CN112553533B - 一种经济性高强度奥氏体不锈钢 - Google Patents

一种经济性高强度奥氏体不锈钢 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种经济性高强度奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.03～0.15％，Si：0.2～1.2％，Mn：5.0～12.0％，Cr：17.0～21.0％，Ni：1.5～3.5％，Cu：0.5～3.5％，P：≤0.045％，S：≤0.0050％，N：0.15～0.25％；Mo：0.01～1.0％，Nb：0.005～0.20％；V：0.02～0.30％；Ti：0.005～0.20％；B：0.0005～0.0080％；Co：0.05～0.3％；Ce：0.001～0.2％，其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：0.20%≤Mo+Nb+V+Ti+Co+Ce≤1%；18≤Crep≤25，12≤Niep≤17，且Crep/Niep>1.4；其中，Crep=Cr+1.8Mo+2.0Si+1.65Ti+1.65Nb+5.5V，Niep=Ni+Co+0.5Mn+30C+25N+0.35Cu。得到的奥氏体不锈钢具有低成本、耐蚀性好、高强度、含N的优点。

Description

一种经济性高强度奥氏体不锈钢
技术领域
本发明涉及不锈钢冶炼工艺，尤其涉及一种经济性高强度奥氏体不锈钢。
背景技术
传统的300系奥氏体不锈钢因其优良的力学、成形、耐腐蚀性及焊接性能等综合性能被广泛应用于食品容器、家电、建筑及能源化工等行业，但普通300系不锈钢强度相对较低，很难满足目前部分行业对轻量化和低成本的需求。传统高强度不锈钢如马氏体不锈钢和双相不锈钢又因为加工性不足或者成本较高也不满足原料使用商对高强度和低成本的综合要求。
目前，为提高奥氏体不锈钢的强度，行业内通常采用节镍、加锰、N合金化等手段。例如：专利公开号CN104878316A公开了一种高强韧性高N节奥氏体不锈钢，其成分设计中N含量高达0.5～0.95%，Mn含量也高达13～19%。尽管该不锈钢强度高，但由于N含量过高，生产难度极大，特别是难于通过传统的连铸生产工艺实现。
专利授权公告号CN102337481B公开了一种耐蚀优良的含钼节镍奥氏体不锈钢，其成分设计中Mo含量在0.4～0.8%，Cr含量16.5～18%，Ni含量1.5～3.5%。该钢的屈服强度低于450兆帕，点蚀电位基本在320mv以下，耐腐蚀性能较差，且极容易出现热轧边裂缺陷，严重边裂会降低成材率，提高制造成本。
专利公开号CN106133177A公开了一种高强度和高延展性的奥氏体高锰不锈钢，其成分设计中Mn含量高达14～26%，Ni含量仅有0.8%以下。该不锈钢所谓利用TWIP效应得到高强度和高塑性，N含量达到4000PPm，冶炼困难，并且过高的Mn含量也不利于成形加工。
专利公开号CN101289729A公开了一种具有TRIP效应的无镍亚稳奥氏体不锈钢，其铬含量15～16.5%，屈服强度390～1520MPa，抗拉强度745～1740MPA。其实际上是通过大压量的加工硬化得到的，而延伸率即便在固溶态下也仅仅为20%，无法用于高成形性行业使用。
以上专利中均为节镍奥氏体不锈钢，要么通过高N合金强化，要么直接通过形变强化，来增加强度。前者生产难度大，传统的连铸工艺难以实现，同时，高N不锈钢的焊接工艺也难以弥补高N不锈钢焊缝因N的逸出带来的耐腐蚀性能降低，后者因为材料经过形变强化，增加了材料的内应力，弱化了材料的加工性能。在后续成形过程中，与加工应力叠加，恶化冷弯性能，加大了材料成形开裂的风险。基于此，亟待研发一种低成本，耐蚀性好，高强度、含N且容易通过连铸工艺实现大规模生产的奥氏体不锈钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济性高强度奥氏体不锈钢。
实现本发明目的的技术方案是：一种经济性高强度奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.03～0.15％，Si：0.2～1.2％，Mn：5.0～12.0％，Cr：17.0～21.0％，Ni：1.5～3.5％ ，Cu ：0.5～3.5％ ，P：≤ 0.045％ ，S：≤0.0050％，N：0.15～0.25％；Mo：0.01～1.0％，Nb：0.005～0.20％；V：0.02～0.30％；Ti：0.005～0.20％；B：0.0005～0.0080％；Co：0.05～0.3％；Ce：0.001～0.2％，其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：0.20%≤Mo+Nb+V+Ti+Co+Ce≤1%；18≤Crep≤25，12≤Niep≤17，且Crep/Niep>1.4；其中，Crep=Cr+1.8Mo+2.0Si+1.65Ti+1.65Nb+5.5V，
Niep=Ni+Co+0.5Mn+30C+25N+0.35Cu。
进一步地，C:0.06～0.1%，Si：0.3～0.5%，Mn：6.0～10.0％，Cr：18.0～20.0％，Ni：2.0～3.0％ ，Cu ：1.5～2.5％，N：0.19～0.23％；B：0.001～0.008％。
在本发明的经济性高强度奥氏体不锈钢成分设计中各元素作用和/或元素间的相互作用如下：
Cr：铬是铁素体形成元素，也是不锈钢保持耐蚀性必需元素，钢中的铬元素至少在10.5%以上才能保证不锈钢的耐蚀性，本发明的节镍奥氏体不锈钢具有高耐蚀性，同时，综合其他元素保证钢的全奥氏体化，故设计铬的含量在17.0～21.0%，优选18.0～20.0％。
Ni：镍是奥氏体形成元素，是不锈钢钢中的常见元素，本发明涉及的是一种节镍奥氏体不锈钢，从成本上考虑，镍含量不宜过高，但无镍奥氏体不锈钢低温韧性差，故不宜用氮和锰完全取代镍含量，综合考虑成本及性能，设计镍含量为1.5～3.5％，优选2.0～3.0％。
Cu：铜是弱奥氏体形成元素，在奥氏体不锈钢中，铜作为合金元素是显著降低钢的冷作硬化现象，提高冷加工成型性能，但铜又降低钢的热加工性能，热轧过程中形成钢板的边裂，特别是镍含量较低的时候边裂尤其明显，影响后续加工及成材率，故铜的含量不宜过高，铜过低也无法发挥其提高冷成形加工性的作用，本发明中设计铜的含量为0.5～3.5％，优选1.5～2.5％。
Si：硅在本发明的钢中，主要用作脱氧剂，去除钢中的一定的氧含量，保持钢的清洁度，硅因是强烈的铁素体形成元素，含量过高会在钢中形成高温的铁素体，恶化奥氏体不锈钢的性能，故硅的含量仅仅控制在0.2～1.2%，优选0.3～0.5％。
Mn：锰的奥氏体化能力比较弱，在节镍奥氏体不锈钢中，除了N以外，需要添加一定含量的锰，来获得完全奥氏体化组织，同时还可以有利于固溶一定含量的N，但锰含量过高，奥氏体化的作用不再随含量的增加而加强，同时过高的锰也会恶化钢的耐腐蚀性能和加工性并提高成本，过低不利于N的固溶，也容易导致焊接工艺过程中N的析出。另外锰和钢中的S结合，形成MnS夹杂，恶化钢的力学性能和耐点腐蚀性能。故锰的含量控制在5.0～12.0%，优选6.0～10.0%。
C：碳是强烈奥氏体形成元素，较高的C会增加钢的强度，但C过高也会破坏钢的韧性及塑性，同时还会在不锈钢的晶界处析出Cr的碳化物，影响钢的耐腐蚀性。故C的含量控制在0.03～0.15%，优选0.06～0.1%。
N：氮抑制铁素体形成的能力是镍的25～30倍，也是强烈奥氏体形成元素，故在奥氏体锈钢中，常用N替代一部分贵重金属镍平衡相组织，实现钢的低成本。另外，适量的N在提高钢的强度的同时，对钢的塑性和韧性影响较低，同时还能提高不锈钢的耐腐蚀性。但N在不锈钢中的溶解度有一定的限度，在常压下，过高的N含量会导致N在连铸生产过程中从钢水中析出，导致钢中产生气泡，恶化连铸坯质量。故综合考虑钢的成本、性能生产难度，将N的含量控制在0 .15～0.25%，优选0.19～0.23%。
Co：钴是强奥氏体形成元素，本发明中加入少量的钴,是基于材料的凝固特性，改善钢的质量。同时，Co还可以明显改善奥氏体不锈钢的热轧边裂倾向，特别是对于合金含量总量超过22%，Ni含量不足4% 的奥氏体不锈钢，添加Co改善效果明显。由于钴是一种贵重元素，本发明设计优选Co：0.05～0.20％。
Mo：为了提高耐蚀性，提高腐蚀电位，本发明中加入少量的Mo，控制1.0%以下，优选0.02～0.30%，对不锈钢成本控制几乎没有影响。
V：钒是一种强化元素，钢中加入少量的V，可提高钢的强度，也可以改善C的析出，提高腐蚀电位，本发明中设计V的含量在0.2%以下，优选0.03～0.15%。
Nb/Ti：铌和钛是和C、N亲和力很强的稳定元素，向钢中加入Nb/Ti，可使钢中铬的C、N化物转变成铌和钛的C、N化物。提高钢的耐晶间腐蚀性能，特别是有利于提高钢的焊接性，本发明中，设计铌、钛含量均在0.2%以下，复合添加时，Nb+Ti≤0.35%，优选0.05～0.30%。
B：为了改善钢的在热轧过程中的热塑性，加入微量即可，优选0.001～0.008%的B。
Ce：为了改善杂物形貌并降低夹杂物含量，细化组织，同时，Ce和Co联合添加有效控制热轧边裂倾向，消除热轧边裂缺陷，微量添加是保证功效前提下进一步控制成本，加入少量的稀土元素Ce，Ce≤0.20%，优选0.005～0.10%。
P、S：磷、硫均为钢种的夹杂元素，故根据生产能力，尽量保持低含量，特别是本发明涉及的钢中含有一定量的Mn，为了避免生成过多的夹杂物MnS夹杂物，导致点蚀性能下降，P含量尽量控制在0.045％以下，S含量尽量控制在0.005%以下。
本发明成分设计中限定0.20%≤Mo+Nb+V+Ti+Co+Ce≤1%。Mo、Nb、Ti、V可以提高基材腐蚀点电位，确保腐蚀电位不低于400mv，有利益提高不锈钢的耐腐蚀性能。Co和Ce都具有改善热轧边裂倾向的作用，联合添加控制高合金奥氏体不锈钢的热轧边裂缺陷效果更优，提高热轧成材率。综合考虑材料性能与成本受控，控制Co+Ce≤0.45%。
同时，本发明成分设计中限定18≤Crep≤25，12≤Niep≤17，且Crep/Niep>1.4。其中，镍当量设定为12≤Niep≤17的设计综合考虑有利于形成奥氏体晶体结构所必要的总的奥氏体化化学元素（Ni，Mn，C，N，Cu等）及合金含量超过22%的高合金含量的不锈钢的热轧边裂缺陷控制的结果（添加Co元素），特别地通过上述12≤Niep≤17在保证奥氏体组织的前体下，利用Co的合金化消除高合金不锈钢的热轧边裂倾向及缺陷，从而保证材料热加工性、塑性、焊接性及韧性等综合性能，同时还要综合考虑不同合金元素在镍当量中的作用及成本。低于12会影响塑性、焊接性及韧性等加工性能，同时也不能过高，高于17意味着添加更多合金元素，导致成本增加，热加工及零部件成形性恶化，综合考虑设置12≤Niep≤17。铬当量设定为18≤Crep≤25的设计既考虑有利于形成铁素体晶体结构所必要的总的化学元素（Cr、Mo、Si、Ti、Nb、V等）综合结果，从而保证组织平衡需要，同时又兼顾材料的耐腐蚀性及加工性，铁素体元素中的Cr、Mo有利于提高耐腐蚀性，Si、Ti、Nb、V等可以改善析出及提高强度等。如果铬当量低于18会不利于提高耐腐蚀性能，铬当量高于25会产生更高的成本，也不利于材料的成形加工，综合考虑设定为18≤Crep≤25。而且，还需要控制Crep/Niep>1.4，以获得单一奥氏体组织，在改善热加工性能并消除边裂的同时，也确保腐蚀，焊接，成形等关键综合使用性能。
本发明通过合理的成分设计，使钢保持高的耐腐蚀性，点蚀电位高达400mv以上，远远高于镍含量8%的304奥氏体不锈钢；以一定N、锰替代部分镍，相比用铬镍奥氏体而言，成本大大降低；匹配微量的Nb、Ti、V、Mo、B、Co及Ce等元素，可以进一步提高耐腐蚀性能和强度；另外，本发明钢因为成分的合理设计，避免了常规节镍奥氏体不锈钢加工硬化过程形成的大量马氏体，从而避免该不锈钢在使用过程中因为形变产生的大量马氏体而导致的塑性显著下降及后续使用中的延迟开裂倾向问题，屈服强度提升至500Mpa甚至更高，使得本发明钢具备高强度的同时，并保持高塑性。为一种低成本、耐蚀性好、高强度、含N且容易通过连铸工艺实现大规模生产的奥氏体不锈钢。
具体实施方式
以下对本发明较佳实施例做详细说明。
实施例1：
一种经济性高强度奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.06％，Si：0.3％，Mn：6.5％，Cr：18.5％，Ni：3.0％ ，Cu ：1.7％ ，P：0 .04％ ，S：0.005％，N：0.2％；Mo：0.18％，Nb：0.15％； Ti：0.15％；V：0.1％；B：0.003％；Co：0.1％；Ce：0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。
所述一种经济性高强度奥氏体不锈钢的工艺流程包括：电炉—转炉（AOD）—LF（钢包处理炉）—连铸—热轧—固溶处理及酸洗（出产品供热轧态使用）—冷轧—冷退酸洗（出产品为冷轧态使用），其中，热轧加热温度控制在1000～1250℃，与Co，Ce等元素联合作用有利于消除边裂倾向，优选1100～1200℃，为了保证工件的强度和良好的塑性，总体上工件的压下量控制在20%以下，10%以下更优。
固溶处理及冷退酸洗后不锈钢材料屈服强度400Mpa以上，零部件制造后的小压下量（3%及以上变形）的成形加工就可以使材料屈服强度提升到500Mpa以上，实现轻量化。
实施例2～8
实施例2～8与实施例1的工艺相同，区别在于化学成分重量百分比不同，其中各实施例化学成分重量百分比如表1所示，表1同时给出了标准304奥氏体不锈钢的标准成分作为对比例。
表1 实施例和对比例的化学成分(wt.%)
Figure 978283DEST_PATH_IMAGE001
表2所示为本发明实施例1～8和对比例的Creq/Nieq当量比、点蚀电位、0℃力学性能等，表2同时给出了作为对比例的标准304奥氏体不锈钢的相关参数及性能。Creq、Nieq的计算公式分别为：
Crep=Cr+1.8Mo+2.0Si+1.65Ti+1.65Nb+5.5V，Niep=Ni+Co+0.5Mn+30C+25N+0.35Cu。材料的力学性能测试根据GB/T 228.1《金属材料 拉伸试验 第1部分》试验方法进行，环境温度为0℃。
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE003
从表2的性能测试结果可以看出，本发明实施例合理的成分设计得到的奥氏体不锈钢在0℃条件下力学性能明显优于304奥氏体不锈钢，其点腐蚀电位在400mv以上，屈服强度提升至500Mpa及以上，抗拉强度达到700Mpa及以上，延伸率达到38%以上，性能明显优于标准304奥氏体不锈钢，可用于对强度及耐蚀性要求更高的结构件，汽车零固件等轻量化需要，也可以用于家电、厨卫等制品制造；由于以一定N、锰替代部分镍，相比用铬镍奥氏体而言，成本也大大降低。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种经济性高强度奥氏体不锈钢，其特征在于：其化学成分重量百分比为：C：0.03～0.15％，Si：0.2～1.2％，Mn：5.0～12.0％，Cr：17.0～21.0％，Ni：1.5～3.5％，Cu ：0.5～3.5％，P：≤ 0.045％，S：≤0.0050％，N：0.15～0.25％；Mo：0.01～1.0％，Nb：0.005～0.20％；V：0.02～0.30％；Ti：0.005～0.20％；B：0.0005～0.0080％；Co：0.05～0.3％；Ce：0.001～0.2％，其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：0.20%≤Mo+Nb+V+Ti+Co+Ce≤1%；18≤Crep≤25，12≤Niep≤17，且Crep/Niep>1.4；其中，Crep=Cr+1.8Mo+2.0Si+1.65Ti+1.65Nb+5.5V，Niep=Ni+Co+0.5Mn+30C+25N+0.35Cu。
2.根据权利要求1所述的经济性高强度奥氏体不锈钢，其特征在于：所述化学成分重量百分比中，部分元素含量为：C:0.06～0.1%，Si：0.3～0.5%，Mn：6.0～10.0％，Cr：18.0～20.0％，Ni：2.0～3.0％，Cu ：1.5～2.5％，N：0.19～0.23％；B：0.001～0.008％。
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