CN112458367A

CN112458367A - 一种高强度耐晶间腐蚀孪生诱发塑性奥氏体不锈钢

Info

Publication number: CN112458367A
Application number: CN202011273965.XA
Authority: CN
Inventors: 赵吉庆; 杨钢; 包汉生; 何西扣; 刘正东; 王立民; 曾泽瑶
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2020-11-14
Filing date: 2020-11-14
Publication date: 2021-03-09
Anticipated expiration: 2040-11-14
Also published as: CN112458367B

Abstract

一种高强度耐晶间腐蚀孪生诱发塑性奥氏体不锈钢，化学成分按重量百分比为：C≤0.02％、Si：1.00％～3.00％、Mn：22.00％～28.00％、P≤0.015％、S≤0.010％、Ni：2.00％～4.00％、Cr：16.00％～20.00％，N：0.4％～0.8％，余量为Fe和不可避免的杂质。经1050℃～1150℃固溶处理后，在不小于5％的冷变形下即可产生明显的TWIP效应，抗拉强度850～950MPa，屈服强度450～550MPa，延伸率≥50％，按GB/T4338 E法试验，无敏化态晶间腐蚀裂纹。优点在于，有助于解决TWIP不锈钢耐蚀性不足与常用300系不锈钢强度不足的问题；固溶处理后，能够同时获得高强度与高耐蚀性。

Description

一种高强度耐晶间腐蚀孪生诱发塑性奥氏体不锈钢

技术领域

本发明涉及奥氏体不锈钢技术领域，特别涉及一种高强度耐晶间腐蚀孪生诱发塑性奥氏体不锈钢。

背景技术

孪生诱发塑性，即TWIP效应，是指应变诱发形变孪晶，切割细化晶粒，从而引起Hall-Petch效应，不仅能提高强度，同时也促使应变向较低的区域转移，发生均匀、颈缩延伸，提高塑性。TWIP钢是钢铁材料的一次重大突破，可以同时获得较高的强度与塑性，强塑积一般在50GPa.％以上，在航空、航天、汽车工业、石油化工等领域具有非常大的应用价值。

TWIP钢的强化来源于TWIP效应，而TWIP效应发生与否，主要取决于层错能(SFE)，普遍认为，SFE在20～40mJ/m²范围，孪生成为塑性变形的主要机制。Mn元素是控制层错能的关键因素，因此TWIP钢中一般含较高含量的Mn，例如典型的Fe-Mn-C与Fe-Mn-Si-Al系TWIP钢。由于Mn元素对提高耐蚀性能的作用不大，早期的TWIP钢并不耐腐蚀，近年来，研究人员引入耐蚀元素Cr，以及抗点蚀元素N，开发出Fe-Mn-Cr-C-N系TWIP不锈钢，见表1。可以发现，现有TWIP不锈钢Cr含量最高达到20％，耐均匀腐蚀能力得到提高，但C含量普遍>0.15％，不锈钢C含量超过0.03％，容易发生敏化态晶间腐蚀，现有的Fe-Mn-Cr-C-N系TWIP不锈钢的耐晶间腐蚀能力普遍不足。

表1典型TWIP不锈钢的成分与性能

降低C含量是提高耐蚀性的有效途径，但由表1的数据也要以看出，Fe-Mn-Cr-C-N钢中，C含量下降后，强度也随之明显降低。另外C含量大幅度下降后，钢的Ni当量下降，奥氏体的稳定性变差，对酸性环境下的抗晶间腐蚀性能不利。

石油化工等腐蚀性服役环境下，用量最大的是300系不锈钢，如304、316，酸性环境下，通过采用超低碳的304L、316L。由于C含量小于0.03％，超低碳的奥氏体不锈钢强度不高，无法作为承力结构件使用。现有的含Cr-TWIP不锈钢虽然强度高，但耐晶间腐蚀性能不足，也难以应用到酸性环境，目前耐蚀承力件多采用成本高的耐蚀合金。由此可见现有技术钢种无法同时实现高强度、耐晶间腐蚀蚀性能与成本可控，本发明在现有技术钢种的基础上设计一种新材料，与304L耐蚀性相当，与TWIP不锈钢强度相当，实现高强度与耐晶间腐蚀的匹配，且成本可控，作为石化领域耐蚀承力结构件的候选材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度耐晶间腐蚀孪生诱发塑性奥氏体不锈钢，即具有高强度和耐晶间腐蚀的孪生诱发塑性Fe-Mn-Cr-Ni-Si-N系奥氏体不锈钢，成分见表2。在普通TWIP不锈钢的基础上，将C含量降低到超低C水平，降低敏化态晶间腐蚀敏感性；添加Ni元素稳定奥氏体相，提高钝化膜的稳定性；添加Si元素，提高氧化环境下抗晶间腐蚀性能；调控N、Mn含量，匹配Ni当量与层错能，获得单相奥氏体组织与TWIP效应。本发明钢种固溶处理后，在不小于5％冷变形作用下即可产生TWIP效应，提高强度，能够同时具有TWIP不锈钢的强度水平与304L不锈钢的耐腐蚀性能，为石油化工领域提供一种具有高强度、耐腐蚀，且成本可控的不锈钢材料。

表2本发明TWIP不锈钢化学成分(wt.％)

根据上述目的与技术原理，本发明的技术方案为：在Fe-Mn-Cr-C-N不锈钢钢的基础上，将C含量降至不大于0.02％，添加2％～4％Ni、1％～3％Si元素，22％～28％Mn，0.4％～0.8％N。本发明在不小于5％的冷变形下即可产生明显的TWIP效应，1050℃～1150℃固溶处理工艺下，抗拉强度850～950MPa，屈服强度450～550MPa，延伸率(δ5)≥50％，并且按GB/T4338 E法试验，无敏化态晶间腐蚀裂纹，能够实现同时具有高强度与耐蚀性的目标。

本发明的技术工艺原理如下：

(1)C是奥氏体形成元素，在奥氏体不锈钢中，C含量增加能够提高奥氏体的稳定性与强度。含Cr奥氏体不锈钢中，C含量增加能够促进晶界M₂₃C₆相的析出，引起晶界贫Cr，导致晶间腐蚀发生。一般认为C含量低于0.03％可以避免敏化态晶腐蚀，但这仅局限于一定介质和温度，只有最大限度的降低C含量，才能有效的降低敏化态晶间腐蚀。与此同时，降低C含量，不锈钢的强度也会大幅度下降。为提高耐敏化态晶间腐蚀能力，本发明C含量控制不大于0.02％。

(2)N也是奥氏体形成元素，在超低C不锈钢中添加N可以稳定奥氏体相，同时产生固溶强化作用，提高材料强度。不锈钢中，添加N元素，还能够提高耐点蚀性能，另外N元素提高材料的层错能，有利于TWIP效应的产生。由于N元素过高，会严重影响材料的冶炼与加工性能，因此N含量上限一般不应超过0.8％。

(3)Cr元素是不锈钢中最重要的耐蚀元素，不锈钢中Cr含量一般不小于12％，Cr含量增加，能够提高不锈钢的自钝化能力，从而提高耐蚀性。Cr是铁素体形成元素，加入量过多会形成α-相，也容易增加富Cr相的析出倾向，导致韧性下降。因此Cr的加入量需要控制上限，本发明Cr的加入量16％～20％。

(4)Mn是较弱的奥氏体形成元素，但稳定奥氏体作用强烈。低成本的无Ni或少Ni奥氏体不锈钢中，Mn是主要的奥氏体化合金元素。Mn对控制层错能具有关键作用，研究发现，Mn含量15％～20％之间有利于TRIP效应，Mn含量20％～30％之间有利于TWIP效应，Mn含量大于25％的单相奥氏钢中，TWIP效应是主要的变形方式。本发明添加22％～28％Mn元素，平衡Ni当量，调控层错能，形成单相奥氏体组织，并具有显著的TWIP效应。

(5)Ni的主要作用是稳定奥氏体相，提高不锈钢在低温下的韧性，与此同时，Ni元素还能提高钝化膜的强度与韧性，从而提高抗晶间腐蚀能力。Ni元素对层错能的作用不大，300系Cr-Ni不锈钢室温下难以发生TWIP效应。Fe-Mn-Cr-Ni-Si-N钢中加入2％～4％Ni稳定奥氏体相。

(6)Si是铁素体形成元素，不锈钢中Si含量<1％，是作为杂质元素存在，Si含量>1％，是作为合金元素存在。不锈钢中增加>1％Si元素，能够形成玻璃态的富Si钝化膜，降低氧化环境下的晶间腐蚀敏感性。Si元素的加入会降低层错能，Si-Mn含量调控合适，能够促进初生孪晶和二次孪晶的产生，提高材料的应变硬化能力。本发明加入1％～3％S，不仅能够提高抗晶间腐蚀性能，还能够提高强度。

(8)1050℃～1150℃固溶处理，获得单相奥氏体，合金元素有效固溶于基体，提高耐晶间腐蚀性能。固溶处理后，在不小于5％的冷变形下即可产生明显的TWIP效应，提高强度。

本发明的有益效果：与现有技术相比，降低C含量，增加少量Si、Ni元素，调整Mn、N元素，对成本影响不大，固溶处理后，能够同时获得高强度与高耐蚀性。

附图说明

图1为本实施例钢种显微组织形貌图。

图2为Fe-Mn-12％Cr-C-N钢晶间腐蚀试验后的宏观形貌图。

图3为本实施例钢种晶间腐蚀试验弯曲前的宏观形貌图。

图4为本实施例钢种晶间腐蚀试验弯曲后的宏观形貌图。

图5为本实施例钢种晶间腐蚀后的截面金相组织。

图6为304L不锈钢种晶间腐蚀后的截面金相组织。

具体实施方式

实施例：在Fe-Mn-12％Cr-C-N钢的基础上，将C含量降低至超低碳水平，提高Cr含量至16％～20％，增加2％～4％Ni元素、1％～3％Si元素，调控Mn、N元素，冶炼本发明实施例Fe-Mn-Cr-Ni-Si-N系TWIP不锈钢，成分见表3，经计算层错能约49mJ/m²。

表3本发明实施例不锈钢化学成分(wt.％)

C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	N
								0.018	23.98	1.12	0.008	0.005	19.02	3.99	0.60

采用50kg真空炉冶炼试验钢，锻造成

的棒材，棒材取样进行1050℃×40min固溶处理。采用

试样，以1mm/min的速率进行拉伸试验，采用10×10×55mm试样，室温下进行V型冲击试验。本实施例钢种与现有技术钢种力学性能对比，见表4。本发明实施例不锈钢的力学性能能够达到现有TWIP不锈钢的强、塑性水平，强度较304系列不锈钢明显提升，冲击韧性略高于现有技术钢种。

表4本发明实施例与现有技术钢种力学性能对比

本实施例钢种1050℃显微组织见图1，为单相奥氏体，经过5％拉伸变形即可诱发大量的形变孪晶，形成TWIP效应。本实施例钢种显微组织形貌图，见图1。

本实施例钢种1050℃固溶处理后，按GB/T4338 E法，进行650℃×2h敏化处理，在沸腾硫酸-硫酸铜溶液中进行晶间腐蚀，试验结果见图2、图3。本实例钢种180°弯曲，未发现晶间腐蚀裂纹，而Fe-Mn-12％Cr-C-N系TWIP不锈钢腐蚀试验过程中发生了大面积溶解，耐蚀性明显更差。本实施例钢种晶间腐蚀后的试样截面平整，未发现明显的晶间腐蚀深度，与304L不锈钢相同条件下腐蚀试验后的截面微观形貌差异不在在，可见本实施例钢中耐晶间腐蚀能力与304L不锈钢相当。

Claims

1.一种高强度耐晶间腐蚀孪生诱发塑性奥氏体不锈钢，其特征在于:化学成分按重量百分比为：C≤0.02％、Si：1.00％～3.00％、Mn：22.00％～28.00％、P≤0.015％、S≤0.010％、Ni：2.00％～4.00％、Cr：16.00％～20.00％，N：0.4％～0.8％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高强度耐晶间腐蚀孪生诱发塑性奥氏体不锈钢，其特征在于，该纸杯高强度耐晶间腐蚀孪生诱发塑性奥氏体不锈钢控制的技术参数为：

1050℃～1150℃固溶处理后，室温拉伸，冷变形量≥5％，即产生明显的TWIP效应，抗拉强度850～950MPa，屈服强度450～550MPa，延伸率δ5≥50％，按GB/T4338 E法试验，无敏化态晶间腐蚀裂纹。