CN111020381B - 一种奥氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种奥氏体不锈钢及其制备方法，其中，奥氏体不锈钢钢的化学组分按照质量百分比分别为C：0.02％～0.05％，Si：1.5％～2.5％，Mn：2.0％～3.5％，Cr：18.0％～20.0％，Ni：6.0％～8.0％，N：0.1％～0.25％，Cu：2.5％～3.5％，Mo：0.7％～1.5％，P：≤0.035％，S：≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的奥氏体不锈钢的成本低、且通过控制C、Si、Mn、Ni、Cu等各元素的添加及各元素相互配合获得较高的耐应力腐蚀和点腐蚀性能，其耐应力腐蚀和点腐蚀能力大于304不锈钢，且能替代316不锈钢而应用于含氯离子的环境中。

Description

一种奥氏体不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种奥氏体不锈钢及其制备方法，主要用于制造热水器内胆、热水管道或者食品加工行业的机械设备等。
背景技术
目前，用于制造热水器内胆、室内热水管道以及部分食品加工行业设备的材料主要是304不锈钢。这些设备的服役环境与水接触且经受冷热循环，水中含有一定量的氯离子，使用一段时间后设备的外表面极易发生应力腐蚀如图1所示，内表面容易发生点腐蚀。
铁素体不锈钢虽然具有良好的抗应力腐蚀和点腐蚀能力，因设备制造过程中有冲压等工序，成型性能很难满足要求。高合金的奥氏体不锈钢如316及以上等级的奥氏体不锈钢虽然也能满足，但因含有大于2％的Mo和大于10％的Ni，生产成本高，不太适用于一般用途的热水管道等行业。
如专利号为CN201910211762.9(申请公布号为CN109930067A)的中国发明专利申请《耐热耐蚀奥氏体不锈钢及其制备方法》，所公开的耐热耐蚀奥氏体不锈钢材料，按重量百分比计，包括：C 0.006％-0.030％，Si 0.20％-0.70％，Mn 0.30％-1.0％，Cr 18.0％-20.0％，Ni 18.0％-20.0％，Mo 0.75％-1.50％，Al 0.20％-0.50％，Ti 0.20％-0.50％，Nb0.10％-0.30％，P≤0.020％，S≤0.002％，N≤0.015％，B 0.002％-0.006％，其中Al+Ti≥0.45％，9≤(Nb+0.4Ti)/(C+N)≤18，其余为Fe和不可避免的杂质。本专利中Ni含量为8.0％-20.0％，则合金成本高、且Ti和Al都是易氧化元素，冶炼成产难度较大。
又如专利号为CN201310258422.4，(授权公告号为ZL103382539B)的中国发明专利《一种太阳能热水器内胆用不锈钢配方及其制备方法》，所公开的制备方法通过对化学成分和冷轧工艺的精确控制使盐雾腐蚀达到240小时以上，但并没有提到应力腐蚀和点腐蚀的提高情况。
为此，需要开发一种成型性优异且在服役环境中具有良好抗应力腐蚀和抗点蚀的奥氏体不锈钢及其制备方法。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种具有高抗应力腐蚀和点腐蚀性能的奥氏体不锈钢。
本发明所要解决的第二个技术问题是，提供一种具有高抗应力腐蚀和点腐蚀性能的奥氏体不锈钢的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的第一个技术方案为：一种奥氏体不锈钢，其特征在于：其化学组分按照质量百分比为C：0.02％～0.05％，Si：1.5％～2.5％，Mn：2.0％～3.5％，Cr：18.0％～20.0％，Ni：6.0％～8.0％，N：0.1％～0.25％，Cu：2.5％～3.5％，Mo：0.7％～1.5％，P：≤0.035％，S：≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
C是强奥氏体形成元素，有利于室温下奥氏体组织的稳定性，但易与铬形成碳化物在晶界聚集，降低耐蚀性，因此，碳含量为0.02％～0.05％；
Si是炼钢过程中的重要脱氧元素，同时也会形成细小弥散分布的氧化物颗粒，以阻碍金属离子的向外扩散，提高抗氧化性，因此，Si含量为小于1.5％～2.5％；
Mn是形成并稳定奥氏体的元素，可以提高室温强度并改善高温热塑性，因此，Mn含量为2.0％～3.5％。
Cr是奥氏体不锈钢中强烈形成并稳定铁素体的元素，缩小奥氏体区，是提高耐蚀性的主要元素，特别是耐点腐蚀，耐点蚀的当量指数PREN与Cr含量密切相关，但Cr含量太高，时效后易形成脆性相，降低使用性能，因此，Cr取值为18.0％～20.0％；
Ni是贵重金属元素，对成本影响较大，但Ni有利于提高奥氏体不锈钢在室温条件下的稳定性和成型性能，强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素，因此，Ni被定义为6.0％～8.0％；
Cu有利于奥氏体不锈钢的冷变形能力如冲压等，但过高的Cu含量在热轧过程中易形成表面质量缺陷，因此，Cu取值为2.5％～3.5％；
N形成奥氏体的能力是Ni的30倍，固溶的N可以提高奥氏体不锈钢的耐应力腐蚀和点腐蚀能力，根据N在目前成分体系中的溶解度以及工业化生产控制水平，N取值为0.1％～0.25％；
Mo是铁素体形成元素，可以显著提高奥氏体不锈钢耐应力腐蚀和点腐蚀的能力，同时，和Ni一样，Mo也是一种贵重金属，太高的Mo含量会导致成本增加，因此Mo取值为0.7％～1.5％；
P和S均为不可避免的杂质元素，但对性能有不利的影响，应分别小于0.035％和0.003％，其余为Fe。
优选地，耐点蚀当量PREN＝(％Cr+3.3％Mo+30％N)＞25。为了保证在含有氯离子的服役环境下具有较好的抗点腐蚀能力。
所述奥氏体不锈钢在143℃、42％氯化镁溶液中的裂纹萌生时间为285min～305min，裂纹扩展时间为355min～360min。如此，该奥氏体不锈钢抗点腐蚀能力和316不锈钢相当，但是成本低于316不锈钢。
本发明解决上述技术问题所采用的第二个技术方案为：一种上述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
1)按照上述成分配比称量，熔炼浇铸成连铸坯，铸坯的PREN值大于25；
2)将连铸坯加热至目标温度1240±10℃后，保温25～40分钟；
3)热轧
将步骤2)加热后的板坯热轧卷取、且卷取后水冷；
4)热轧后退火、酸洗；
5)冷轧；
6)冷轧后退火、酸洗。
优选地，在步骤3)中，卷取温度为680～750℃，总压下率大于95％。避免大量的碳化物析出。
在步骤4)中，退火温度为1080-1100℃，酸洗温度为50～70℃。将碳、氮等间隙元素完全固溶到基体中，为后续冷轧创造条件。一定的酸洗温度提高去除表面氧化铁皮的效率。
在步骤6)中，退火温度为1060-1080℃，酸洗温度为50～70℃。消除冷轧过程中的形变储能，调整力学性能并提高耐蚀性。一定的酸洗温度提高去除退火过程中所形成氧化铁皮的效率。
为了获得好的平整度，在步骤6)之后进行平整处理，采用0.2～0.5％延伸率获得平整的板材。
优选地，在步骤1)中，连铸坯的厚度为180mm～250mm。可满足在一般的工业化连铸机上生产(目前工业化生产连铸机可浇铸的板坯厚度为180mm～250mm)，当连铸坯厚度小于180mm时，板坯表面修磨后成材率太低；板坯厚度大于250mm时，作为冷轧产品使用时会增加轧程，提高成本。
与现有技术相比，本发明的奥氏体不锈钢的成本低、且通过控制C、Si、Mn、Ni、Cu、Cr等各元素的添加及各元素相互协同配合而获得较高的耐应力腐蚀和点腐蚀性能，且其耐应力腐蚀和点腐蚀能力大于304不锈钢，并与316不锈钢的相当，但成本远低于316不锈钢，能够替代316不锈钢而应用于含氯离子的环境中，并且严格控制Ni含量，有利于稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素；而通过严格控制Cu元素的添加，在便于奥氏体冷变形加工的同时，降低表面缺陷，此外，本发明的奥氏体不锈钢的制备方法简单有效。
附图说明
图1为本发明背景技术中304不锈钢的扫描图
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例的奥氏体不锈钢的化学组分按照质量百分比为C：0.02％～0.05％，Si：1.5％～2.5％，Mn：2.0％～3.5％，Cr：18.0％～20.0％，Ni：6.0％～8.0％，N：0.1％～0.25％，Cu：2.5％～3.5％，Mo：0.7％～1.5％，P：≤0.035％，S：≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。其中，耐点蚀当量PREN＝(％Cr+3.3％Mo+30％N)＞25。
表1为本发明实施例和对比例的化学成分对照表(质量百分比％)
C Si Mn Cr Ni N Mo Cu PREN
实施例1 0.02 1.5 2 20 6 0.1 0.7 2.5 25.31
实施例2 0.03 1.7 2.5 18.5 6.5 0.18 0.9 2.8 26.87
实施例3 0.04 1.9 2.8 19 7 0.2 1.1 3 28.63
实施例4 0.045 2.2 3 19.5 7.5 0.22 1.3 3.2 30.39
实施例5 0.05 2.5 3.5 18 8 0.25 1.5 3.5 30.45
对比例1(304) 0.04 0.6 1.1 18.5 8.1 0.03 0 0.2 19.4
对比例2(316) 0.038 0.5 1 18.1 10.1 0.04 2.01 0.15 25.933
上述奥氏体不锈钢的制备方法依次包括以下步骤：
1)按照表1中各实施例中的成分配比称量，采用转炉+精炼炉+连铸的生产流程，熔炼浇铸成厚度为180mm～250mm的连铸坯，铸坯的PREN值大于25；
2)将连铸坯加热至目标温度1240±10℃后，保温25～40分钟；
3)通过热轧连轧机组或者炉卷轧机将加热好的板坯轧制到目标厚度，具体地，将步骤2)加热后的板坯热轧卷取、且卷取后水冷，其中，带钢的卷取温度为680℃～750℃，总压下率大于95％；
4)热轧后退火、酸洗，其中，热轧后的退火温度(即热退温度)为1080-1100℃，酸洗温度为50～70℃；
5)冷轧：采用冷连轧机将退火酸洗后的钢卷轧制到目标厚度，也要求冷轧压下量大于50％；
6)冷轧后退火、酸洗，其中，冷轧后的退火温度(即冷退温度)为1060-1080℃，酸洗温度为50～70℃；
7)进行平整处理，采用0.2～0.5％延伸率获得平整的板材，其光泽改善。
浇铸好的板坯经加热、热轧、卷取、冷却、黑皮卷退火酸洗、冷轧、冷轧卷退火酸洗、平整工序后制备成所需目标厚度的成品，其各个实施例的工艺参数具体参见下表2。
表2为表1中各实施例的热轧、卷取温度，热轧退火温度、冷轧退火温度和酸洗温度的对照表
Figure BDA0002309775360000051
通过以上制备方法制备出抗点腐蚀能力和316不锈钢相当的奥氏体不锈钢，从上表1可以看出，本发明各实施例的PREN值要远高于304不锈钢，和316不锈钢相当，同时Ni和Mo元素含量均低于316。如此，本发明所制备的奥氏体不锈钢中贵重金属元素Ni和M o的含量小于316不锈钢，则本发明所制备的奥氏体不锈钢的成本低且抗应力腐蚀和点耐腐蚀性能好。
本发明各个实施例在143℃、42％氯化镁溶液中的裂纹萌生和裂纹扩展时间如下表3所示。
表3为本发明5个实施例和对比例中奥氏体不锈钢在143℃、42％氯化镁溶液中的裂纹萌生和裂纹扩展时间
裂纹萌生时间(min) 裂纹扩展时间(min)
实施例1 285 355
实施例2 290 360
实施例3 295 360
实施例4 305 355
实施例5 300 360
对比例1(304) 150 180
对比例2(316) 300 360
由上表3可以看出：裂纹萌生时间和扩展时间均大于304不锈钢，其裂纹萌生时间和扩展时间基本与316不锈钢的一致。

Claims (2)

1.一种奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：奥氏体不锈钢的化学组分按照质量百分比为C：0.02％～0.05％，Si：1.5％～2.5％，Mn：2.0％～3.5％，Cr：18.0％～20.0％，Ni：6.0％～8.0％，N：0.1％～0.25％，Cu：2.5％～3.5％，Mo：0.7％～1.5％，P：≤0.035％，S：≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，耐点蚀当量PREN＝(％Cr+3.3％Mo+30％N)＞25，所述奥氏体不锈钢在143℃、42％氯化镁溶液中的裂纹萌生时间为285min～305min，裂纹扩展时间为355min～360min，该制备方法依次包括以下步骤：
1)按照上述成分配比称量，熔炼浇铸成连铸坯，铸坯的PREN值大于25，连铸坯的厚度为180mm～250mm；
2)将连铸坯加热至目标温度1240±10℃后，保温25～40分钟；
3)热轧，卷取温度为680～750℃，总压下率大于95％；
将步骤2)加热后的板坯热轧卷取、且卷取后水冷；
4)热轧后退火、酸洗：退火温度为1080-1100℃，酸洗温度为50～70℃；
5)冷轧；
6)冷轧后退火、酸洗：退火温度为1060-1080℃，酸洗温度为50～70℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤6)之后进行平整处理，采用0.2～0.5％延伸率获得平整的板材。
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