CN112853222B - 一种06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢及其制备方法，使得06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢α‑相面积含量为2％～8％，达到既有利于焊接性能，又不会影响材料的使用性能的效果。

Description

一种06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢制备领域，尤其涉及一种06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢及其制备方法。

背景技术

06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢在具备其他奥氏体不锈钢所有特点的基础上，还具有高温屈服强度高，抗晶间腐蚀强，高温抗疲劳能力强，可以在更加恶略的环境长期工作的特点，是海装核反应堆的堆内构件锻件的首选。

奥氏体不锈钢中，铁素体含量的多少通常是由化学成分决定的。在实际设备制造中，根据材料的使用性能及环境特性等，决定选用哪种化学成分的奥氏体不锈钢。但不论哪种奥氏体不锈钢，国内外在使用时都很少考虑钢中铁素体含量这一问题，但是铁素体在一些奥氏体钢当中又确实存在。由于铁素体的物理性能、耐蚀性、焊接性等与奥氏体有很大差异，因此奥氏体钢中铁素体的存在会影响奥氏体钢的力学性能、耐蚀性、焊接性能、高温持久性能、抗疲劳性能等。

在06Cr18Ni11Ti材料中，α-相面积含量过低，则α-相在焊接时起不到相应的有益作用，这样与普通材料没有什么差别。但是，如果06Cr18Ni11Ti中α-相面积含过高，则由于α-相大量存在，则会影响材料的力学、抗腐蚀、耐疲劳等性能，其害处如下：1)由于铁素体韧性相比于奥氏体要差，因此铁素体较高，将降低该材料的冲击韧性；2)铁素体的强度低于奥氏体，因此铁素体较高，将降低该材料的抗拉强度；3)铁素体含量较高，会影响该材料的晶间腐蚀性能。

铁素体含量虽然主要是由于化学成分的影响，但实际炼钢生产中，化学成分控制并不能定点控制，而且任何钢铁材料都会有成分偏析存在，而化学成分偏析，又造成铁素体含量的不均匀。由于现代钢铁冶炼装备及技术水平限制，化学成分又很难按照具体的成分点来控制，因此，致使奥氏体钢的各合金元素只能控制在一定的范围内，这就造成该材料的化学成分的出现实际生产的结果与理论计算之间的偏离，因此铁素体相也会出现偏离设计要求。由于现代炼钢，化学成分偏析又确实存在，因此致使钢锭的成分不均匀，导致该奥氏体不锈钢中铁素体含量不均匀，出现某一区域α-相面积含量高出材料设计要求的含量，而有的区域有出现低于要求的含量。并且，由于材料锻造加热过程中，铁素体在高温状态下是有发生转变现象，因此，加热温度或加热时间控制不当，当铁素体发生改变后，则造成锻件固溶后α-相面积含量的改变。

因此，在实际生产过程中，需要一种性能更佳的06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢，并且需要一种制造方法，以生产铁素体α-相面积含量适当的06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢，并可能的，使得铁素体分布更均匀。

发明内容

本发明旨在提供一种06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢及其制备方法，以克服现有技术中存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢，α-相面积含量为2％～8％。

本发明的一个较佳实施例中，以质量百分数计，含有C：0.048％～0.053％、Cr：18.50％～19.00％和Ni：9.80％～10.50％。

本发明的一个较佳实施例中，还含有Mn：1.00％～1.75％和Ti：0.40％～0.50％。

本发明的一个较佳实施例中，Cr和Ni的质量比为1.8：1～2：1。

本发明的一个较佳实施例中，C和Ti的质量比为1：8～1：10。

本发明还提供了一种06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

S1化学成分优化：控制冶炼材料成分，以质量百分数计，C：0.048％～0.053％、Cr：18.50％～19.00％、Ni：9.80％～10.50％、Mn：1.00％～1.75％、Ti：0.40％～0.50％、Si≤0.80％、B≤0.0015％、Co≤0.04％、P≤0.035％、S≤0.02％、Cu≤0.08％，余量为Fe以及不可避免的杂质；

S2电极及电渣重熔；

S3锻造。

本发明的一个较佳实施例中，步骤S2电极及电渣重熔具体为：电极冶炼且电炉炼钢化学成分检验合格后，对电极进行分组配对，将电极中Cr含量高的与Cr含量低的配对组合在一起进行电渣重熔冶炼。

本发明的一个较佳实施例中，步骤S3锻造中，当钢锭经过锻造开坯后，坯料加热保温时间为100mm/0.5～0.8小时。

本发明的一个较佳实施例中，步骤S3锻造中，最后一火锻造的加热保温时间不超过100mm/0.5小时。

本发明的一个较佳实施例中，步骤S3锻造中，最后一火的变形率不低于33％。

本发明的一个较佳实施例中，锻造结束后，将锻件在5-8分钟内进行冷却。

本发明的一个较佳实施例中，还包括S4固溶热处理，固溶热处理温度为1040℃～1060℃。

本发明的一个较佳实施例中，电渣重熔采用三元渣系。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提供了一种性能更佳的06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢，该材料中铁素体α-相面积含量在2％～8％，既有利于提高焊接性能，又不会影响材料的使用性能。

(2)本发明通过对06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢化学成分的优化，使其中存在恰当含量的铁素体；通过Cr含量电极配对的电渣重熔使得铁素体分布均匀；通过控制开坯后的坯料加热温度及保温时间，使材料在高温状态下，铁素体含量不会改变。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为样品锻件的上端位置铁素体形貌图；

图2为样品锻件的下端位置铁素体形貌图；

图3为样品锻件的中心位置铁素体形貌图。

具体实施方式

参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。如本文所用术语“由…制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

连接词“由…组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由…组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

单数形式包括复数讨论对象，除非上下文中另外清楚地指明。“任选的”或者“任意一种”是指其后描述的事项或事件可以发生或不发生，而且该描述包括事件发生的情形和事件不发生的情形。

说明书和权利要求书中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数量，还包括与该数量接近的可接受的而不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。相应的，用“大约”、“约”等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些例子中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。在本申请说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换，如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。

此外，本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显旨指单数形式。

本发明提供了一种06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢，α-相面积含量为2％～8％，利于提高06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢焊接性能，又不会影响其使用性能。因为材料的焊接过程是填充材料及基体材料焊接面重新熔化后重新凝固的过程，而奥氏体不锈钢在凝固过程具有以下两大特性：一是奥氏体在凝固过程中柱状晶是具有明显的方向性；二是在晶界处有夹杂的偏析和聚集，此时若焊接冷却不当，在焊缝融合区晶界处会出现明显的细小的微裂纹，同时，柱状晶的方向性会明显降低材料的力学性能。若此时有一定的铁素体存在，则铁素体组织可以有效的阻止杂质的偏析和凝聚，同时也阻挡柱状晶的长大，使得柱状晶颗粒变得细化，防止微裂纹的产生，而细化后的柱状晶的力学性能明显优于粗大柱状晶的力学性能，并且2％～8％的铁素体含量最为恰当。

该06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢以质量百分数计，含有C：0.048％～0.053％、Cr：18.50％～19.00％和Ni：9.80％～10.50％，进一步地，还含有Mn：1.00％～1.75％和Ti：0.40％～0.50％。优选地，Cr和Ni的质量比为1.8：1～2：1，C和Ti的质量比为1：8～1：10。

本发明还提供了该06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢的制备方法，具体如下：

S1化学成分优化

常规06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢的化学成分如表1所示，从材料的化学成分要求看，如果不有效控制材料成分，那么材料中会出现没有铁素体现象。

表1

C元素含量的多少，不仅影响材料的力学性能，也影响晶间腐蚀性能，C含量高，虽然材料的抗拉强度得到提升，但锻件的晶间腐蚀性能容易不合格；C含量低，锻件的强度会降低。因此，本实施例中，C元素的含量控制在0.048％～0.053％。Cr元素是α-Cr的主要形成元素，也是影响锻件α-相面积含量的主要元素，同时，Cr也是材料的高温强度主要来源，因此Cr元素含量尽量高，考虑炼钢水平，将该钢中Cr元素控制在18.50％～19.00％范围内。Ni元素是奥氏体形成元素，含Ni过高，会严重降低钢中铁素体含量，当Ni含量达到11.6％以上时，因C含量基本一定，这样，即便让铁素体形成元素放到最大值，该钢中铁素体含量也只能达到3％，如果再加上炼钢技术的影响及锻造技术影响，则，铁素体含量就会直接就降低到2％以下。因此，Ni元素控制在9.80％～10.50％。同时，采用Cr和Ni的质量比为1.8：1～2：1，使得铁素体含量优化在2％～8％。

进一步地，Mn元素是奥氏体形成元素，但Mn含量每增加2％，只提供一个Ni当量，因此尽管将Mn含量压缩很低，也不如降低Ni含量更有利于铁素体形成，Mn在奥氏体钢中的一些作用也是Ni无法替代的，因此将Mn元素控制在1.00％～1.75％。钢中Mn元素的存在，具有以下特点：一是对组织的影响：具有奥氏体稳定性作用；二是对热塑性能的影响：一定Mn元素存在，提高单一Cr-Ni奥氏体钢的热加工塑性，时奥氏体钢在热锻造或热轧制中具有更好的延展性；三是对奥氏体钢冶炼的影响：钢中一定的Mn，除脱氧外，Mn与S具有较强的亲和力形成硫化物，既有利于钢中硫的去除，又有利于消除钢中残余硫的有害作用。

一定的Ti含量有利于抗晶间腐蚀性能，并且，Ti也是沉淀相，在固溶后对提高材料的高温屈服有一定作用，但同时考虑到Ti会产生沉淀类夹杂物TiN、在电渣重熔过程中极易损失等特点，因此将Ti含量控制在0.40～0.50％。同时，采用C和Ti的质量比为1：8～1：10，使得锻件的晶间腐蚀性能更为优化。

其他元素通常只需要满足材料化学成分要求即可，不过多控制。

即，本材料优选化学成分如表2所示。

表2

S2电极及电渣重熔

电极冶炼在AOD或VOD电炉中冶炼，也可以在感应炉中冶炼。

电炉炼钢化学成分检验合格后，浇注电渣重熔所使用的电极。

即在电渣钢锭电极冶炼按照以上步骤控制合格后，由于经过电炉或感应炉炼钢浇注的电极，其冷却方式是通过钢锭模向外传导热量，这样的冷却较为缓慢，因此缓慢的冷却方式必然会产生化学成分偏析，这样如果直接用于锻件生产，会出现锻件中α-相面积含量不均匀问题，因此需要电渣重熔冶炼。在该材料中，偏析最为严重的元素是Cr元素，而Cr元素是铁素体形成的主要元素，Cr元素偏析会直接导致电渣钢锭中铁素体分布不均匀，使得电渣钢锭中一部分区域铁素体含量高于8％，而有的区域铁素体含量会低于2％的情况出现，这样最终由电渣钢锭锻造出来的锻件经过固溶后α-面积含量会偏离出2％～8％的范围。虽然其他元素也会偏析，但在该钢中不是铁素体形成的主要元素，对最终α-相面积含量影响不大。因此，在电渣重熔时，根据电极偏析情况，对电极进行分组配对，将电极中Cr含量高的与Cr含量低的配对组合在一起。优选地，根据Cr含量由多到少或由少到多将电极排序，将序列两端的电极一一配对组合，由于电渣重熔冶炼的特性，经过电极配对电渣重熔的钢锭偏析情况大大降低，这样就保证钢锭中成分的均匀性，进而保证锻件中α-相分布均匀。

由于Ti元素是06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢的主要元素，并且Ti元素活性较强，容易在电渣重熔过程中损失，因此在电渣重熔过程中优选添加比Ti活性更强的元素。电渣重熔优选采用三元渣系，即CaF₂-CaO-Al₂O₃三元渣系。

S3锻造

经过前步冶炼的电渣重熔钢锭，成分均匀，铁素体含量相对也均匀、稳定，但仍然在钢的微观组织中存在铁素体周围有富C存在，因此若加热及锻造不当，尤其钢锭经过两个火次锻造，此时，材料属于锻造态的坯料，该类坯料加热时间较长，就会出现少量铁素体进转化奥氏体。而高温状态下，铁素体是会产生变化的，因此，为了确保铁素体不至于在高温状态过多变化，因此要控制好锻造过程中加热时间。尤其是，当钢锭经过锻造开坯后，作为锻件的坯料已经不是铸态组织，此时，铁素体更易产生变化，因此在锻件生产中，钢锭经过锻造开坯后，加热时间要尽量短。一般以坯料每100mm，加热不超过0.5-0.8小时为宜。

具体而言，钢锭加热时，只需要将钢锭透烧即可，通常选取加热温度1210℃±15℃，钢锭保加热温时间按照每100mm/1.2小时。因为此时属于铸态组织，因此最大保温时间可延长到100mm/2.0小时。

第一火次拔长，前两道次小变形，将表面铸态晶破碎，而钢锭的直径只减小100mm～200mm范围，此时，在钢锭内部仍然属于铸态组织。第三道次后变形量增大，拔长到需要镦粗的坯料高径比为2～2.5即可。此时钢锭由于大的变形量，绝大部分铸态组织已经变成锻造态组织，只有钢锭心部少量处于铸态组织。如果原钢锭的高径比较小(比如1左右)，当拔长到高径比2～2.5时，钢锭已经获得完全锻造态组织。拔长后去掉钢锭头尾部分；需要落料的，在此工序落料。

第二火后的钢锭已经基本很少有铸态组织，且由于再结晶影响，锻造态的坯料在长时间高温状态会出现铁素体的改变，因此此后每火的加热保温时间按照100mm/0.5～0.8小时确定。最后一火的加热保温时间不超过100mm/0.5小时，并且，为了获得良好的晶粒度，最后一火的变形率不应低于33％。最后一火要控制好终锻温度，这不只是为了控制锻件不产生裂纹，也为了获得良好的晶粒度。由于奥氏体不锈钢终锻温度一般控制在≥850℃，在850℃以上结束锻造，在高温状态下，变形能量得到有效释放，但850℃又在再结晶温度以上，长时间不能冷却，在高变性能和再结晶双重作用下会使得晶粒长大。因此，锻造结束后，将锻件在5-8分钟内转移到水槽中冷却，从而既释放了变形能量，又不至于产生再结晶使得晶粒粗大。水槽中要有足够的水量，如水槽有水泵等冷却循环系统，应开启水泵。

最后，锻件可进行固溶热处理，固溶热处理温度选择1040℃～1060℃，保温时间一般根据锻件当量厚度来确定，选择通常奥氏体不锈钢固溶加热时间即可。

以同样方法制备的一个06Cr18Ni11Ti锻件(该锻件C：0.050％、Cr：18.70％、Ni：10.00％、Mn：1.00％、Ti：0.50％、Si：0.70％、B：0.0012％、Co：0.04％、P：0.03％、S：0.01％、Cu：0.06％，余量为Fe以及不可避免的杂质)，对其进行金相检验以及力学性能检验。

金相检验：

试验方法为GB/T 13305-2008，样品锻件经磨制抛光并腐蚀后，同标准评级图进行比较，检验铁素体含量，图1为样品锻件的上端位置铁素体形貌图，图2为样品锻件的下端位置铁素体形貌图，图3为样品锻件的中心位置铁素体形貌图，均符合α-相面积含量2％～8％。

力学性能考核指标表3：

表3

拉伸试验方法为GB/T 228.1-2010，试验数据如表4，满足拉伸性能。

表4

350℃高温拉伸试验方法为GB/T 4338-2006，试验数据如表5，满足拉伸性能。

表5

冲击试验方法为GB/T 229-2007，试验数据如表6，满足冲击性能。

表6

综上所述，本发明采用化学成分优化设计，重点控制影响铁素体形成元素与奥氏体形成元素的关系来控制铁素体的存在百分含量。同时，采用电渣重熔钢锭电极配对重熔冶炼，使电极中的偏析得到改善,，使得铁素体均匀，进而使得锻件固溶后各地方a-相在2％～8％之间。进一步的，通过控制开坯后的坯料加热温度及保温时间，使材料在高温状态下，铁素体含量不会改变，进而稳定在预期要求的固溶后α-相面积含量在2％～8％的水平。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (1)

1.一种06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1化学成分优化：控制冶炼材料成分，以质量百分数计，C：0.048％～0.053％、Cr：18.50％～19.00％、Ni：9.80％～10.50％、Mn：1.00％～1.75％、Ti：0.40％～0.50％、Si≤0.80％、B≤0.0015％、Co≤0.04％、P≤0.035％、S≤0.02％、Cu≤0.08％，余量为Fe以及不可避免的杂质，C和Ti的质量比为1：8～1：10，Cr和Ni的质量比为1.8：1～2：1；

S2电极及电渣重熔：电极冶炼且电炉炼钢化学成分检验合格后，对电极进行分组配对，将电极中Cr含量高的与Cr含量低的配对组合在一起进行电渣重熔冶炼；

S3锻造：第一火次拔长，前两道次小变形，钢锭的直径减小100mm～200mm，第三道次后变形量增大，拔长到需要镦粗的坯料高径比为2～2.5；第二火后每火的加热保温时间按照100mm/0.5～0.8小时确定；最后一火锻造的加热保温时间不超过100mm/0.5小时，最后一火的变形率不低于33％；锻造结束后，将锻件在5-8分钟内进行冷却；

S4固溶热处理，固溶热处理温度为1040℃～1060℃；经固溶热处理后的所述锻件α-相面积含量为2%～8%。

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