CN109972060B - 一种低镍高强度双相不锈钢材料及其制备方法 - Google Patents

一种低镍高强度双相不锈钢材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低镍高强度双相不锈钢材料及其制备方法，该双相不锈钢材料包括以下质量百分比的组分：C：0.01‑0.04％，Cr：17.0‑28.0％，Ni：0.5‑1.5％，Mo：0.2‑0.70％，Si≤1.5％，Mn≤2.0％，Cu：1.50‑5.00％，N：0.05‑0.70％，Ti≤0.50％等。制备方法包括：配料，经冶炼、精炼、离心浇铸、高温固溶热处理制得。制得的低镍高强度双相不锈钢材料力学性能能达到欧洲耐腐蚀钢的薄钢板/钢板和带材标准EN 10088‑2 2005中X2CrNiN23‑4热轧不锈钢的力学性能要求，且其原材料成本低，综合力学性能更稳定。

Description

一种低镍高强度双相不锈钢材料及其制备方法
技术领域
本发明属于不锈钢材料技术领域，具体涉及一种低镍高强度双相不锈钢材料及其制备方法。
背景技术
双相不锈钢广泛应用在石油石化、冶金、动力机械、热交换器、造纸等工业，随着各行各业的迅速发展，设备的大型化及使用条件更加苛刻，对相关材料的力学性能、耐高温、耐各种酸、碱、盐等介质腐蚀性能提出了更高的要求。
传统的316、304类不锈钢含镍量高，力学性能较好，但在大型设备、恶劣环境里很难长期使用。新型的2304不锈钢力学性能高，在工业上得到了广泛的应用，但2304不锈钢在EN 10088-2 2005和ASTM A789-2017中均为采用锻造的热轧和冷轧方式生产，在采用离心铸造方式生产国外客户订单时，由于没有2304不锈钢的离心铸造标准，客户均采用EN10088-2 2005和ASTM A789-2017的高性能要求，而EN 10088-2 2005和ASTM A789-2017中均为采用锻造的热轧和冷轧方式生产的不锈钢管，要求力学性能很高，采用离心铸造的产品力学性能很难达到客户的要求，不能满足国外客户按质按量且大批量订单的交货需求。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种低镍高强度双相不锈钢材料及其制备方法，可有效解决现有技术中存在的力学性能达不到要求的问题，且本发明制得的双相不锈钢材料成本比2304不锈钢低。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种低镍高强度双相不锈钢材料，包括以下质量百分比的组分：C：0.01-0.04％，Cr：17.0-28.0％，Ni：0.5-1.5％，Mo：0.2-0.70％，Si≤1.5％，Mn≤2.0％，Cu：1.50-5.00％，N：0.05-0.70％，Ti≤0.50％，Al≤0.10％，S≤0.010％，P≤0.025％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，一种低镍高强度双相不锈钢材料，包括以下质量百分比的组分C：0.026％，Cr：24.3％，Ni：0.55％，Mo：0.46％，Si：0.79％，Mn：0.95％，Cu：4.55％，N：0.46％，Ti：0.17％，P：0.016％，S：0.002％，Al：0.06％；余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，上述低镍高强度双相不锈钢材料中铁素体体积分数为40-60％，其余为奥氏体。
上述低镍高强度双相不锈钢材料的制备方法，包括以下步骤：
称取各原料，然后在N2气保护或Ar气保护或真空条件下，采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉+炉外精炼、转炉+炉外精炼中任一种方式进行冶炼，冶炼过程中控制获得的钢液含氧量和含氢量均达到100ppm以下；例如，冶炼过程中的方式为将原料在中频炉中进行熔炼，熔炼温度为1500-1600℃得到钢液，将钢液转至AOD炉中进行精炼，精炼温度为1500-1700℃。
对冶炼所得的钢液进行离心浇铸；
对浇铸后的材料进行固溶处理，然后再进行冷却至室温，制得低镍高强度双相不锈钢材料。
进一步地，冶炼时冶炼温度为1500-1660℃，冶炼时间为1-4h。
进一步地，浇铸时浇铸温度为1500-1660℃。
进一步地，固溶处理的温度为1030-1150℃，处理时间为30-400min。
进一步地，固溶处理温度为1080℃，固溶处理时间为200min。
本发明提供的低镍高强度双相不锈钢材料及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)Cr是不锈钢里提高耐腐蚀性能的最基本元素，它能使钢的表面很快形成一层均匀、致密、富铬的氧化膜，这层氧化膜与金属基体结合得很牢固，保护钢免受外界介质进一步氧化浸蚀，因此在一定范围内，铬的含量越高，钢的耐蚀性能也越好。Cr还能有效地提高钢的电极电位，此外还能提高不锈钢的强度和硬度，在与Ni、Mo等合金元素一起使用时效果更佳。
Ni可以提高多种环境条件下材料的耐腐蚀性，提高不锈钢材料的强度，且不降低材料的韧性，但Ni的价格高，在316、304等第一代不锈钢材料里含量很高，但在本申请中，以Cu、N代替部分Ni，可大幅度降低材料的生产成本。
Cu可提高不锈钢材料的强度，与Ni一样可以提高不锈钢材料，可以促进奥氏体的形成和稳定奥氏体，提高材料的耐腐蚀性，故可在一定程度上代替部分Ni。
N和C一样可固溶于铁，形成间隙式的固溶体，起到良好的固溶强化的作用；但为了保证材料的耐蚀性，C在不锈钢中是严格控制的元素，一般将C的含量控制的比较低；同时N扩大钢的奥氏体相区，对形成和稳定奥氏体起到很重要的作用，其效力约为Ni的30倍，故在一定限度内代替镍；另外N与Cr、Ti等元素可形成极稳定的氮化物，起到对材料的硬化和强化作用。
(2)在冶炼过程需要进行脱氧和脱氢过程，因为在凝固期间，钢液中的氧和碳会发生反应生成一氧化碳，可以形成气泡，造成产品的孔隙和产品的脆化；而氢含量过高时，会使得产品在冷却过程中加剧产品內裂和断裂现象，此外氢含量过高也会使产品出现孔隙，造成产品脆化，影响其性能，因此，本发明在制备过程中即精炼过程中需控制精炼炉中含氧量和含氢量，使含氧量和含氢量均达到100ppm以下。
本发明在特定的组分情况下制备双相不锈钢材料，经相对较宽的1030-1150℃的固溶处理后，能够保持较好的铁素体和奥氏体双相比例，铁素体和奥氏体含量在50％左右。
(3)本发明制得的低镍高强度双相不锈钢材料低Ni、低S、低P、高Cu、高N，且在高温高压、腐蚀性环境下具有较高的力学性能和耐腐蚀性能，能达到欧美相关轧制类锻件力学性能的要求；同时“以铸代锻”、以Cu、N代替价格昂贵的Ni，大幅度降低了材料的生产成本，具有重要的应用价值和推广价值。
具体实施方式
实施例1
一种低镍高强度双相不锈钢材料，包括以下质量百分比的组分：C：0.025％；Cr：23.5％；Ni：1.18％；Mo：0.61％；Si：0.82％；Mn：0.87％；Cu：1.89％；N：0.31％，Ti：0.11％，P：0.023％，S：0.002％，Al：0.07％；余量为Fe和不可避免的杂质；其中双相不锈钢材料中铁素体体积分数为48％，其余为奥氏体。
上述低镍高强度双相不锈钢材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：按上述化学成分及含量进行配料，在中频炉中熔炼，温度达到1550℃，熔炼得到钢液；
(2)精炼：将熔炼得到的钢液在AOD炉中进行精炼，精炼温度为1600℃，精炼时间为2h，并同时降低AOD炉内的含氧量和含氢量，使含氧量为70ppm，含氢量为54ppm；
(3)离心浇铸：将精炼得到的钢液进行离心浇铸，浇铸温度为1585℃；
(4)对浇铸后的材料进行高温固溶处理，固溶处理温度为1080℃，处理时间为180min，产品有效厚度为45mm，然后再置于水中冷却。
实施例2
一种低镍高强度双相不锈钢材料，包括以下质量百分比的组分：C：0.021％；Cr：23.8％；Ni：1.03％；Mo：0.53％；Si：0.71％；Mn：1.24％；Cu：2.21％；N：0.32％，Ti：0.23％，P：0.019％，S：0.003％，Al：0.05％；余量为Fe和不可避免的杂质；其中双相不锈钢材料中铁素体体积分数为50％，其余为奥氏体。
上述低镍高强度双相不锈钢材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：按上述化学成分及含量进行配料，在中频炉中熔炼，温度达到1560℃，熔炼得到钢液；
(2)精炼：将熔炼得到的钢液在AOD炉中进行精炼，精炼温度为1650℃，精炼时间为2h，并同时降低AOD炉内的含氧量和含氢量，含氧量为67ppm，含氢量为59ppm；
(3)离心浇铸：将精炼得到的钢液进行离心浇铸，浇铸温度为1604℃；
(4)对浇铸后的材料进行高温固溶处理，固溶处理温度为1080℃，处理时间为300min，产品的有效厚度为74mm，然后再置于水中冷却。
实施例3
一种低镍高强度双相不锈钢材料，包括以下质量百分比的组分：C：0.026％；Cr：24.3％；Ni：0.55％；Mo：0.46％；Si：0.79％；Mn：0.95％；Cu：4.55％；N：0.46％，Ti：0.17％，P：0.016％，S：0.002％，Al：0.06％；余量为Fe和不可避免的杂质；其中双相不锈钢材料中铁素体体积分数为45％，其余为奥氏体。
上述低镍高强度双相不锈钢材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：按上述化学成分及含量进行配料，在中频炉中熔炼，温度达到1553℃，熔炼得到钢液；
(2)精炼：将熔炼得到的钢液在AOD炉中进行精炼，精炼温度为1688℃，精炼时间为2h，并同时降低AOD炉内的含氧量和含氢量，含氧量为72ppm，含氢量为64ppm；
(3)离心浇铸：将精炼得到的钢液进行离心浇铸，浇铸温度为1595℃；
(4)对浇铸后的材料进行高温固溶处理，固溶处理温度为1100℃，处理时间为280min，产品的有效厚度为70mm，然后再置于水中冷却。
实施例4
一种低镍高强度双相不锈钢材料，包括以下质量百分比的组分：C：0.01％；Cr：17.0％；Ni：1.4％；Mo：0.2％；Si：0.79％；Mn：0.95％；Cu：1.50％；N：0.05％，Ti：0.17％，P：0.016％，S：0.002％，Al：0.06％；余量为Fe和不可避免的杂质；其中双相不锈钢材料中铁素体体积分数为55％，其余为奥氏体。
上述低镍高强度双相不锈钢材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：按上述化学成分及含量进行配料，在中频炉中熔炼，温度达到1548℃，熔炼得到钢液；
(2)精炼：将熔炼得到的钢液在AOD炉中进行精炼，精炼温度为1527℃，精炼时间为2h，并同时降低AOD炉内的含氧量和含氢量，含氧量为72ppm，含氢量为63ppm；
(3)离心浇铸：将精炼得到的钢液进行离心浇铸，浇铸温度为1587℃；
(4)对浇铸后的材料进行高温固溶处理，固溶处理温度为1090℃，处理时间为220min，产品的有效厚度为55mm，然后再置于水中冷却。
实施例5
一种低镍高强度双相不锈钢材料，包括以下质量百分比的组分：C：0.04％；Cr：28.0％；Ni：1.4％；Mo：0.7％；Si：0.79％；Mn：0.95％；Cu：5.0％；N：0.7％，Ti：0.17％，P：0.016％，S：0.002％，Al：0.06％；余量为Fe和不可避免的杂质；其中双相不锈钢材料中铁素体体积分数为50％，其余为奥氏体。
上述低镍高强度双相不锈钢材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：按上述化学成分及含量进行配料，在中频炉中熔炼，温度达到1543℃，熔炼得到钢液；
(2)精炼：将熔炼得到的钢液在AOD炉中进行精炼，精炼温度为1692℃，精炼时间为2h，并同时降低AOD炉内的含氧量和含氢量，含氧量为68ppm，含氢量为72ppm；
(3)离心浇铸：将精炼得到的钢液进行离心浇铸，浇铸温度为1599℃；
(4)对浇铸后的材料进行高温固溶处理，固溶处理温度为1080℃，处理时间为80min，产品的有效厚度为20mm，然后再置于水中冷却。
实施例6
一种低镍高强度双相不锈钢材料，包括以下质量百分比的组分：C：0.02％；Cr：22.0％；Ni：0.9％；Mo：0.5％；Si：0.79％；Mn：0.95％；Cu：3.0％；N：0.3％，Ti：0.17％，P：0.016％，S：0.002％，Al：0.06％；余量为Fe和不可避免的杂质；其中双相不锈钢材料中铁素体体积分数为48％，其余为奥氏体。
上述低镍高强度双相不锈钢材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：按上述化学成分及含量进行配料，在中频炉中熔炼，温度达到1554℃，熔炼得到钢液；
(2)精炼：将熔炼得到的钢液在AOD炉中进行精炼，精炼温度为1700℃，精炼时间为2h，并同时降低AOD炉内的含氧量和含氢量，含氧量为58ppm，含氢量为55ppm；
(3)离心浇铸：将精炼得到的钢液进行离心浇铸，浇铸温度为1605℃；
(4)对浇铸后的材料进行高温固溶处理，固溶处理温度为1080℃，处理时间为210min，产品的有效厚度为52mm，然后再置于水中冷却。
对实施例1-6制得的低镍高强度双相不锈钢材料与现有X2CrNiN23-4热轧不锈钢材料进行力学性能测定，测定结果见表1，表中X2CrNiN23-4性能为EN 10088-2 2005的要求。
对实施例1-6制得的低镍高强度双相不锈钢材料与现有不锈钢材料304的耐腐蚀性能进行测定，其测定结果见表2。
表1双相不锈钢材料力学性能测定结果
抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 延伸率(％) 冲击功(Ak)
X2CrNiN23-4 640 430 22 100
实施例1 658.9 469.7 43.9 245
实施例2 661.1 514.4 39.3 246
实施例3 686.5 533.6 46.0 252
实施例4 682.7 530.2 45.1 249
实施例5 657.9 463.5 41.2 285
实施例6 680.1 528.1 44.5 246
表2双相不锈钢材料耐点腐蚀性能测定结果
Figure BDA0002051807010000081
由表1可知，实施例1-6制得的低镍高强度双相不锈钢材料均能达到欧洲耐腐蚀钢的薄钢板/钢板和带材标准EN 10088-2 2005中X2CrNiN23-4热轧不锈钢的力学性能要求，尤其是实施例3，效果最佳。实施例3中Ni含量更低，成本也更低，成本比欧标X2CrNiN23-4大约降低600元/吨。本发明以Cu、N等元素代替价格昂贵的Ni，降低了材料的生产成本；同时采用了N、Cu的合金化，过饱和的N对基体起到了明显的固溶强化作用，材料的抗拉强度、屈服强度、延伸率等力学性能也得到了显著的提升，同时耐腐蚀性能也得到了提高(由表2可知)。可见，本发明的钢种是一种综合性价比很高的低镍高强度双相不锈钢材料。

Claims (6)

1.一种低镍高强度双相不锈钢材料，其特征在于，包括以下质量百分比的组分C：0.026％，Cr：24.3％，Ni：0.55％，Mo：0.46％，Si：0.79％，Mn：0.95％，Cu：4.55％，N：0.46％，Ti：0.17％，P：0.016％，S：0.002％，Al：0.06％；余量为Fe和不可避免的杂质；所述低镍高强度双相不锈钢材料有效厚度为70mm；
所述低镍高强度双相不锈钢材料通过以下方法制得：称取各原料，然后在N2气保护或Ar气保护或真空条件下，采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉+炉外精炼、转炉+炉外精炼中任一种方式进行冶炼，冶炼过程中控制获得的钢液含氧量和含氢量均达到100ppm以下；
对冶炼所得的钢液进行离心浇铸；
对浇铸后的材料进行固溶处理，然后再进行冷却至室温，制得低镍高强度双相不锈钢材料。
2.根据权利要求1所述的低镍高强度双相不锈钢材料，其特征在于，所述双相不锈钢材料中铁素体体积分数为40-60％，其余为奥氏体。
3.根据权利要求1所述的低镍高强度双相不锈钢材料，其特征在于，冶炼时冶炼温度为1500-1700℃，冶炼时间为1-4h。
4.根据权利要求1所述的低镍高强度双相不锈钢材料，其特征在于，浇铸时浇铸温度为1500-1660℃。
5.根据权利要求1所述的低镍高强度双相不锈钢材料，其特征在于，固溶处理的温度为1030-1150℃，处理时间为30-400min。
6.根据权利要求3所述的低镍高强度双相不锈钢材料，其特征在于，固溶处理温度为1080℃，固溶处理时间为200min。
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