CN111534754A - 一种低偏析敏感性低磁不锈钢及其制造方法 - Google Patents

一种低偏析敏感性低磁不锈钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种低偏析敏感性低磁不锈钢及其制造方法，属于不锈钢材料技术领域。该不锈钢成分重量百分数为：C≤0.040，0.20≤N＜0.50，20.00≤Cr＜23.00，12.00≤Ni＜15.00，2.00≤Mo＜2.50，4.00≤Mn＜6.00，0.05≤Nb＜0.12，Si≤1.00，P≤0.035，S≤0.030，余量为Fe。工采用电炉+氩氧脱碳炉外精炼+连铸的方法制得连铸坯，连铸坯通过高温热处理炉加热并保温，连铸坯保温结束出炉后立即经过连续热轧加工为热轧板材，将热轧板材通过高温热处理炉进行固溶处理，固溶处理后立即水冷。优点在于，通过合理调Nb、Mo等元素的含量和工艺参数，使该低偏析敏感性低磁不锈钢具有更低的偏析敏感性，并保证了良好的强度、塑性、韧性和耐蚀性能。

Description

一种低偏析敏感性低磁不锈钢及其制造方法
技术领域
本发明属于不锈钢材料技术领域，特别是涉及一种低偏析敏感性低磁不锈钢及其制造方法。
背景技术
低磁不锈钢材料广泛应用于对磁导率性能和耐腐蚀性能有较高要求的码头、基站、船体等结构材料领域，是在传统的Cr-Ni型奥氏体不锈钢的基础上演变而来的。为了满足其独特的应用性能要求，与一般的低磁合金钢和Cr-Ni型奥氏体不锈钢相比，低磁不锈钢具有以下显著的性能优势：
1、更加稳定的低磁性。低磁不锈钢通过加入足量的Ni、N元素，显著提升了合金体系中的奥氏体稳定化元素当量，使其具有更加优良的奥氏体稳定性，因此其低磁性更为稳定。
2、更高的强度和优良的塑韧性。低磁不锈钢通过间隙元素强化和细晶强化的复合强化手段来提升其强度。一方面在合金体系中固溶了适量的N元素，对奥氏体面心立方晶格起到显著的间隙强化作用，另一方面在合金体系中加入了一定量的Nb元素来细化铸造态组织，同时避免在加热过程中奥氏体晶粒的过分长大，达到细晶强化的目的。这种复合强化的手段不仅可以有效提升低磁不锈钢的强度，同时使其保持了良好的塑性和韧性。
3、更优异的耐蚀性能。低磁不锈钢通过提升Cr、Mo含量，并加入适量的N元素来大幅度提升其耐均匀腐蚀性能和局部腐蚀性能。其点蚀当量值是普通18-8型Cr-Ni奥氏体不锈钢的1.5-2倍。
目前低磁不锈钢板材的大规模工业化生产主要采取连铸连轧的方式进行，现有的工业化生产过程中最大的问题是连铸过程中会出现严重的连铸坯中心偏析。此类偏析主要是由于现有低磁不锈钢材料成分体系中的较高含量的Nb元素和Mo元素在2000℃以上形成稳定的二元连续固溶体高温相，其在钢液中大量弥散存在，再加上浇铸凝固过程中温度场控制不当，Nb-Mo二元连续固溶体颗粒在液固界面不断的局部富集而产生的。由于这种Nb-Mo高温相具有远高于低磁不锈钢熔点的生成温度，因此在低磁不锈钢的后续固溶处理过程中无法消除，导致低磁不锈钢的局部热塑性急剧恶化，从而在后续热加工过程中产生大量的缺陷。与现有条件相比，本发明通过合理调整低磁不锈钢中Nb、Mo等元素的含量和制造工艺参数，使本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢具有更低的偏析敏感性，进一步保证了良好的强度、塑性、韧性和耐蚀性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低偏析敏感性低磁不锈钢及其制造方法，与现有技术条件相比，通过合理调整低磁不锈钢中Nb、N、Mo等元素的含量和制造工艺参数，使本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢具有更低的偏析敏感性，进一步保证了良好的强度、塑性、韧性和耐蚀性能。
本发明的一种低偏析敏感性低磁不锈钢的各元素重量百分比为：C≤0.040，0.20≤N＜0.50，20.00≤Cr＜23.00，12.00≤Ni＜15.00，2.00≤Mo＜2.50，4.00≤Mn＜6.00，0.05≤Nb＜0.12，Si≤1.00，P≤0.035，S≤0.030，余量为Fe。
本发明的一种低偏析敏感性低磁不锈钢的制造方法，包含以下工艺步骤：
(1)依据下列元素重量百分比熔炼钢水：C≤0.040，0.20≤N＜0.50，20.00≤Cr＜23.00，12.00≤Ni＜15.00，2.00≤Mo＜2.50，4.00≤Mn＜6.00，0.05≤Nb＜0.12，Si≤1.00，P≤0.035，S≤0.030，余量为Fe；
(2)采用电炉+氩氧脱碳炉外精炼+连铸的方法制得连铸坯；
(3)连铸坯通过高温热处理炉加热并保温；
(4)连铸坯保温结束出炉后立即经过连续热轧加工为热轧板材；
(5)将热轧板材通过高温热处理炉进行固溶处理；
(6)固溶处理后立即水冷。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，步骤(2)中所述连铸过程的浇铸温度为1490℃～1520℃。
进一步，步骤(3)中所述高温热处理炉加热和保温温度为1120℃～1150℃。
进一步，步骤(4)中所述连续热轧的终轧温度为不低于980℃。
进一步，步骤(5)中所述固溶处理的温度为1020℃～1050℃。
进一步，步骤(6)中所述固溶处理后至水冷之间的时间间隔不超过1min。
本发明的有益效果是：通过合理调整低磁不锈钢中Nb、Mo等元素的含量和制造工艺参数，使本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢具有更低的偏析敏感性，进一步保证了良好的强度、塑性、韧性和耐蚀性能。
附图说明
图1为本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢典型的铸锭心部Nb-Mo高温相偏析低倍组织照片图。
图2为本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢典型的铸锭心部Nb-Mo高温相偏析物扫描电镜照片图。
图3为Nb-Mo合金二元相图。
图4为Nb元素和Mo元素对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢Nb-Mo高温相中心偏析比的影响示意图。
图5为本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢铸锭基体中典型的奥氏体化转变后的胞状组织扫描电镜照片图。
图6为本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢铸锭激光表面重熔区域与基体间过渡区域的扫描电镜照片图。
图7为本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢铸锭激光表面重熔区域中典型的快速凝固组织扫描电镜照片图。
图8为本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢铸锭激光表面重熔区域中典型的初生相晶间Nb-Mo高温相偏析物的扫描电镜照片图。
图9为本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢铸锭激光表面重熔区域中典型的初生相晶间Nb-Mo高温相偏析物的能谱分析图。
图10为本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢铸锭激光表面重熔区域中典型的初生相晶内组织的能谱分析图。
图11为Nb元素和Mo元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢铸锭激光表面重熔区域初生相晶间Nb-Mo高温相偏析物体积分数的影响示意图。
图12为Nb元素和Mo元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢初轧板材中部室温延伸率的影响示意图。
图13为Nb元素和Mo元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢初轧板材中部室温冲击功的影响示意图。
图14为Nb元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢板材屈服强度的影响示意图。
图15为Nb元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢板材抗拉强度的影响示意图。
图16为Mo元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢点蚀电位的影响示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1：Nb元素和Mo元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢铸锭Nb-Mo高温相中心偏析的影响
在低磁不锈钢浇铸过程中，由于铸锭的表面过冷度较大，凝固过程从铸锭表面逐步向铸锭心部发展。Nb元素和Mo元素在2000℃以上可形成稳定的连续固溶体高温相，而本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢钢液的理论凝固初始温度一般为1410℃左右，因此Nb-Mo高温相在钢液中即可以弥散颗粒物的形式存在，并且在低磁不锈钢凝固过程中随着液固界面的推移而不断在凝固初生相晶间富集，直至凝固终了时在铸锭心部形成较为明显的偏析区域(图1)。在扫描电镜下可以清晰地看到铸锭心部存在的Nb-Mo高温相偏析物的微观形貌(图2)。
根据Nb-Mo合金二元相图可以看出(图3)，Nb-Mo高温相的产生受到Nb元素和Mo元素含量的显著影响。因此本实施例研究了不同的Nb元素和Mo元素的含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢铸锭Nb-Mo高温相中心偏析的影响，本实施例用于表征中心偏析程度的指标为偏析比t/T，是一个无量纲比值，其中t为Nb-Mo高温相偏析区域的厚度，T为铸锭坯料的厚度，单位均为mm。制备了不同Nb元素和Mo元素含量的本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢样品H-1至H-16(表1)铸锭，经过相同的制备工艺参数的凝固过程后，利用低倍组织观察、扫描电镜和偏析比数据统计方法研究了各样品中Nb元素和Mo元素含量对其Nb-Mo高温相偏析的影响。
表1本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢样品H-1至H-16化学成分(wt.％)余量Fe
元素种类 Nb Mo N Cr Ni Mn
H-1 0.0602 0.7101 0.31 21.25 14.87 5.26
H-2 0.0605 1.4058 0.29 21.06 14.56 5.23
H-3 0.0612 2.1364 0.30 20.98 14.44 5.24
H-4 0.0608 2.8105 0.29 22.01 14.23 5.26
H-5 0.1227 0.7114 0.28 21.68 14.57 5.18
H-6 0.1214 1.4125 0.26 21.87 14.62 5.32
H-7 0.1208 2.1005 0.30 21.35 14.32 5.33
H-8 0.1231 2.8245 0.31 22.01 14.54 5.24
H-9 0.1887 0.7132 0.29 21.69 14.87 5.26
H-10 0.1796 1.4261 0.28 21.84 14.88 5.24
H-11 0.1804 2.1146 0.29 21.65 14.68 5.21
H-12 0.1816 2.8006 0.30 21.43 14.82 5.20
H-13 0.2387 0.7084 0.27 21.22 14.32 5.19
H-14 0.2415 1.4012 0.29 21.56 14.56 5.54
H-15 0.2426 2.1338 0.29 22.04 14.58 5.42
H-16 0.2435 2.7968 0.28 21.89 14.92 5.33
研究结果表明：在Mo元素含量一定的情况下，随着Nb元素含量从约0.06wt.％增加至约0.24wt.％，Nb-Mo高温相偏析比急剧增大，这表明Nb-Mo高温相中心偏析层的范围急剧增大，偏析现象显著加剧。在Nb元素含量一定的情况下，随着Mo元素含量从0.7wt.％左右增加至2.8wt.％左右时，Nb-Mo高温相偏析比也显著上升，而且当Nb元素的含量越高，这种上升的趋势越明显(图4)。因此为了将Nb-Mo高温相中心偏析的偏析比控制在0.01以下，需要对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢中的Nb元素和Mo元素含量进行合理控制。
实施例2：Nb元素和Mo元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢凝固初生相晶间Nb-Mo高温相偏析的影响
在实施例1中通过观察铸锭心部低倍组织的方法对不同Nb元素和Mo元素含量的本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢的Nb-Mo高温相偏析的影响进行了研究。这表征的是铸锭的凝固过程彻底完成后，其心部Nb-Mo高温相颗粒的分布情况。在本实施例中，通过激光表面重熔快速凝固的方法和扫描电镜手段对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢的快速凝固组织初生相中Nb-Mo高温相颗粒的分布进行了观察和分析，其特点是在很大程度上保留了初生相的组织形态，更为精确地反映出Nb-Mo高温相颗粒在钢液初始凝固过程中的分布情况。
制备了不同Nb元素和Mo元素含量的本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢样品H-1至H-16(表1)铸锭，经过相同的制备工艺参数的凝固过程和激光表面重熔后，利用扫描电镜、能谱分析和晶间偏析层体积分数统计方法研究了各样品中Nb元素和Mo元素含量对其凝固初生相晶间Nb-Mo高温相偏析的影响。
研究结果表明：在本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢的铸锭基体中呈现出典型的奥氏体化转变后的胞状凝固组织(图5)，而激光表面重熔区域的组织形态与基体完全不同(图6)。由于激光表面重熔后，重熔区域为快速凝固组织，其液相凝固转变和冷却过程的速度极快，因此激光重熔区域中的胞状凝固组织均较为细小(图7)，其区域范围直径约为5μm。在胞状组织晶界位置存在大量的连续偏析物层，其体积分数较大(图8)。经过能谱分析后显示该晶界偏析物层中的Nb元素含量高达1.72wt.％左右，Mo元素含量高达3.49wt.％左右(图9)，而该样品胞状组织内部基体的Nb元素含量仅为0.21wt.％左右，Mo元素含量仅为2.05wt.％左右(图10)，与该样品的冶炼化学成分接近。表明胞状组织晶界处发生了较为明显的Nb-Mo高温相偏析现象。
进一步对所有样品激光表面重熔区域胞状组织晶间Nb-Mo高温相偏析物的形貌数据统计分析表明：在Mo元素含量一定的情况下，随着Nb元素含量从约0.06wt.％增加至约0.24wt.％，Nb-Mo高温相偏析物的体积分数急剧增大，偏析现象显著加剧。在Nb元素含量一定的情况下，随着Mo元素含量从0.7wt.％左右增加至2.8wt.％左右时，Nb-Mo高温相偏物的体积分数也显著上升(图11)。因此为了避免在初始凝固过程中发生较明显的Nb-Mo高温相偏析，需要对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢中的Nb元素和Mo元素含量进行合理控制，Mo元素含量以不高于2.5wt.％为宜。
实施例3：Nb元素和Mo元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢塑性的影响
金属材料在变形加工过程中需要具有足够的塑性变形能力，从而避免变形过程中发生局部开裂现象。由于本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢铸锭中可能存在Nb-Mo高温相偏析物，可能导致后续热轧变形过程中在板材心部产生较多的微裂纹、微孔洞等变形缺陷。因此本实施通过在初轧板坯心部取样的方法进行了不同Nb元素和Mo元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢塑性的影响规律研究。
制备了不同Nb元素和Mo元素含量的本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢样品H-1至H-16(表1)铸锭，经过相同的制备工艺参数的凝固过程和初轧加工后，在初轧板材心部取样，利用室温拉伸性能测试和室温延伸率数据统计的方法研究了各样品中Nb元素和Mo元素含量对其室温塑性的影响。
研究结果表明：在Mo元素含量一定的情况下，随着Nb元素含量从约0.06wt.％增加至约0.24wt.％，室温延伸率逐渐降低，在Nb元素含量高于0.12wt.％时，室温延伸率的下降趋势较为明显(图12)，由40％以上急剧下降至25％以下。在Nb元素含量一定的情况下，随着Mo元素含量从0.7wt.％左右增加至2.8wt.％左右时，室温延伸率也呈现较为规则的下降趋势。因此为了保持板材心部具有良好的塑性变形能力，需要对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢中的Nb元素和Mo元素含量进行合理控制，Nb元素含量以不高于0.12wt.％为宜。
实施例4：Nb元素和Mo元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢冲击性能的影响
塑性和韧性都是反映金属材料塑性变形能力的指标，前者以变形量的形式来衡量，后者以冲击吸收能量的形式来衡量。实施例3中以塑性指标室温延伸率的形式反映了本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢的塑性变形能力，在本实施例中将以韧性指标冲击吸收功(简称冲击功)的形式反映其塑性变形能力。本实施通过在初轧板坯心部取样的方法进行了不同Nb元素和Mo元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢冲击吸收功的影响规律研究。
制备了不同Nb元素和Mo元素含量的本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢样品H-1至H-16(表1)铸锭，经过相同的制备工艺参数的凝固过程和初轧加工后，在初轧板材心部取样，利用室温V型缺口冲击性能测试和冲击吸收功KV2值数据统计的方法研究了各样品中Nb元素和Mo元素含量对其室温冲击性能的影响。
研究结果表明：在Mo元素含量一定的情况下，随着Nb元素含量从约0.06wt.％增加至约0.24wt.％，室温冲击功KV2值逐渐降低，尤其在Nb元素含量高于0.18wt.％时，室温冲击功KV2值的下降趋势较为明显(图13)，由100J以上急剧下降至60J以下。另一方面，在Nb元素含量一定的情况下，随着Mo元素含量从0.7wt.％左右增加至2.8wt.％左右时，室温冲击功KV2值也呈现较为规则的下降趋势。尤其当Nb含量较高时，这种下降的趋势更为明显。因此为了保持板材心部具有良好的冲击性能，需要对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢中的Nb元素和Mo元素含量进行合理控制，Nb元素含量以不高于0.18wt.％、Mo元素含量以不高于2.5wt.％为宜。
实施例5：Nb元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢强度的影响
与大多数含Nb奥氏体不锈钢材料一样，在本发明中一种低偏析敏感性低磁不锈钢中加入Nb元素的目的是为了细化晶粒，提升基体的强度的同时还能保持良好的塑性。然而由于本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢的化学成分特殊，其中含有较高的Mo、N、Cr、Ni等元素，因此Nb元素的加入量需要进行合理控制，达到显著的细晶强化效果即可，防止由于Nb元素过量而导致的大量含Nb第二相的生成，避免钢的脆性现象和热加工开裂。本实施通过在成品板取样的方法进行了不同Nb元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢室温屈服强度和抗拉强度的影响规律研究。
制备了不同Nb元素含量的本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢样品H-3、H-7、H-11、H-15(表1)铸锭，经过相同的制备工艺参数的凝固过程和初轧、精轧加工后，在精轧成品板材取样，利用室温拉伸性能测试和屈服强度、抗拉强度数据统计的方法研究了各样品中Nb元素含量对其室温强度的影响。
研究结果表明：1)随着本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢样品中Nb元素含量的升高，其室温屈服强度和抗拉强度也逐渐升高。尤其当Nb元素含量从约0.06wt.％增加至约0.12wt.％后，其室温屈服强度值可达约440MPa(图14)，抗拉强度值可达约660MPa(图15)。随后当Nb元素进一步升高至0.18wt.％和0.24wt.％后，室温屈服强度和抗拉强度进一步升高，但上升趋势缓慢。2)当Nb元素含量仅为0.06％时，本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢板材的室温屈服强度和抗拉强度不仅较低，而且其离散度较大，表明其内部微观组织均匀性差、导致其强度波动较大。因此为了确保成品板材具有优异且稳定的室温强度，需要对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢中的Nb元素含量进行合理控制，Nb元素含量以不低于0.06wt.％为宜。
实施例6：Mo元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢点蚀性能的影响
本实施通过在成品板取样的方法进行了不同Mo元素含量对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢点蚀性能的影响规律研究。制备了不同Mo元素含量的本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢样品H-5至H-8(表1)铸锭，经过相同的制备工艺参数的凝固过程和初轧、精轧加工后，在精轧成品板材取样，利用电化学点蚀测试和不同pH值的电解质溶液中点蚀电位数据统计的方法研究了各样品中Mo元素含量对其点蚀性能的影响。
研究结果表明：随着本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢样品中Mo元素含量的升高，其在不同pH值的电解质溶液中的点蚀电位也逐渐升高，表明其耐点蚀性能逐渐增强(图16)。当Mo元素含量低于1.4wt.％时，其在pH值为4-7的电解质溶液中的点蚀电位仅为250-500mV。当Mo元素含量增加至约2.1wt.％以上后，其在所有pH值条件的电解质溶液中的点蚀电位均显著提高至600mV以上，最高可达800mV以上。因此为了确保成品板材具有优异且稳定的点蚀性能，需要对本发明一种低偏析敏感性低磁不锈钢中的Mo元素含量进行合理控制，Mo元素含量以不低于0.20wt.％为宜。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低偏析敏感性低磁不锈钢，其特征在于，各元素重量百分比为：C≤0.040，0.20≤N＜0.50，20.00≤Cr＜23.00，12.00≤Ni＜15.00，2.00≤Mo＜2.50，4.00≤Mn＜6.00，0.05≤Nb＜0.12，Si≤1.00，P≤0.035，S≤0.030，余量为Fe。
2.一种权利要求1所述的低偏析敏感性低磁不锈钢的制造方法，其特征在于，工艺步骤为：
(1)依据下列元素重量百分比熔炼钢水：C≤0.040，0.20≤N＜0.50，20.00≤Cr＜23.00，12.00≤Ni＜15.00，2.00≤Mo＜2.50，4.00≤Mn＜6.00，0.05≤Nb＜0.12，Si≤1.00，P≤0.035，S≤0.030，余量为Fe；
(2)采用电炉+氩氧脱碳炉外精炼+连铸的方法制得连铸坯；
(3)连铸坯通过高温热处理炉加热并保温；
(4)连铸坯保温结束出炉后立即经过连续热轧加工为热轧板材；
(5)将热轧板材通过高温热处理炉进行固溶处理；
(6)固溶处理后立即水冷。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述连铸过程的浇铸温度为1490℃～1520℃。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述高温热处理炉加热和保温温度为1120℃～1150℃。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述连续热轧的终轧温度为不低于980℃。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(5)中所述固溶处理的温度为1020℃～1050℃。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(6)中所述固溶处理后至水冷之间的时间间隔不超过1min。
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