CN112877611A

CN112877611A - 一种奥氏体不锈钢、细晶大规格棒材、其制备方法及应用

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Publication number: CN112877611A
Application number: CN201911207231.9A
Authority: CN
Inventors: 徐锋; 徐松乾; 赵欣; 郭明明
Original assignee: Baowu Special Metallurgy Co Ltd
Current assignee: Baowu Special Metallurgy Co Ltd
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2021-06-01

Abstract

本发明公开了一种奥氏体不锈钢。该不锈钢的化学成分按重量百分比为：C≤0.030％、S≤0.01％、P≤0.02％、Si≤1.00％、Mn≤2.00％、N:0.14‑0.22％、Cr:17.50‑19.50％、Ni:9.50‑12.50％；余量为Fe及不可避免的其它杂质。本发明还公开了上述不锈钢制备得到的大规格棒材以及其制备方法及应用，直径不低于100mm的奥氏体不锈钢大规格棒材，具有良好的抗晶间腐蚀性能，抗拉强度不低于600MPa，晶粒度能达到6级甚至更细。本发明的奥氏体不锈钢大规格棒材可以用于对强度，韧性和耐腐蚀性能都有较高要求的航空航天领域，也可也可应用于石油、化工、能源和动力领域。

Description

一种奥氏体不锈钢、细晶大规格棒材、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种奥氏体不锈钢细晶大规格棒材及其制备方法。

背景技术

奥氏体不锈钢1913年在德国问世，在不锈钢中一直扮演着最重要的角色，其生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70％。早期的奥氏体不锈钢主要是18-8型Cr-Ni奥氏体不锈钢，即Cr在奥氏体不锈钢的含量约为18％，Ni的含量为8％的奥氏体不锈钢，简称18-8钢。其特点是碳含量小于0.1％，利用Cr、Ni配合获得单相奥氏体组织。由于它具有优良的耐腐蚀性，较好的力学性能和加工性能，因而广泛应用于航空航天、石油化工以及核电能源等领域。

由于冶炼水平有限，早期奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀能力差，工业界通过向不锈钢中加入Ti、Nb等元素，来提高不锈钢的耐晶间腐蚀能力。但含Ti、Nb的不锈钢焊接性能较差，焊接后会产生腐蚀等缺陷，同时给冶炼带来困难。因此上世纪七十年代，欧美开发了新的二次精炼方法AOD和VOD工艺，成功用于超低碳不锈钢生产，大大降低了不锈钢的含碳量，从根本上降低和阻止了Cr23C6的晶界析出，解决了奥氏体不锈钢晶间腐蚀。

虽然超低碳奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性能，但也存在抗拉强度低，晶粒易粗大、易混晶的缺陷，在大规格棒材生产过程中这些问题尤为突出，无法满足工业界，特别是航空航天领域里大尺寸结构部件的长寿命和高可靠性的要求。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于，提供一种可供制造奥氏体不锈钢细晶大规格棒材的奥氏体不锈钢。本发明还提供了该奥氏体不锈钢细晶大规格棒材。本发明还提供了该奥氏体不锈钢细晶大规格棒材的制备方法。另外，还提供了该该奥氏体不锈钢细晶大规格棒材的应用。

本发明的技术方案是，一种奥氏体不锈钢，所述不锈钢包括如下重量百分比的化学成分：C≤0.030％、S≤0.01％、P≤0.02％、Si≤1.00％、Mn≤2.00％、N:0.14-0.22％、Cr:17.50-19.50％、Ni:9.50-12.50％；余量为Fe及不可避免的其它杂质。

本发明是在18-8型奥氏体不锈钢304基础上增加Cr、Ni和N的含量，降低含碳量而发展起来的新钢种，它比1Cr18Ni9Ti等不锈钢具有更好的耐蚀性，且焊接性能良好，无晶间腐蚀倾向。与常规0Cr18Ni9、304L相比，本发明的室温拉伸强度更高，晶粒度更细。

本发明主要涉及碳(C)、铬(Cr)、镍(Ni)、硅(Si)、锰(Mn)、氮(N)、硫(S)、磷(P)等元素，它们对本发明的影响如下：

碳(C)是一种间隙固溶元素，可以显著提高钢的基体强度，它可以稳定奥氏体，抑制铁素体形成。但它在奥氏体和铁素体中的溶解度有限，过高的碳含量会降低钢的韧性，而且会导致热处理过程中析出M23C6型碳化物，降低钢的耐晶间腐蚀性能。因此本发明中碳含量控制在0.030％以下。

铬(Cr)是一种铁素体稳定化元素，它在不锈钢中主要提高耐腐蚀性和抗氧化性，研究表明钢中最少含有10.5％的Cr才能形成保护钢不受大气腐蚀的稳定的钝化膜。不锈钢的耐蚀性能随Cr的含量提高而增强。但过高的Cr含量会促进有害相生成，降低不锈钢的热加工性能，同时在冶炼时还容易导致金属偏析的发生，因此本发明的铬含量控制在17.50-19.50％。

镍(Ni)是一种奥氏体稳定化元素，可以扩大奥氏体相区，降低铁素体含量。镍能改善铬的氧化膜成分、结构和性能，从而提高奥氏体不锈钢的耐腐蚀和耐氧化性，另外还可以显著降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向，并且防止冷加工过程中形变马氏体的出现。但过高的镍含量会导致生产成本上升，综合考虑，本发明的镍含量控制在Ni:9.50-12.50％。

硅(Si)主要是在熔炼期间作为脱氧剂使用，且可以强化基体、提高钢的耐腐蚀性和高温抗氧化性。但是硅含量过高会导致有害相析出，降低钢的热加工性能和韧性。因此本发明硅含量控制在1.00％以下。

锰(Mn)是是一种奥氏体稳定化元素，可以扩大奥氏体相区，它是良好的脱氧剂与脱硫剂，在工业用钢中通常都含有一定量的锰。在不锈钢中，锰能够代替部分镍来稳定奥氏体，降低生产成本，而且能提高钢中氮含量，保证钢的强度。但锰含量过高会大大降低钢的抗腐蚀性，尤其是抗点蚀和晶间腐蚀的能力。因此本发明硅含量控制在2.00％以下。

硫(S)在钢中是以FeS形式存在，会造成钢的热脆性。FeS熔点为1193℃，而Fe与FeS组成的共晶体，其熔点只有985℃。液态Fe与FeS可以无限互溶，但FeS在固态铁的溶解度很小，仅为0.015％～0.020％。所以当钢的硫含量超过0.020％时，钢水在冷却凝固过程中由于偏析，Fe-FeS以低熔点的共晶体呈网状分布于晶界处。钢的热加工温度在1150～1200℃，在此温度下晶界处共晶体已熔化，当钢受压后造成晶界的破裂，这就是钢的“热脆”性。钢中氧含量较高时，FeO与FeS形成的共晶体熔点更低，只有940℃，更加剧了钢的“热脆”现象。除此之外，硫还会明显地降低钢的焊接性能，引起高温龟裂，并在金属焊缝中产生许多气孔和疏松，从而降低焊缝的强度。当硫含量超过0.06％时，显著恶化了钢的耐腐蚀性。因此本发明硫含量控制在0.01％以下。

磷(P)钢材中能全部溶于铁素体中，提高铁素体的强度和硬度。但在室温下却使钢的塑性和韧性急剧下降，产生低温脆性，这种现象称为冷脆。一般来说，磷是钢材中的有害元素，主要是析出脆性化合物Fe3P而使钢材的脆性增加，特别是在低温时更为显著。因此本发明磷含量控制在0.02％以下。

氮(N)的作用与碳(C)的作用相似，它在晶胞内以间隙原子形式存在，由于原子尺寸差别较大，更有利于钢的固溶强化。作为奥氏体稳定元素N对扩大及稳定奥氏体组织的作用是Ni的25倍左右，它在奥氏体中的固溶度含量远高于铁素体。通常在常规的18-8型奥氏体不锈钢中会有少量铁素体存在，随着含碳量的降低，铁素体含量将会增加，导致不锈钢的强度，塑性以及韧性降低。N的加入能够抑制铁素体析出，弥补由于C含量降低而导致的强度和韧性的下降。但是过高的氮含量易导致热处理或焊接时有Cr2N的析出，从而影响不锈钢的力学性能，因此本发明的氮含量控制在0.14-0.22％。

本发明还提供了上述奥氏体不锈钢制备得到的奥氏体不锈钢大规格棒材，所述大规格棒材为直径不低于100mm的奥氏体不锈钢大规格棒材；所述大规格棒材的抗拉强度不低于600MPa；

进一步地，所述大规格棒材的晶粒度能达到6级甚至更细。

本发明还提供了一种奥氏体不锈钢大规格棒材的制备方法，

1)采用电炉冶炼工艺(EF+AOD+LF)或者电炉(EF+AOD+LF)+电渣重熔冶炼工艺，获得化学成分如下的不锈钢铸锭；C≤0.030％、S≤0.01％、P≤0.02％、Si≤1.00％、Mn≤2.00％、N:0.14-0.22％、Cr:17.50-19.50％、Ni:9.50-12.50％，余量为Fe及不可避免的其它杂质；

2)将获得的铸锭加热至1100-1300℃进行开坯，获得中间锻坯；

3)将所述中间锻坯加热至900-1150℃，获得直径不低于100mm的大规格棒材；

4)将锻造棒材或轧制棒材加热至850-950℃，保温不超过6小时，冷却至室温，获得细晶大规格棒材；

5)将锻造棒材或轧制棒材加热至951-1100℃，保温不超过3小时，冷却至室温，获得细晶大规格棒材。

根据本发明的奥氏体不锈钢大规格棒材的制备方法，优选的是，步骤3)所述中间锻坯加热至920-1100℃。

根据本发明的奥氏体不锈钢大规格棒材的制备方法，优选的是，步骤3)所述通过锻造或轧制方式，获得直径不低于100mm的大规格棒材。

根据本发明的奥氏体不锈钢大规格棒材的制备方法，优选的是，步骤3)中，上述成材总锻造比大于等于4。

根据本发明的奥氏体不锈钢大规格棒材的制备方法，优选的是，步骤4)所述冷却采用水淬，油淬或者空冷；步骤5)所述冷却采用水淬，油淬或者空冷。

本发明还提供了上述奥氏体不锈钢大规格棒材在航空航天领域里大尺寸结构部件方面的应用。

与现有产品和技术相比，本发明的有益效果如下：

1.兼顾良好的耐晶间腐蚀性能和高强度

对于奥氏体不锈钢而言，为提高其抗晶间腐蚀的性能，根本的解决途径是进行超低碳冶炼。但超低的碳含量也导致了力学性能强度过低的不足。虽然可以通过添加Mo、Cu等元素在提高不锈钢耐腐蚀的前提下不降低强度，但会增加制造成本。本发明在18-8型奥氏体不锈钢基础上，采用超低碳冶炼保证不锈钢的耐腐蚀性能。通过增加Ni含量抑制冷变形过程中形变马氏体出现，保证了奥氏体变形后组织的稳定性。利用氮元素的间隙强化作用，在不降低韧性的前提下，显著提高不锈钢的强度到600MPa以上，明显高于普通18-8型奥氏体不锈钢480-520MPa的强度水平。为满足航空航天结构部件长寿命、高可靠性要求，提供了一种高强度耐腐蚀的不锈钢产品

2.生产的大规格棒材晶粒细小均匀

超低碳奥氏体不锈钢由于纯净度高，没有晶间碳化物钉扎，在热加工和后续的热处理过程中，易出现晶粒粗大、混晶等缺陷，影响不锈钢的疲劳性能和韧性，这些缺陷在大规格棒材生产过程中这些问题尤为突出。本发明在Φ100mm以上大规格棒材的生产过程中，选择合理的锻造温度，足够的变形量，以及适当的热处理温度，可以使晶粒度能达到6级甚至更细，优于常规超低碳304L的3到5级的晶粒度水平。

具体实施方式

实施例1：

1)采用电炉(EF+AOD+LF)+电渣重熔冶炼工艺，获得Φ550mm的不锈钢铸锭，化学成分见表1；

2)将获得的铸锭加热至1200±20℃，保温8小时，在4000吨快锻机上进行开坯锻造，获得350mm八角中间锻坯；

3)将350mm八角中间锻坯加热至1150±20℃，保温3小时，在1300吨径锻机上锻造，获得Φ160mm的大规格棒材；

4)将Φ160mm锻造棒材加热至900±20℃，保温3小时，水冷至室温，获得细晶大规格棒材；

5)将Φ160mm锻造棒材进行力学性能和晶粒度检测，结果如表2所示。

实施例2：

1)采用电炉(EF+AOD+LF)的冶炼工艺，获得2.3吨的不锈钢铸锭，化学成分见表1；

2)将获得的铸锭加热至1250±20℃，保温4小时，在2000吨快锻机上进行开坯锻造，获得280mm八角中间锻坯；

3)将280mm八角中间锻坯加热至1100±20℃，保温3小时，在轧机上轧制获得Φ100mm的大规格棒材；

4)将Φ100mm轧制棒材加热至1080±20℃，保温0.2小时，空冷至室温，获得细晶大规格棒材；

5)将Φ100mm锻造棒材进行力学性能和晶粒度检测，结果如表2所示。

实施例3：

1)采用电炉(EF+AOD+LF)+电渣重熔冶炼工艺，获得Φ510mm的不锈钢铸锭，化学成分见表1；

2)将获得的铸锭加热至1250±20℃，保温4小时，在2000吨快锻机上进行开坯锻造，获得250mm八角中间锻坯；

3)将250mm八角中间锻坯加热至1050±20℃，保温3小时，在1300吨径锻机上锻造，获得Φ130mm的大规格棒材；

4)将Φ130mm锻造棒材加热至1000±20℃，保温0.2小时，水冷至室温，获得细晶大规格棒材；

5)将Φ130mm锻造棒材进行力学性能和晶粒度检测，结果如表2所示。

表1本发明实施例中奥氏体不锈钢的化学成分(质量百分比)

元素	C	S	P	Mn	Si	Cr	Ni	N
									实施例1	0.02	0.001	0.018	1.75	0.44	18,94	10.37	0.17
实施例2	0.02	0.001	0.016	1.76	0.43	19.00	10.65	0.15
									实施例3	0.03	0.001	0.016	1.62	0.51	18.74	10.78	0.16

表2本发明实施例中奥氏体不锈钢的性能

本发明的奥氏体不锈钢大规格棒材由于其强度高、韧性好、耐腐蚀，可应用于航空航天领域，也可应用于石油、化工、能源和动力领域。

Claims

1.一种奥氏体不锈钢，其特征在于：所述不锈钢包括如下重量百分比的化学成分：C≤0.030％、S≤0.01％、P≤0.02％、Si≤1.00％、Mn≤2.00％、N:0.14-0.22％、Cr:17.50-19.50％、Ni:9.50-12.50％；余量为Fe及不可避免的其它杂质。

2.权利要求1所述奥氏体不锈钢制备得到的奥氏体不锈钢大规格棒材，其特征在于：所述大规格棒材为直径不低于100mm的奥氏体不锈钢大规格棒材；所述大规格棒材的抗拉强度不低于600MPa。

3.根据权利要求2所述奥氏体不锈钢大规格棒材，其特征在于：所述大规格棒材的晶粒度能达到6级甚至更细。

4.一种奥氏体不锈钢大规格棒材的制备方法，其特征在于：

2)将获得的铸锭加热至1100-1300℃进行开坯，获得中间锻坯；

5.根据权利要求4所述的奥氏体不锈钢大规格棒材的制备方法，其特征在于：步骤3)所述中间锻坯加热至920-1100℃。

6.根据权利要求4所述的奥氏体不锈钢大规格棒材的制备方法，其特征在于：步骤3)所述通过锻造或轧制方式，获得直径不低于100mm的大规格棒材。

7.根据权利要求4所述的奥氏体不锈钢大规格棒材的制备方法，其特征在于：步骤3)中，上述成材总锻造比大于等于4。

8.根据权利要求4所述的奥氏体不锈钢大规格棒材的制备方法，其特征在于：步骤4)所述冷却采用水淬，油淬或者空冷；步骤5)所述冷却采用水淬，油淬或者空冷。

9.权利要求2所述奥氏体不锈钢大规格棒材在航空航天领域里大尺寸结构部件方面的应用。