CN109881123B

CN109881123B - 一种1000Mpa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢

Info

Publication number: CN109881123B
Application number: CN201910348599.0A
Authority: CN
Inventors: 姜海洪; 蒋一; 江来珠; 邹文辉; 周庆龙; 姜美雪
Original assignee: Fujian Qingtuo Special Steel Technology Research Co Ltd
Current assignee: Fujian Qingtuo Special Steel Technology Research Co Ltd
Priority date: 2019-04-28
Filing date: 2019-04-28
Publication date: 2021-06-08
Anticipated expiration: 2039-04-28
Also published as: CN109881123A

Abstract

本发明涉及不锈钢制造技术领域，具体涉及一种1000MPa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：0.2‑1.0％；Mn：3.0‑5.0％；Cr：13.0‑15.5％；Ni：1.0‑3.0％；0.2％≤Mo≤0.6％；P≤0.045％；S≤0.030％；N：0.05‑0.15％；Ti≤0.30％；Nb≤0.30％；V：≤0.3％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。本发明的有益效果在于：与传统的高强度Cr13系列马氏体不锈钢相比，强度和韧性综合性能更优异，且耐腐蚀性；与马氏体沉淀硬化不锈钢相比，加工难度低，合金和制造成本均有明显优势。

Description

一种1000Mpa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢

技术领域

本发明属于不锈钢制造技术领域，具体涉及一种1000Mpa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢。

背景技术

马氏体不锈钢具有较好的耐腐蚀性和较高的硬度、强度和耐磨性等特点，广泛应用于金属结构材料，如建筑、航空和机械制造等领域。马氏体不锈钢通常会经过淬火处理，先得到高位错密度的马氏体组织，再通过回火处理消除内应力，减少位错密度，获得均匀稳定的回火马氏体组织，从而获得塑性、韧性和强度的结合。马氏体不锈钢按照化学成分的特点可分为马氏体铬不锈钢和马氏体铬镍不锈钢两大类。根据组织和强化机理，可将其分类为马氏体不锈钢、马氏体时效不锈钢和半奥氏体-马氏体沉淀硬化不锈钢。

上述现有技术具有如下特点。

(1)马氏体铬不锈钢常见有1Cr13、2Cr13、3Cr13等，这类钢种材质强度高，但耐腐蚀性能较弱，且其韧性和塑性较低。由于碳含量较高，焊接性能较差，限制了广泛应用。专利CN106319344A公开一种2Cr14NiRe马氏体不锈钢，经过调质热处理后，屈服强度大于1000Mpa，但材质延伸率低于15％，室温冲击AKu小于25。

(2)马氏体铬镍不锈钢提高了马氏体不锈钢中Cr元素含量，且在高温条件下处于奥氏体相区，通过淬火处理获得高强度马氏体组织。根据组织可分为马氏体型、半奥氏体型和马氏体时效型，常见有1Cr17Ni2马氏体型不锈钢，0Cr15Ni5Cu3Nb、0Cr17Ni4Cu4Nb和0Cr17Ni7Al等时效马氏体钢。马氏体时效钢含有大量Ni、Cu、Mo、Co等昂贵合金元素，材质合金成本高；且不锈钢时效处理，生产成本高等因素，限制其发展。

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、高强韧性和耐腐蚀性等综合性能优异的1000MPa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1000Mpa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：0.2-1.0％；Mn：3.0-5.0％；Cr：13.5-15.5％；Ni：1.0-3.0％；0.2％≤Mo≤0.6％；P≤0.045％；S≤0.030％；N：0.05-0.15％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。

优选的，上述的1000Mpa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：0.06％；Si：0.38％；Mn：3.8％；Cr：14.4％；Ni：2.7％；Mo：0.48％；P：0.040％；S：0.0051％；N：0.10％，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1000Mpa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：0.2-1.0％；Mn：3.0-5.0％；Cr：13.0-15.5％；Ni：1.0-3.0％；0.2％≤Mo≤0.6％；P≤0.045％；S≤0.030％；N：0.05-0.15％；；Ti≤0.30％；Nb≤0.30％；V：≤0.3％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。

优选的，上述的700Mpa级高强度奥氏体-马氏体不锈钢具有如下的质量百分比的组分：C：0.07％；Si：0.35％；Mn：3.6％；Cr：14.2％；Ni：2.8％；Mo：0.35％；P：0.033％；S：0.0021％；N：0.1％；Ti：0.035％；Nb：0.045％；V：0.10％，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1000MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，相对于现有的高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，Mn含量降低，Cr、Mo、Ni元素含量增加，材质耐点腐蚀性能优于现有的高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢，PREN值高(PREN＝Cr+3.3Mo+30N-Mn)，耐点腐蚀性能好。

本发明1000MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的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。传统高强度不锈钢为获得高强度，需要做长时间时效处理或配分热处理，合金成本高，且热处理工艺复杂。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，热轧半成品直接回火处理，产品加工成本低，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。该不锈钢的机械性能为：抗拉强度不低于1200MPa，屈服强度不低于1000MPa，延伸率不低于15％，室温冲击韧性(V型缺口)不低于50J/cm²。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的实施例1的1000MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的金相组织示意图；

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1000MPa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢的Mn元素为奥氏体形成元素，减少Mn含量，镍当量降低，导致奥氏体稳定性降低，快速冷却过程中，基体出现更多的马氏体组织。1000Mpa级高强度亚稳态奥氏体-马氏体不锈钢Ni当量较低，从而获得更高强度的基材。(Ni当量＝Ni+Co+0.5Mn+30C+25N+0.3Cu)，马氏体具有高强度、低韧性的特点，奥氏体具有高韧性、低强度的特点；通过调节马氏体、奥氏体物相的占比，从而获得不同强度等级的材质。

本发明提供1000MPa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为奥氏体稳定性元素，通过间隙固溶方式强化奥氏体基体，且可提高马氏体的硬度和强度，材质热处理后弥散析出碳化物，阻碍位错移动，起到二次相强化的作用。但碳元素过高容易在晶界形成大量Cr的碳化物，导致晶界贫Cr现象发生，从而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Si为Cr当量元素，含量过高导致高温铁素体增加，材质热轧加工性能降低，本发明中优选为0.35％左右。

本发明中限定Mn：3.0-6.0％，为奥氏体形成元素，部分代替Ni元素，降低合金成本，且Mn对提高钢水中N的溶解度，但Mn为降低不锈钢耐点腐蚀性能元素，故不宜过高。不锈钢点蚀当量PREN＝Cr+3.3Mo+30*N-Mn。

本发明中限定Cr：13.50-15.50％；为本发明不锈钢主要的添加元素，其含量超过10.5％，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Cr当量过高，无法获得足够量的奥氏体组织，且降低高温铁素体析出温度，材质在热加工温度区间处于双相，热加工性能急剧恶化。

本发明中限定Ni：1.0-3.0％；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。

本发明中限定Mo：0.2％≤Mo≤0.6％；Mo元素有效提高不锈钢耐点腐蚀能力。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。

本发明中限定N：0.05-0.15％；氮能提高钢的强度，增加奥氏体稳定性，且热处理后析出碳氮化合物，有效提高材质强度；但过高的N元素含量，提高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0.3％。

本发明1000MPa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1000Mpa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、型材进行固溶热处理，直接对板材或棒材或型材进行回火热处理，使残余奥氏体分解和弥散析出第二相强化。

实施例1

(1)一种1000MPa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：0.06％；Si：0.38％；Mn：3.68％；Cr：14.42％；Ni：2.72％；P：0.036％；S：0.0015％；N：0.11％；Mo：0.30％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。

(2)上述1000MPa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。LF炉精炼后，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1000MPa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1341MPa，屈服强度为1090MPa，延伸率为19.5％，室温冲击韧性(V型缺口)为89.5J/cm²。

实施例2

(1)一种1000MPa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：0.40％；Mn：4.05％；Cr：14.3％；Ni：2.75％；P：0.040％；S：0.0015％；N：0.11％，Mo：0.25％；V：0.15％，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1000MPa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1384MPa，屈服强度为1055MPa，延伸率为18％，冲击韧性为(V型缺口)85J/cm²。

实施例3

(1)一种1000MPa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：0.45％；Mn：4.5％；Cr：14.1％；Ni：2.8％；P：0.040％；S：0.0051％；N：0.098％；Mo：0.2％；V：0.15％；Ti：0.1％，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1000MPa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1338MPa，屈服强度为1085MPa，延伸率为20.1％，冲击韧性(V型缺口)为95J/cm²。

实施例4

(1)一种1000Mpa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：0.07％；Si：0.6％；Mn：5％；Cr：15.0％；Ni：2.5％；P：0.045％；S：0.030％；N：0.11％；Mo：0.3％；V：0.25％；Ti：0.20％；Nb：0.20％；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1000MPa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1110MPa，延伸率为18.1％，冲击韧性(V型缺口)为80J/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

1.一种1000MP a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：0.2-1.0％；Mn：3.0-5.0％；Cr：13.5-15.5％；Ni：1.0-3.0％；0.2％≤Mo≤0.6％；P≤0.045％；S≤0.030％；N：0.05-0.15％；余量为Fe和不可避免的杂质元素；

上述1000MP a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；

2.根据权利要求1所述的1000MP a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：0.06％；Si：0.38％；Mn：3.68％；Cr：14.42％；Ni：2.72％；P：0.036％；S：0.0015％；N：0.11％；Mo：0.30％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。

3.一种1000MP a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：0.2-1.0％；Mn：3.0-5.0％；Cr：13.0-15.5％；Ni：1.0-3.0％；0.2％≤Mo≤0.6％；P≤0.045％；S≤0.030％；N：0.05-0.15％；V≤0.30％；余量为Fe和不可避免的杂质元素；

(6)CC连铸：采用常规工艺连铸为板坯或方坯或圆坯；

4.根据权利要求3所述的1000MP a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：0.40％；Mn：4.05％；Cr：14.3％；Ni：2.75％；P：0.040％；S：0.0015％；N：0.11％，Mo：0.25％；V：0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

5.一种1000MP a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：0.2-1.0％；Mn：3.0-5.0％；Cr：13.0-15.5％；Ni：1.0-3.0％；0.2％≤Mo≤0.6％；P≤0.045％；S≤0.030％；N：0.05-0.15％；V≤0.30％；Ti≤0.30％；Nb≤0.30％；余量为Fe和不可避免的杂质元素；

(6)CC连铸：采用常规工艺连铸为板坯或方坯或圆坯；

6.根据权利要求5所述的1000MP a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：0.07％；Si：0.6％；Mn：5％；Cr：15.0％；Ni：2.5％；P：0.045％；S：0.030％；N：0.11％；Mo：0.3％；V：0.25％；Ti：0.20％；Nb：0.20％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。