到20％以上。
(3)高强度的沉淀硬化不锈钢需加入大量Cu、Co、Nb等昂贵合金元素，如表1所示。通过时效热处理，在基体上沉淀金属间化合物以及碳化物、氮化物等而强化。此类钢种合金成本高、热处理工艺复杂，导致其综合成本居高不下。
表1典型沉淀硬化不锈钢化学成分表
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术问题：提供一种经济性、高强度、高韧性和耐腐蚀性等综合性能优异的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：提供一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，具有如下的质量百分比的组分：C：0.03-0.1％；Si：0.3-1.0％；Mn：6.0-9.0％；Cr：13.0-15.0％；Ni：0.5-2.0％；0＜Cu≤0.5％；P≤0.045％；S≤0.030％；N：0.05-0.15％；B:≤0.0050％；Ca:≤0.0050％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
优选的，上述的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢具有如下的质量百分比的组分：C：0.066％；Si：0.41％；Mn：8.06％；Cr：13.8％；Ni：0.75％；Cu：0.05％；P：0.040％；S：0.0051％；N：0.098％，B：0.0015％；Ca：0.0015％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
本发明提供的另一技术方案为：一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，具有如下的质量百分比的组分：C：0.03-0.1％；Si：0.3-1.0％；Mn：6.0-9.0％；Cr：13.0-15.0％；Ni：0.5-2.0％；Cu≤0.5％；P≤0.045％；S≤0.030％；N：0.05-0.15％；Ti≤0.30％；Nb≤0.30％；V：0.05-0.3％；B:≤0.0050％；Ca:≤0.0050％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
优选的，上述的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢具有如下的质量百分比的组分：C：0.05％；Si：0.43％；Mn：7.2％；Cr：13.7％；Ni：0.97％；Cu：0.1％；P：0.033％；S：0.0021％；N：0.083％；Ti：0.1％；Nb：0.045％；V：0.15％，B：0.0015％；Ca：0.0015％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
本发明提供的另一技术方案为：一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，具有如下的质量百分比的组分：C：0.03-0.1％；Si：0.3-1.0％；Mn：6.0-9.0％；Cr：13.0-15.0％；Ni：0.5-2.0％；Cu≤0.5％；P≤0.045％；S≤0.030％；N：0.05-0.15％；Ti≤0.30％；Nb≤0.30％；V：0.05-0.3％；Mo：0.1-0.5％；B:≤0.0050％；Ca:≤0.0050％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
优选的，上述的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢具有如下的质量百分比的组分：C：0.075％；Si：0.35％；Mn：7.6％；Cr：13.5％；Ni：1.1％；Cu：0.2％；P：0.040％；S：0.0051％；N：0.065％；Ti：0.08％；Nb：0.085％；V：0.15％；Mo：0.11％；B：0.0015％；Ca：0.0015％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
本发明的有益效果在于：本发明的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，其组织为亚稳态奥氏体-马氏体双相组织。马氏体具备高的强度，但较低的韧性。奥氏体属于亚稳态，稳定性较差，随着冷变形量的增加，易产生形变诱变马氏体，有较好的强化过程，且具备较高的冲击韧性。通过两相复合强化，有效提高亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的强韧性。与传统的高强度不锈钢相比，本发明所得高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢具有更低的合金成本，热处理工艺简单，加工成本低，且具有强度和韧性综合性能优异的特点，可应用于一般工业机械、承重结构等强韧性要求较高的领域。并且该不锈钢的机械性能为：抗拉强度不低于1000MPa，屈服强度不低于700MPa，延伸率不低于20％，室温冲击韧性不低于80J/cm2。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中的实施例1的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的金相组织示意图；
图2为本发明具体实施方式中的实施例2的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的金相组织示意图；
图3为本发明具体实施方式中的实施例2的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的室温冲击断口形貌；
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式予以说明。
本发明最关键的构思在于：本发明的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，其组织为亚稳态奥氏体-马氏体双相组织，通过两相复合强化，有效提高亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的强韧性。
本发明提供700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢对化学元素管控范围要求的具体原因如下：
C为奥氏体形成元素，可有助于得到奥氏体组织，提高奥氏体稳定性，且有效提高马氏体硬度和强度，但过高容易在晶界形成Cr的碳化物，导致敏化现象出现，降低材质耐腐蚀性能，在此最适为0.03-0.1％。
本发明中限定Si：1.00％以下，Si是良好的脱氧剂，但如果Si超过1.0％会使韧性降低，且生产加工困难，本发明中优选为0.50％左右。
本发明中限定Mn：6.0-9.0％，在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，也是奥氏体形成元素，可添加Mn以减少Ni的投入，Mn对提高钢水中N的溶解度有较大帮助。
本发明中限定Cr：13.00-15.00％；为本发明不锈钢主要的添加元素，现有技术中一般在10.5％以上，因可生成Cr2O3钝化保护膜，有效提高材质的耐腐蚀性能。但Cr是铁素体形成元素，其含量过多，导致Cr当量过高，无法获得奥氏体+马氏体组织物相。
本发明中限定Ni：0.5-2.0％；奥氏体形成元素，有效提高奥氏体稳定性，保持良好的塑性和韧性。但由于镍是较稀缺的资源，本发明为提高材质的经济性，故应尽量采用其他合金元素代替。
本发明中限定N：0.05-0.15％；氮能提高钢的强度，增加奥氏体稳定性，但过高的N元素含量，增加高强度不锈钢的韧脆转变温度，不利于材质的低温冲击韧性。
本发明中限定P：0.045％以下，在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接和冷弯性能变差。
本发明中限定S：0.030％以下，硫在通常情况下为有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在轧制时成裂纹。硫对焊接性能、耐腐蚀性也不利。所本发明要求硫含量小于0.030％。
本发明中限定Cu：0.5％以下；Cu为提高耐腐蚀性的元素，特别是在降低缝隙腐蚀方面。Cu可以改善钢材的机械性能，提高韧塑性。Cu含量过高，则热加工性降低，且其合金成本高。本发明优选Cu的含量小于0.5％。
本发明高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢必须包含上述元素外，还可根据需求选择性添加如下元素：
Nb为微合金化元素，本发明高强度不锈钢可通过添加Nb元素微合金化，细化晶粒组织，增强细晶强化的作用，同时回火处理过程提高碳化物弥散析出，增强第二相强化。本发明可根据需求，优选Nb的含量为小于0.30％。
Ti为微合金化元素，本发明高强度不锈钢可通过添加Ti元素细化晶粒组织，增强细晶强化的作用。本发明可根据需求，优选Ti的含量为小于0.30％。
V为微合金化元素，本发明高强度不锈钢可通过添加V元素微合金化，细化晶粒组织，增强细晶强化的作用，同时回火处理过程提高碳化物弥散析出，增强第二相强化。但V为强烈促进铁素体生成元素，其含量过高，易导致材质出现铁素体相，降低热加工性能。本发明可根据需求，优选V的含量为0.05-0.3％。
B为微合金化元素，本发明高强度不锈钢可通过添加B元素来提高高温塑性，有利于热加工。本发明可根据需求，优选B的含量为小于等于0.0050％。
Ca为夹杂物改性元素，本发明高强度不锈钢可通过添加Ca元素来变性夹杂物，从而获得更好的横向冲击韧性。本发明可根据需求，优选Ca的含量为小于等于0.0050％。不锈钢的耐点腐蚀指数PREN＝Cr+30N+3.3Mo-Mn，Mo元素可有效提高耐点腐蚀当量；但Mo为促进铁素体生成元素，其含量过高，易导致材质出现铁素体相，降低热加工性能。本发明可根据需求，优选Mo的含量为0.1～0.5％。
本发明700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的制备方法可为如下方法：通过高炉、电炉、AOD冶炼，合金化处理，调整成分，对钢水进行脱碳、脱氧、脱硫，钢包LF精炼炉精炼，再经连铸和热轧，最后进行回火热处理得到。
具体而言，本发明700Mpa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的冶炼工艺如下：
(1)对上述组成化学成分通过高炉或电炉冶炼：在高炉或电炉中采用常规工艺冶炼钢水。
(2)合金化处理：通过添加中间合金的方式将冶炼得到的钢水进行合金化处理。
(3)AOD精炼：采用通入氮氧混合气体对钢水进行脱碳和精准控氮处理，即AOD脱碳处理及控氮处理。
(4)调整成分：将AOD脱碳和控氮处理得到的钢水进行吹氩处理，且调整合金成分，最后将调整后的钢水向钢包出钢。
(5)LF精炼：钢包精炼炉中进行精炼，进行成分微调及去气去杂质处理，精准控制合金元素在规定范围内，得到纯净度良好的钢水。
(6)CC连铸：采用常规工艺连铸为板坯或方坯或圆坯。
(7)热轧：采用常规工艺将板坯或方坯或圆坯轧制为板材或棒材或型材。
(8)热处理：对热轧的板材或棒材进行固溶热处理，将碳化物重新固溶至基体，避免敏化现象，且在300～600℃区间进行回火；或直接对板材或棒材或型材进行回火热处理，使残余奥氏体分解且弥散析出第二相强化。
实施例1
(1)一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，具有如下的质量百分比的组分：
C：0.05％；Si：0.43％；Mn：7.2％；Cr：13.7％；Ni：0.97％；Cu：0.1％；P：0.033％；S：0.0021％；N：0.083％；Ti：0.10％；Nb：0.05％；V：0.15％，B：0.0015％；Ca：0.0015％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
(2)上述700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的制备方法具体包括：选用高炉或电炉铁水，进行合金化处理，以满足对主导合金元素的要求。然后在AOD工序采用通入氮氧混合气体对钢水进行脱碳和精准控氮处理，再进行合金元素含量调整，以满足对合金元素含量的管控要求。通过LF炉精炼处理后，进行连铸成板坯或方坯或圆坯。后续，热轧成板材、棒材或型材。通过300～600℃区间进行回火处理，保温0.5～2h，得到700MPa级高强度亚稳态的奥氏体-马氏体不锈钢。
通过上述制造方法获得的高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的性能如下：抗拉强度为1220MPa，屈服强度为880MPa，延伸率为22.2％，室温冲击韧性为120J/cm2。金相组织示意图，请参阅图1。
实施例2
(1)一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，具有如下的质量百分比的组分：C：0.066％；Si：0.41％；Mn：8.06％；Cr：13.8％；Ni：0.75％；Cu：0.05％；P：0.040％；S：0.0051％；N：0.098％，B：0.0015％；Ca：0.0015％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
(2)制造方法如实施例1，获得的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的性能如下：抗拉强度为1284MPa，屈服强度为884MPa，延伸率为21.7％，冲击韧性为115J/cm2。金相组织和室温冲击断口示意图，请参阅图2、图3。
实施例3
(1)一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，具有如下的质量百分比的组分：C：0.064％；Si：0.51％；Mn：7.94％；Cr：13.32％；Ni：0.9％；Cu：0.1％；P：0.040％；S：0.0051％；N：0.098％，B：0.0015％；Ca：0.0015％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
(2)制造方法如实施例1，获得的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的性能如下：抗拉强度为1238MPa，屈服强度为815MPa，延伸率为25.1％，冲击韧性为132J/cm2。
实施例4
(1)一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，具有如下的质量百分比的组分：C：0.075％；Si：0.35％；Mn：7.6％；Cr：13.5％；Ni：1.1％；Cu：0.2％；P：0.040％；S：0.0051％；N：0.065％，Mo：0.11％，B：0.0015％；Ca：0.0015％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
(2)制造方法如实施例1，获得的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的性能如下：抗拉强度为1290MPa，屈服强度为780MPa，延伸率为23.1％，冲击韧性为118J/cm2。
实施例5
(1)一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，具有如下的质量百分比的组分：C：0.1％；Si：0.3％；Mn：6.0％；Cr：13.0％；Ni：0.5％；Cu：0.5％；P：0.045％；S：0.030％；N：0.05％；Ti：0.30％；Nb：0.30％；V：0.05％；B：0.0050％；Ca：0.0050％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
(2)制造方法如实施例1，获得的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的性能如下：抗拉强度为1285MPa，屈服强度为860MPa，延伸率为23.3％，冲击韧性为125J/cm2。
实施例6
(1)一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，具有如下的质量百分比的组分：C：0.03％；Si：1.0％；Mn 9.0％；Cr：15.0％；Ni：2.0％；Cu：0.5％；P：0.045％；S：0.030％；N：0.15％；Ti：0.30％；Nb：0.30％；V：0.3％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
(2)制造方法如实施例1，获得的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的性能如下：抗拉强度为1296MPa，屈服强度为880MPa，延伸率为23.7％，冲击韧性为129J/cm2。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，其特征在于，具有如下的质量百分比的组分：C：0.03-0.1％；Si：0.3-1.0％；Mn：6.0-9.0％；Cr：13.0-15.0％；Ni：0.5-2.0％；0＜Cu≤0.5％；P≤0.045％；S≤0.030％；N：0.05-0.15％；B:≤0.0050％；Ca:≤0.0050％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，其特征在于，具有如下的质量百分比的组分：C：0.066％；Si：0.41％；Mn：8.06％；Cr：13.8％；Ni：0.75％；Cu：0.05％；P：0.040％；S：0.0051％；N：0.098％；B：0.0015％；Ca：0.0015％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
3.一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，其特征在于，具有如下的质量百分比的组分：C：0.03-0.1％；Si：0.3-1.0％；Mn：6.0-9.0％；Cr：13.0-15.0％；Ni：0.5-2.0％；Cu≤0.5％；P≤0.045％；S≤0.030％；N：0.05-0.15％；Ti≤0.30％；Nb≤0.30％；V：0.05-0.3％；B:≤0.0050％；Ca:≤0.0050％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
4.根据权利要求3所述的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，其特征在于，具有如下的质量百分比的组分：C：0.05％；Si：0.43％；Mn：7.2％；Cr：13.7％；Ni：0.97％；Cu：0.1％；P：0.033％；S：0.0021％；N：0.083％；Ti：0.1％；Nb：0.045％；V：0.15％；B：0.0015％；Ca：0.0015％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
5.一种700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，其特征在于，具有如下的质量百分比的组分：C：0.03-0.1％；Si：0.3-1.0％；Mn：6.0-9.0％；Cr：13.0-15.0％；Ni：0.5-2.0％；Cu≤0.5％；P≤0.045％；S≤0.030％；N：0.05-0.15％；Ti≤0.30％；Nb≤0.30％；V：0.05-0.3％；Mo：0.1-0.5％；B:≤0.0050％；Ca:≤0.0050％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
6.根据权利要求5所述的700MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，其特征在于，具有如下的质量百分比的组分：C：0.075％；Si：0.35％；Mn：7.6％；Cr：13.5％；Ni：1.1％；Cu：0.2％；P：0.040％；S：0.0051％；N：0.065％；Ti：0.08％；Nb：0.085％；V：0.15％；Mo：0.11％；B：0.0015％；Ca：0.0015％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
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