CN110093561B - 一种铸态无磁奥氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

一种铸态无磁奥氏体不锈钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种铸态无磁奥氏体不锈钢，包括如下组分及其质量百分数：C：0.03％～0.05％、Si：0.20％～0.30％、Mn：1.50％～1.60％、P≤0.045％、S≤0.03％、Cr：18.0％～18.5％、Ni：9.5％～10.0％、Mo≤0.05％，余量为Fe。其制造方法包括：中频感应电炉熔炼，熔模精密铸造。优点在于：制得的奥氏体不锈钢相对磁导率μr为1.01，在铸态下即可达到无磁材料的要求(μr≤1.02)，且具有优良的力学性能以及耐蚀性能，成本较低。

Description

一种铸态无磁奥氏体不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铸态无磁奥氏体不锈钢及其制备方法，属于不锈钢材料技术领域。
背景技术
奥氏体不锈钢具有良好的力学性能、耐腐蚀性能以及易冷热成型性能，在化工、石油化工、航空航天、能源、交通、生物医药和其他行业得到了广泛的应用。随着奥氏体不锈钢应用的领域越来越多，针对各行业的不同需求，需要研究满足不同使用要求的奥氏体不锈钢材料。
很多行业在要求材料耐腐蚀性能的同时，也对其他方面的性能如相对磁导率等提出了相关要求。例如，核电行业要求原材料的相对磁导率μr≤1.1，汽轮发电机的护环锻件要求材料的相对磁导率在1.051以下，无磁钻铤产品要求相对磁导率不大于1.01，一些精密探测部件要求相对磁导率在1.006以下。而目前生产中一般使用的奥氏体不锈钢，其相对磁导率普遍在1.1左右，并非真正意义上的无磁材料(μr≤1.02)。
关于无磁奥氏体不锈钢的研究工作一直在进行，研究方向分为两种：其一，通过热处理工艺消除奥氏体不锈钢中的磁性相，达到降低材料相对磁导率的目的；第二种是采用加压熔炼法、真空熔炼法等特殊的熔炼工艺，使奥氏体不锈钢中含有一定量的N元素，奥氏体不锈钢中N的存在可以起到稳定并扩大奥氏体相区的作用，降低其中残余铁素体的含量，从而降低材料的相对磁导率。
中国专利CN106702290A公开了一种新型高氮奥氏体不锈钢的制备方法，属于不锈钢材料的领域，熔炼工艺为非真空感应熔炼，氩氧脱碳炉外精炼，所述材料的各元素百分比为：C：0.047％～0.060％，Si：0.17％～0.24％，Mn：16.20％～0.45％，P：0.008％～0.010％，S：0.008％～0.012％，Cr：22.15％～23.50％，Ni：0.95％～2.14％，N：0.70％～0.81％，Mo：0.56％～0.68％。该发明的新型高氮奥氏体不锈钢，具有优异的室温强度和耐晶间腐蚀性能以及较低的相对磁导率，但是该发明的新型高氮奥氏体不锈钢的相对磁导率并未达到无磁材料的相关要求。
中国专利CN103741066A公开了一种精密电子用无磁硬态奥氏体不锈钢及其制造方法，该材料的优点在于：具有比304更加优异的耐点蚀性能和耐还原性酸腐蚀的性能，同时其奥氏体稳定性由于304和305；当材料冷变形加工量达到50％时，不产生磁性的马氏体相变，材料仍保持无磁特性。
关于无磁奥氏体不锈钢的制备，相关的专利成果存在合金成分过于复杂，熔炼设备价格昂贵等问题，不易推广，且均无说明具体相对磁导率大小。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铸态无磁奥氏体不锈钢的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。与目前常见奥氏体不锈钢材料相比，对Si、Mn、Ni元素的含量范围进行了调整，大幅度降低材料的相对磁导率，使其在铸态条件下达到无磁材料的行业要求，同时具有良好的力学性能和耐蚀性能。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种铸态无磁奥氏体不锈钢，包括如下组分及其质量百分数：C：0.03％～0.05％、Si：0.20％～0.30％、Mn：1.50％～1.60％、P≤0.045％、S≤0.03％、Cr：18.0％～18.5％、Ni：9.5％～10.0％、Mo≤0.05％，余量为Fe。
一种铸态无磁奥氏体不锈钢的制备方法，包括如下步骤：
(1)加入普通奥氏体不锈钢边角料、模头料、工业纯铁以及化学成分符合要求的镍板；
(2)在钢水温度达到1560℃时加入所需的锰铁；
(3)加入脱氧剂，在1580℃温度条件下脱氧；
(4)在上述温度下取样进行钢液成分分析，并进行相应调整，使所述各元素的质量百分比在所述范围内；
(5)升温至1650℃，关闭电源，钢液在静止状态下保持2分钟左右，使得加入脱氧剂后形成的复合氧化物浮到钢液表面，随后进行除渣操作；
(6)将扒渣后的钢液浇注到预先煅烧好的型壳中，即可得到无磁奥氏体不锈钢。
根据以上方案，所述普通奥氏体不锈钢为304不锈钢，所用模头料为碳含量较低的304不锈钢，所述工业纯铁中杂质元素含量在0.02％以下，所述锰铁中锰的含量在65％以上。
根据以上方案，型壳在浇注前要在1100℃条件下煅烧20min后方可取出进行浇注。
根据以上方案，浇注完成后，铸件随壳空冷。
为使材料在铸态下达到无磁材料的要求，需要对主要合金元素(如Si、Ni、Mn等)的含量进行适当的调整。
Si是一种铁素体形成元素。随着奥氏体不锈钢中Si含量的增加，残余铁素体的含量也会上升，同时Si的存在也会在一定程度上促进σ相等金属间化合物的形成。残余铁素体以及σ相均为磁性相，其存在会导致奥氏体不锈钢的相对磁导率偏高。因此本发明将Si的含量控制在0.20％～0.30％。
Mn作为一种奥氏体形成元素，随着Mn含量的提高，奥氏体不锈钢中的残余铁素体及由残余铁素体转变而来的σ相均会有一定程度的减少。但是，Mn可以与奥氏体不锈钢中的S反应生成MnS，使得奥氏体不锈钢耐氯化物点腐蚀能力的下降。因此本发明将Mn的含量控制在1.50％～1.60％。
Ni属于强烈形成并稳定奥氏体的元素。理论上，随着奥氏体不锈钢中Ni含量的增加，可以将材料中的残余铁素体含量降至零，同时还能降低σ相的形成倾向，但Ni含量的升高会降低C在奥氏体不锈钢中的溶解度。因此本发明将Ni的含量控制在9.5％～10.0％。
本发明的有益效果是：
1)调整Si、Mn、Ni合金元素的含量，降低奥氏体不锈钢中残余铁素体和σ相等磁性相的含量，在保证材料具有良好的力学性能以及耐蚀性能的基础上，大幅度降低材料的相对磁导率；
2)本发明通过合理调整主要Si、Mn、Ni等合金元素的含量，材料在铸态下的相对磁导率为1.01，完全达到无磁材料的行业标准(μr≤1.02)；
3)本发明在铸态条件下实现了无磁奥氏体不锈钢的制备，省去了耗时长、成本高的的热处理工艺，提高了经济效益。
附图说明
图1为实施例1的显微组织金相照片图；
图2为实施例2的显微组织金相照片图；
图3为对比例1的显微组织金相照片图；
图4为实施例1、2和对比例1的磁滞回线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
实施例1：
本发明提供一种铸态无磁奥氏体不锈钢，包括如下组分及其质量百分数：C：0.0347％、Si：0.290％、Mn：1.50％％、P：0.045％、S：0.0063％、Cr：18.39％、Ni：9.60％、Mo：0.0387％，Fe：69.6903％。
一种铸态无磁奥氏体不锈钢的制备方法(采用150kg中频感应炉熔炼)，包括如下步骤(百分数均为质量分数)：
(1)加入普通奥氏体不锈钢边角料、模头料、工业纯铁以及化学成分符合要求的镍板；
(2)在钢水温度达到1560℃时加入所需的锰铁；
(3)加入脱氧剂，在1580℃温度条件下脱氧；
(4)在上述温度下取样进行钢液成分分析，并进行相应调整，使所述各元素的质量百分比在所述范围内；
(5)升温至1650℃，关闭电源，钢液在静止状态下保持2分钟左右，使得加入脱氧剂后形成的复合氧化物浮到钢液表面，随后进行除渣操作；
(6)将扒渣后的钢液浇注到预先煅烧好的型壳中，即可得到无磁奥氏体不锈钢。
根据以上方案，型壳在浇注前要在1100℃条件下煅烧20min后方可取出进行浇注，浇注完成后，铸件随壳空冷。
对本实施产品进行检测，结果为：相对磁导率为1.01，抗拉强度为547.9MPa，屈服强度为248.8MPa，伸长率为75％，腐蚀速率为0.106g/(m2·h)。
实施例2：
本发明提供一种铸态无磁奥氏体不锈钢，包括如下组分及其质量百分数：C：0.0335％、Si：0.251％、Mn：1.52％％、P：0.040％、S：0.0048％、Cr：18.62％、Ni：9.80％、Mo：0.0426％，Fe：69.6881％。
一种铸态无磁奥氏体不锈钢的制备方法(采用150kg中频感应炉熔炼)，包括如下步骤(百分数均为质量分数)：
(1)加入普通奥氏体不锈钢边角料、模头料、工业纯铁以及化学成分符合要求的镍板；
(2)在钢水温度达到1560℃时加入所需的锰铁；
(3)加入脱氧剂，在1580℃温度条件下脱氧；
(4)在上述温度下取样进行钢液成分分析，并进行相应调整，使所述各元素的质量百分比在所述范围内；
(5)升温至1650℃，关闭电源，钢液在静止状态下保持2分钟左右，使得加入脱氧剂后形成的复合氧化物浮到钢液表面，随后进行除渣操作；
(6)将扒渣后的钢液浇注到预先煅烧好的型壳中，即可得到无磁奥氏体不锈钢。
根据以上方案，型壳在浇注前要在1100℃条件下煅烧20min后方可取出进行浇注，浇注完成后，铸件随壳空冷。
对本实施产品进行检测，结果为：相对磁导率为1.0069，抗拉强度为533.1MPa，屈服强度为234.9MPa，伸长率为62.5％，腐蚀速率为0.127g/(m2·h)。
对比例1：
本发明提供一种铸态奥氏体不锈钢，包括如下组分及其质量百分数：C：0.0313％、Si：0.527％、Mn：0.529％％、P：0.040％、S：0.0029％、Cr：18.18％、Ni：8.24％、Mo：0.0474％，Fe：72.4028％。
一种铸态无磁奥氏体不锈钢的制备方法(采用150kg中频感应炉熔炼)，包括如下步骤(百分数均为质量分数)：
(1)加入普通奥氏体不锈钢边角料、模头料、工业纯铁以及化学成分符合要求的镍板；
(2)在钢水温度达到1560℃时加入所需的锰铁；
(3)加入脱氧剂，在1580℃温度条件下脱氧；
(4)在上述温度下取样进行钢液成分分析，并进行相应调整，使所述各元素的质量百分比在所述范围内；
(5)升温至1650℃，关闭电源，钢液在静止状态下保持2分钟左右，使得加入脱氧剂后形成的复合氧化物浮到钢液表面，随后进行除渣操作；
(6)将扒渣后的钢液浇注到预先煅烧好的型壳中，即可得到无磁奥氏体不锈钢。
根据以上方案，型壳在浇注前要在1100℃条件下煅烧20min后方可取出进行浇注，浇注完成后，铸件随壳空冷。
对本实施产品进行检测，结果为：相对磁导率为1.09，抗拉强度为622.0MPa，屈服强度为273.7MPa，伸长率为42.5％，腐蚀速率为0.155g/(m2·h)。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种铸态无磁奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述铸态无磁奥氏体不锈钢包括如下组分及其质量百分数：C：0.03%~0.05%、Si：0.20%~0.30%、Mn：1.50%~1.60%、P≤0.045%、S≤0.0063%、Cr：18.39%~18.5%、Ni：9.5%~10.0%、Mo≤0.05%，余量为Fe；
所述制备方法包括如下步骤：
（1）加入普通奥氏体不锈钢边角料、模头料、工业纯铁以及化学成分符合要求的镍板；
（2）在钢水温度达到1560℃时加入所需的锰铁；
（3）加入硅锰脱氧剂，在1580℃温度条件下脱氧；
（4）在上述温度下取样进行钢液成分分析，并进行相应调整，使所述各元素的质量百分比在所述范围内；
（5）升温至1650℃，关闭电源，钢液在静止状态下保持2分钟左右，使得加入脱氧剂后形成的复合氧化物浮到钢液表面，随后进行除渣操作；
（6）将扒渣后的钢液浇注到预先煅烧好的型壳中，即可得到无磁奥氏体不锈钢。
2.根据权利要求1所述的铸态无磁奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：所述普通奥氏体不锈钢为304不锈钢，所用模头料为碳含量较低的304不锈钢，所述工业纯铁中杂质元素含量在0.02%以下。
3.根据权利要求1所述的铸态无磁奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：所述锰铁中锰的含量在65%以上。
4.根据权利要求1所述的铸态无磁奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：型壳在浇注前要在1100℃条件下煅烧20min后方可取出进行浇注。
5.根据权利要求1所述的铸态无磁奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：浇注完成后，铸件随壳空冷。
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