CN111334714B - 超低温不锈钢管件材料及其制备方法 - Google Patents

超低温不锈钢管件材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超低温不锈钢管件材料及其制备方法，所述不锈钢管件材料，以重量份为单位，包括以下原料：Fe：54‑78份，Cr：23‑26份，Ni：8‑10份，Mn：2‑5份，Eu：0.3‑0.5份，La：0.1‑0.3份，Ce：0.2‑0.5份，Nd：0.2‑0.3份，Ag：0.12‑0.16份，Cu：0.15‑0.22份，Si：0.2‑0.7份，C：0.01‑0.03份，B：0.004‑0.007份，S：0.005‑0.009份，Cl：0.012‑0.018份；所述不锈钢管件材料是经过原料熔融、混合、浇铸、轧制、去油、矫直、平头、超声波探伤、涡流探伤等步骤制成的。本发明制得的不锈钢管件材料在超低温下具有良好的韧性性能，可广泛推广应用。

Description

超低温不锈钢管件材料及其制备方法
技术领域
本发明属于管件材料制备技术领域，具体涉及一种超低温不锈钢管件材料及其制备方法。
背景技术
由于液化天然气（LNG）运输所用的超低温不锈钢容器和设备的应用，对奥氏体不锈钢钢管件材料提出了很高的要求。
目前大量使用的镍5钢只能在-156℃的条件下使用，不能满足天然气贮存系统在-196℃条件下使用，甚至更低的温度条件下使用要求，因此如何开发一种性能更高的不锈钢材料，以满足应用需求，成为了新的研究方向。
发明内容
本发明提供一种超低温不锈钢管件材料及其制备方法，以解决目前大量使用的镍5钢只能在-156℃的条件下使用，不能满足天然气贮存系统在-196℃条件下使用，甚至更低的温度条件下使用要求的问题。
为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种超低温不锈钢管件材料，以重量份为单位，包括以下原料：Fe：54-78份，Cr：23-26份，Ni：8-10份，Mn：2-5份，Eu：0.3-0.5份，La：0.1-0.3份，Ce：0.2-0.5份，Nd：0.2-0.3份，Ag：0.12-0.16份，Cu：0.15-0.22份，Si：0.2-0.7份，C：0.01-0.03份，B：0.004-0.007份，S：0.005-0.009份，Cl：0.012-0.018份。
进一步地，所述的超低温不锈钢管件材料，以重量份为单位，包括以下原料：Fe：65份，Cr：25份，Ni：9份，Mn：4份，Eu：0.4份，La：0.2份，Ce：0.4份，Nd：0.2份，Ag：0.15份，Cu：0.18份，Si：0.5份，C：0.02份，B：0.006份，S：0.008份，Cl：0.017份。
本发明还提供一种超低温不锈钢管件材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将C，Cl，Fe，Eu混合，升温，制得熔融液a；
（2）将B，S，Cr，Mn，Ce混合，升温，制得熔融液b；
（3）将Cu、Ni，Ag，La，Nd混合，升温，制得熔融液c；
（4）将步骤（1）制得的熔融液a和步骤（2）制得的熔融液b混合均匀，降温，接着加入Si，混合均匀，加入步骤（3）制得的熔融液c，降温，在真空炉中进行熔炼、浇铸钢锭；
（5）将步骤（4）制得的钢锭升温，锻制成锻件；
（6）将步骤（5）制得的锻件进行轧制加工成管件材，进行固溶处理，进行空冷至室温，制得室温下管件材；
（7）将步骤（6）制得的室温下管件材经机械加工成型后，经去油、矫直、平头、超声波探伤、涡流探伤后，制得超低温不锈钢管件材料。
进一步地，步骤（1）中将C，Cl，Fe，Eu混合，升温至1600-1650℃，制得熔融液a。
进一步地，步骤（2）中将B，S，Cr，Mn，Ce混合，升温至1300-1400℃，制得熔融液b。
进一步地，步骤（3）中将Cu、Ni，Ag，La，Nd混合，升温至1750-1850℃，制得熔融液c。
进一步地，步骤（4）中降温至900-1000℃，接着加入Si。
进一步地，步骤（4）中降温至1600-1620℃，在真空炉中进行熔炼、浇铸钢锭。
进一步地，步骤（6）中进行轧制加工成管件材，轧制的温度为1200-1250℃，始锻温度为1150-1180℃，终锻温度为900-1000℃。
进一步地，步骤（6）中固溶处理温度为1030-1080℃，保温时间为0.5-0.8h。
本发明的技术原理：
本发明中通过同时加入Cu、Ni，Ag，La，Nd，使五者与在高温下形成Cu-Ni-Ag-La-Nd合金相，形成的合金相弥散均匀，具有抗超低温效应，不会发生表面原子的氧化。
本发明还加入了B，S，Cl，Si的无机原子体系，可以作为抗氧化剂，提高了不锈钢管件材料的抗氧化性能，元素B在合金表面富集生成致密保护膜隔离Fe与氧的直接接触，S的加入提高合金的韧性，减少合金中的气体和夹杂，Cl的加入能够显著提高抗腐蚀效果，Si能够作为形成大量的异质核心，起到了变质细化主要合金相的作用，从而增强了耐腐蚀性能，该四者无机原子的加入可以有效提高不锈钢管件材料的抗氧化性能、韧性性能和耐腐蚀性能。
本发明通过C，Cl，Fe，Eu合金化，B，S，Cr，Mn，Ce合金化，Cu、Ni，Ag，La，Nd合金化，能够对Fe、Cr通过不同的组分先进行变质改性，同时通过Cu-Ni-Ag-La-Nd形成无限固熔体，然后混合后形成中间态合金，由于无限固熔体的在Fe、Cr中分散性更好，分布更加均匀，具有更好的稳定效果，同时使晶体结构更加有序化排布，导致合金相更加细化，不同相态分散更加均匀，提高致密性，从而提高韧性性能。
本发明通过添加稀土元素Eu，Ce，La，Nd，可实现提高超低温不锈钢管件材料的韧性和耐腐蚀性。
本发明具有以下有益效果：
本发明制得的不锈钢管件材料在-196℃下的冲击功达到109.8-121.6J，而根据GB150-2011规定的不锈钢在-100℃下的冲击功≥31J，可见本发明制得的不锈钢管件材料在超低温下具有良好的韧性性能，可广泛推广应用。
具体实施方式
为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。
在实施例中，所述超低温不锈钢管件材料，以重量份为单位，包括以下原料：Fe：54-78份，Cr：23-26份，Ni：8-10份，Mn：2-5份，Eu：0.3-0.5份，La：0.1-0.3份，Ce：0.2-0.5份，Nd：0.2-0.3份，Ag：0.12-0.16份，Cu：0.15-0.22份，Si：0.2-0.7份，C：0.01-0.03份，B：0.004-0.007份，S：0.005-0.009份，Cl：0.012-0.018份；
所述的超低温不锈钢管件材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将C，Cl，Fe，Eu混合，升温至1600-1650℃，制得熔融液a；
（2）将B，S，Cr，Mn，Ce混合，升温至1300-1400℃，制得熔融液b；
（3）将Cu、Ni，Ag，La，Nd混合，升温至1750-1850℃，制得熔融液c；
（4）将步骤（1）制得的熔融液a和步骤（2）制得的熔融液b在1600-1700℃下混合均匀，降温至900-1000℃，接着加入Si，加热至1750-1850℃，混合均匀，保温1.5-2h，加入步骤（3）制得的熔融液c，保温1.2-1.5h，降温至1600-1620℃，在真空炉中进行熔炼、浇铸钢锭；
（5）将步骤（4）制得的钢锭升温至1200-1250℃，锻制成锻件；
（6）将步骤（5）制得的锻件进行轧制加工成管件材，轧制的温度为1200-1250℃，始锻温度为1150-1180℃，终锻温度为900-1000℃，进行固溶处理，固溶处理温度为1030-1080℃，保温时间为0.5-0.8h，进行空冷至室温，制得室温下管件材；
（7）将步骤（6）制得的室温下管件材经机械加工成型后，经去油、矫直、平头、超声波探伤、涡流探伤后，制得超低温不锈钢管件材料。
下面通过更具体实施例对本发明进行说明。
实施例1
一种超低温不锈钢管件材料，以重量份为单位，包括以下原料：Fe：56份，Cr：24份，Ni：8份，Mn：2份，Eu：0.3份，La：0.1份，Ce：0.2份，Nd：0.2份，Ag：0.12份，Cu：0.15份，Si：0.2份，C：0.01份，B：0.005份，S：0.006份，Cl：0.013份；
所述的超低温不锈钢管件材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将C，Cl，Fe，Eu混合，升温至1620℃，制得熔融液a；
（2）将B，S，Cr，Mn，Ce混合，升温至1330℃，制得熔融液b；
（3）将Cu、Ni，Ag，La，Nd混合，升温至1750℃，制得熔融液c；
（4）将步骤（1）制得的熔融液a和步骤（2）制得的熔融液b在1620℃下混合均匀，降温至900℃，接着加入Si，加热至1760℃，混合均匀，保温2h，加入步骤（3）制得的熔融液c，保温1.2h，降温至1600℃，在真空炉中进行熔炼、浇铸钢锭；
（5）将步骤（4）制得的钢锭升温至1200℃，锻制成锻件；
（6）将步骤（5）制得的锻件进行轧制加工成管件材，轧制的温度为1210℃，始锻温度为1160℃，终锻温度为900℃，进行固溶处理，固溶处理温度为1030℃，保温时间为0.7h，进行空冷至室温，制得室温下管件材；
（7）将步骤（6）制得的室温下管件材经机械加工成型后，经去油、矫直、平头、超声波探伤、涡流探伤后，制得超低温不锈钢管件材料。
实施例2
一种超低温不锈钢管件材料，以重量份为单位，包括以下原料：Fe：65份，Cr：25份，Ni：9份，Mn：4份，Eu：0.4份，La：0.2份，Ce：0.4份，Nd：0.2份，Ag：0.15份，Cu：0.18份，Si：0.5份，C：0.02份，B：0.006份，S：0.008份，Cl：0.017份；
所述的超低温不锈钢管件材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将C，Cl，Fe，Eu混合，升温至1630℃，制得熔融液a；
（2）将B，S，Cr，Mn，Ce混合，升温至1380℃，制得熔融液b；
（3）将Cu、Ni，Ag，La，Nd混合，升温至1790℃，制得熔融液c；
（4）将步骤（1）制得的熔融液a和步骤（2）制得的熔融液b在1620℃下混合均匀，降温至980℃，接着加入Si，加热至1820℃，混合均匀，保温1.8h，加入步骤（3）制得的熔融液c，保温1.4h，降温至1610℃，在真空炉中进行熔炼、浇铸钢锭；
（5）将步骤（4）制得的钢锭升温至1220℃，锻制成锻件；
（6）将步骤（5）制得的锻件进行轧制加工成管件材，轧制的温度为1230℃，始锻温度为1160℃，终锻温度为920℃，进行固溶处理，固溶处理温度为1060℃，保温时间为0.6h，进行空冷至室温，制得室温下管件材；
（7）将步骤（6）制得的室温下管件材经机械加工成型后，经去油、矫直、平头、超声波探伤、涡流探伤后，制得超低温不锈钢管件材料。
实施例3
一种超低温不锈钢管件材料，以重量份为单位，包括以下原料：Fe：75份，Cr：24份，Ni：10份，Mn：3份，Eu：0.5份，La：0.3份，Ce：0.4份，Nd：0.3份，Ag：0.16份，Cu：0.2份，Si：0.6份，C：0.03份，B：0.006份，S：0.008份，Cl：0.017份；
所述的超低温不锈钢管件材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将C，Cl，Fe，Eu混合，升温至1650℃，制得熔融液a；
（2）将B，S，Cr，Mn，Ce混合，升温至1390℃，制得熔融液b；
（3）将Cu、Ni，Ag，La，Nd混合，升温至1850℃，制得熔融液c；
（4）将步骤（1）制得的熔融液a和步骤（2）制得的熔融液b在1700℃下混合均匀，降温至1000℃，接着加入Si，加热至1820℃，混合均匀，保温1.5h，加入步骤（3）制得的熔融液c，保温1.4h，降温至1620℃，在真空炉中进行熔炼、浇铸钢锭；
（5）将步骤（4）制得的钢锭升温至1230℃，锻制成锻件；
（6）将步骤（5）制得的锻件进行轧制加工成管件材，轧制的温度为1240℃，始锻温度为1170℃，终锻温度为970℃，进行固溶处理，固溶处理温度为1060℃，保温时间为0.6h，进行空冷至室温，制得室温下管件材；
（7）将步骤（6）制得的室温下管件材经机械加工成型后，经去油、矫直、平头、超声波探伤、涡流探伤后，制得超低温不锈钢管件材料。
对比例1
与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备超低温不锈钢管件材料的原料中缺少Cu、Ni，Ag，La，Nd。
对比例2
与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备超低温不锈钢管件材料的原料中缺少B，S，Cl，Si。
对比例3
与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备超低温不锈钢管件材料的原料中缺少Eu，Ce，La，Nd。
对实施例1-3和对比例1-3制得的不锈钢管件材料采用GB150-2011标准检测-196℃下的冲击功，结果如下表所示。
实验项目 冲击功（J）
实施例1 109.8
实施例2 121.6
实施例3 113.7
对比例1 85.9
对比例2 97.1
对比例3 76.4
由上表可知：
（1）实施例1-3制得的不锈钢管件材料在-196℃下的冲击功达到109.8-121.6J，而根据GB150-2011规定的不锈钢在-100℃下的冲击功≥31J，可见本发明制得的不锈钢管件材料在超低温下具有良好的韧性性能。
（2）由实施例2和对比例1的数据可见，制备超低温不锈钢管件材料的原料中缺少Cu、Ni，Ag，La，Nd，降低了冲击功，这可能是通过Cu-Ni-Ag-La-Nd形成无限固熔体，然后混合后形成中间态合金，由于无限固熔体的在Fe、Cr中分散性更好，分布更加均匀，具有更好的稳定效果，同时使晶体结构更加有序化排布，导致合金相更加细化，不同相态分散更加均匀，提高致密性，从而提高韧性性能，进而提高冲击功。
（3）由实施例2和对比例2的数据可见，制备超低温不锈钢管件材料的原料中缺少B，S，Cl，Si，降低了冲击功，这可能是加入了B，S，Cl，Si的无机原子体系，可以作为抗氧化剂，提高了不锈钢管件材料的抗氧化性能，元素B在合金表面富集生成致密保护膜隔离Fe与氧的直接接触，S的加入提高合金的韧性，减少合金中的气体和夹杂，Cl的加入能够显著提高抗腐蚀效果，Si能够作为形成大量的异质核心，起到了变质细化主要合金相的作用，从而增强了耐腐蚀性能，该四者无机原子的加入可以有效提高不锈钢管件材料的抗氧化性能、韧性性能和耐腐蚀性能，进而提高冲击功。
（4）由实施例2和对比例3的数据可见，制备超低温不锈钢管件材料的原料中缺少Eu，Ce，La，Nd，降低了冲击功，这可能是本发明通过添加稀土元素Eu，Ce，La，Nd，可实现提高超低温不锈钢管件材料的韧性和耐腐蚀性，进而提高冲击功。
以上内容不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种超低温不锈钢管件材料，其特征在于，以重量份为单位，包括以下原料：Fe：54-78份，Cr：23-26份，Ni：8-10份，Mn：2-5份，Eu：0.3-0.5份，La：0.1-0.3份，Ce：0.2-0.5份，Nd：0.2-0.3份，Ag：0.12-0.16份，Cu：0.15-0.22份，Si：0.2-0.7份，C：0.01-0.03份，B：0.004-0.007份，S：0.005-0.009份，Cl：0.012-0.018份。
2.根据权利要求1所述的超低温不锈钢管件材料，其特征在于，以重量份为单位，包括以下原料：Fe：65份，Cr：25份，Ni：9份，Mn：4份，Eu：0.4份，La：0.2份，Ce：0.4份，Nd：0.2份，Ag：0.15份，Cu：0.18份，Si：0.5份，C：0.02份，B：0.006份，S：0.008份，Cl：0.017份。
3.一种根据权利要求1或2所述的超低温不锈钢管件材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将C，Cl，Fe，Eu混合，升温，制得熔融液a；
（2）将B，S，Cr，Mn，Ce混合，升温，制得熔融液b；
（3）将Cu、Ni，Ag，La，Nd混合，升温，制得熔融液c；
（4）将步骤（1）制得的熔融液a和步骤（2）制得的熔融液b混合均匀，降温，接着加入Si，混合均匀，加入步骤（3）制得的熔融液c，降温，在真空炉中进行熔炼、浇铸钢锭；
（5）将步骤（4）制得的钢锭升温，锻制成锻件；
（6）将步骤（5）制得的锻件进行轧制加工成管件材，进行固溶处理，进行空冷至室温，制得室温下管件材；
（7）将步骤（6）制得的室温下管件材经机械加工成型后，经去油、矫直、平头、超声波探伤、涡流探伤后，制得超低温不锈钢管件材料。
4.根据权利要求3所述的超低温不锈钢管件材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中将C，Cl，Fe，Eu混合，升温至1600-1650℃，制得熔融液a。
5.根据权利要求3所述的超低温不锈钢管件材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中将B，S，Cr，Mn，Ce混合，升温至1300-1400℃，制得熔融液b。
6.根据权利要求3所述的超低温不锈钢管件材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中将Cu、Ni，Ag，La，Nd混合，升温至1750-1850℃，制得熔融液c。
7.根据权利要求3所述的超低温不锈钢管件材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中降温至900-1000℃，接着加入Si。
8.根据权利要求3所述的超低温不锈钢管件材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中降温至1600-1620℃，在真空炉中进行熔炼、浇铸钢锭。
9.根据权利要求3所述的超低温不锈钢管件材料的制备方法，其特征在于，步骤（6）中进行轧制加工成管件材，轧制的温度为1200-1250℃，始锻温度为1150-1180℃，终锻温度为900-1000℃。
10.根据权利要求3所述的超低温不锈钢管件材料的制备方法，其特征在于，步骤（6）中固溶处理温度为1030-1080℃，保温时间为0.5-0.8h。
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