CN113015818A - 高强度非磁性奥氏体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

公开了在具有非磁性性能的同时能够表现出高强度的奥氏体不锈钢及其制造方法。根据本发明的一个实施方案的高强度非磁性奥氏体不锈钢以重量％计包含：0.02％至0.12％的C、至多1.2％的Si、0.5％至2.0％的Mn、17.0％至22.0％的Cr、11.0％至15.0％的Ni、至多3.0％的Mo和至多0.25％的N、剩余部分的Fe和不可避免的杂质，并且包含至少0.25％的C+N，并且满足式(1)和(2)。(1)[{Cr+Mo+1.5*Si+18}/{Ni+30*(C+N)+0.5*Mn+36}+0.262]*161‑161‑log(冷却速率)＜0(2)551‑462*(C+N)‑9.2*Si‑8.1*Mn‑13.7*Cr‑29*Ni‑18.5*Mo＜‑200。

Description

高强度非磁性奥氏体不锈钢及其制造方法

技术领域

本公开内容涉及非磁性奥氏体不锈钢及其制造方法，更特别地，涉及在具有非磁性性能的同时能够表现出高强度的奥氏体不锈钢及其制造方法。

背景技术

近年来，随着具有各种功能的智能设备的出现，甚至在用于电子设备的材料中对可以影响设备功能的因素的新需求也在不断增强。特别地，对减少磁性以提高电效率并防止故障的需求日益增长。由于300系列不锈钢由于奥氏体相的非磁性性能而通常表现出非磁性性能，因此其被广泛用作用于这样的电子设备的材料。

另一方面，在使300系列不锈钢凝固时，形成δ-铁索体。凝固期间形成的δ铁素体具有抑制晶粒生长和改善热加工性的作用。通常，δ-铁素体可以通过热处理在1,300℃至1,450℃的温度范围内稳定地分解。然而，即使在轧制和退火过程中，也存在δ-铁素体残留而没有被完全除去的情况。由于残余的δ-铁素体，磁性增加，并因此存在其无法用作用于电子设备的材料的问题。

此外，对300系列不锈钢进行加工硬化以提高其强度，此时，奥氏体相转变为马氏体相。在加工硬化期间出现的马氏体相被称为应变诱发的马氏体相，并且应变诱发的马氏体相快速提高材料的强度。因此，应变诱发的马氏体相被广泛用于提高300系列不锈钢的强度。然而，由于马氏体相表现出磁性，因此存在其无法满足电子设备所需的非磁性性能的问题。

发明内容

技术问题

本公开内容提供了这样的非磁性奥氏体不锈钢及其制造方法：所述非磁性奥氏体不锈钢能够优化在奥氏体不锈钢的凝固期间形成的铁素体分数，通过抑制在强化期间形成的应变诱发的马氏体相的形成而防止磁性的产生，并通过利用细二次相而确保高强度。

技术方案

根据本公开内容的一个方面，高强度非磁性奥氏体不锈钢热轧退火钢板以重量百分比(％)计包含：C：0.02％至0.12％、Si：1.2％或更少、Mn：0.5％至2.0％、Cr：17.0％至22.0％、Ni：11.0％至15.0％、Mo：3.0％或更少、N：0.25％或更少、剩余部分的Fe和其他不可避免的杂质，并且满足下式(1)。

(1)[{Cr+Mo+1.5*Si+18}/{Ni+30*(C+N)+0.5*Mn+36}+0.262]*161-161-log(冷却速率)＜0

在此，Cr、Mo、Si、Ni、C、N、Mn意指各元素的含量(重量％)，以及所述冷却速率意指由钢水凝固的铸造板坯的冷却速率(℃/秒)。

另外，根据本发明的实施方案，高强度非磁性奥氏体不锈钢热轧退火钢板的磁导率μ可以为1.01或更小。

另外，根据本发明的实施方案，高强度非磁性奥氏体不锈钢热轧退火钢板可以满足C+N：0.25％或更多。

根据本公开内容的另一方面，高强度非磁性奥氏体不锈钢冷轧钢板以重量百分比(％)计包含：C：0.02％至0.12％、Si：1.2％或更少、Mn：0.5％至2.0％、Cr：17.0％至22.0％、Ni：11.0％至15.0％、Mo：3.0％或更少、N：0.25％或更少、剩余部分的Fe和其他不可避免的杂质，满足C+N：0.25％或更多，并且满足下式(1)和(2)。

(1)[{Cr+Mo+1.5*Si+18}/{Ni+30*(C+N)+0.5*Mn+36}+0.262]*161-161-log(冷却速率)＜0

(2)551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*Ni-18.5*Mo≤-200

另外，根据本发明的实施方案，冷轧钢板可以为具有80％或更大的压下率的冷轧材料，并且可以具有1.02或更小的磁导率μ以及1,280MPa或更大的屈服强度。

另外，根据本发明的实施方案，平均直径为20nm至200nm的碳氮化物析出物的数量可以为40个/μm²或更多。

根据本公开内容的另一方面，高强度非磁性奥氏体不锈钢的制造方法包括：通过对板坯进行热轧和退火热处理来制造热轧退火钢板，所述板坯以重量百分比(％)计包含：C：0.02％至0.12％、Si：1.2％或更少、Mn：0.5％至2.0％、Cr：17.0％至22.0％、Ni：11.0％至15.0％、Mo：3.0％或更少、N：0.25％或更少、C+N：0.25％或更多、剩余部分的Fe和其他不可避免的杂质；以及通过以80％或更大的压下率对热轧退火钢板进行冷轧来制造冷轧钢板，并且板坯满足下式(1)和(2)，冷轧钢板的磁导率μ为1.02或更小。

(1)[{Cr+Mo+1.5*Si+18}/{Ni+30*(C+N)+0.5*Mn+36}+0.262]*161-161-log(冷却速率)＜0

(2)551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*Ni-18.5*Mo≤-200

另外，根据本发明的实施方案，热轧退火钢板的磁导率μ可以为1.01或更小，并且通过冷轧引起的磁导率的增加可以为0.01或更小。

另外，根据本发明的实施方案，冷轧钢板的屈服强度可以为1,280MPa或更大，以及平均直径为20nm至200nm的碳氮化物析出物的数量可以为40个/μm²或更多。

有益效果

根据本公开内容的实施方案的奥氏体不锈钢通过优化在凝固期间形成的铁素体分数并抑制应变诱发的马氏体转变而可以确保非磁性性能。磁性的抑制可以带来防止智能设备中的通信错误并提高功率效率的效果。

此外，通过利用合金组分而可以表现出强度提高的性能，而不是通过应变诱发的马氏体转变来提高强度。提高强度可以有助于部件的减重，从而减轻智能设备的重量。

附图说明

图1是示出根据本公开内容的一个实施方案形成的细碳氮化物二次相的光学显微镜照片。

图2是示出根据本公开内容的一个实施方案形成的细碳氮化物二次相的构成元素的分析的图。

具体实施方式

根据本公开内容的一个方面，高强度非磁性奥氏体不锈钢热轧退火钢板以重量百分比(％)计包含：C：0.02％至0.12％、Si：1.2％或更少、Mn：0.5％至2.0％、Cr：17.0％至22.0％、Ni：11.0％至15.0％、Mo：3.0％或更少、N：0.25％或更少、剩余部分的Fe和其他不可避免的杂质，并且满足下式(1)。

(1)[{Cr+Mo+1.5*Si+18}/{Ni+30*(C+N)+0.5*Mn+36}+0.262]*161-161-log(冷却速率)＜0

在此，Cr、Mo、Si、Ni、C、N、Mn意指各元素的含量(重量％)，以及所述冷却速率意指由钢水凝固的铸造板坯的冷却速率(℃/秒)。

发明实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述本公开内容的实施方案。提供以下实施方案以将本公开内容的技术概念传达给本领域普通技术人员。然而，本公开内容不限于这些实施方案，而是可以以另外的形式体现。在附图中，为了使本公开内容清楚，可以不示出与说明无关的部分，此外，为了容易理解，组件的尺寸或多或少被放大示出。

在本公开内容中，优化了在奥氏体不锈钢凝固时形成的铁素体相的分数。此外，即使在快速冷却的情况下，也考虑残留铁素体相的增加而得出了用于防止磁性形成的最佳条件。此外，提高了奥氏体相的稳定化程度以抑制在高强度期间形成的应变诱发的马氏体相的形成。由此，防止了磁性的产生，并且通过添加诸如C和N的间隙元素并利用细碳氮化物二次相进行析出硬化来提高强度而经由固溶强化确保了高强度。

根据本公开内容的一个实施方案的高强度非磁性奥氏体不锈钢以重量百分比(％)计包含：C：0.02％至0.12％、Si：1.2％或更少、Mn：0.5％至2.0％、Cr：17.0％至22.0％、Ni：11.0％至15.0％、Mo：3.0％或更少、N：0.25％或更少、剩余部分的Fe和其他不可避免的杂质。

在下文中，描述了本公开内容的实施方案中限制合金元素含量的数值的原因。在下文中，除非另有说明，否则单位为重量％。

C的含量为0.02％至0.12％。

C是强的奥氏体相稳定化元素，并且是通过固溶强化有效提高材料强度的元素。其有助于使奥氏体相稳定以表现出非磁性性能，特别地，在本公开内容中，其通过形成200nm或更小的细析出相而有助于提高强度。为了确保奥氏体相稳定化，需要添加0.02％或更多。此外，过量添加会导致析出相的粗大化并因此降低耐蚀性，因此优选将其限制为0.12％或更少。

Si的含量为1.2％或更少。

Si表现出提高耐腐蚀性的作用，但作为铁素体稳定化元素存在增加磁导率的问题。此外，当过量时，其促进诸如σ相的金属间化合物的析出，从而降低机械性能和耐腐蚀性，因此优选将其限制为1.2％或更少。

Mn的含量为0.5％至2.0％。

Mn如C和Ni一样是奥氏体相稳定化元素，并且对于非磁性强化有效。然而，由于Mn含量的增加与诸如MnS的夹杂物的形成有关，耐蚀性降低，因此优选将Mn含量限制为0.5％至2.0％。

Cr的含量为17.0％至22.0％。

Cr是对于提高不锈钢的耐腐蚀性最重要的元素。为了确保足够的耐腐蚀性，优选包含17.0％或更多，但由于Cr是铁素体相稳定化元素，因此需要限制在非磁性钢中的添加。当Cr含量增加日寸，铁素体相分数增加，使得必须包含大量的Ni以获得非磁性性能，因此成本增加，并且促进了σ相的形成，这导致机械性能和耐腐蚀性降低。因此，优选将Cr含量限制为22.0％或更少。

Ni的含量为11.0％至15.0％。

Ni是奥氏体相稳定化元素中最有效的元素，并且必须包含11.0％或更多以获得非磁性性能。然而，由于Ni含量的增加与原料价格的增加直接相关，因此优选将Ni含量限制为15.0％或更少。

Mo的含量为3.0％或更少。

Mo是对于提高耐腐蚀性有用的元素，但作为铁素体相稳定化元素，当大量添加时，铁素体相分数增加，使得其难以获得非磁性性能。此外，优选将其限制为3.0％或更少，因为会促进σ相的形成，这导致机械性能和耐腐蚀性降低。

N的含量为0.25％或更少。

N是可用于使奥氏体相稳定的元素，并且是对于确保非磁性性能必要的元素。然而，当大量添加时，热加工性降低并且钢的产率降低，因此优选将其限制为0.25％或更少。

除以上合金元素之外，不锈钢的其余部分由Fe和其他不可避免的杂质构成。

通常，300系列不锈钢主要由奥氏体相和呈现为残留显微组织的在凝固期间形成的一些铁素体相构成。300系列不锈钢的组织中存在的奥氏体相具有面心立方结构，并且不表现出磁性。然而，铁素体相由于具有体心立方结构的组织的特性而变为有磁性的。残余铁素体相中的一些是在凝固时形成的残余铁素体，并且可以通过控制残余铁素体相的含量来获得期望大小的磁性性能。特别地，在非磁性钢的情况下，必须尽可能低地降低或消除铁素体相的分数。

凝固期间残留的铁素体相的含量极大地受合金组分影响。此外，根据近来各种制造技术的发展，可以在制造期间应用各种冷却速率，并且此时，残余铁素体相的含量可以根据冷却速率而改变。

300系列不锈钢中的在凝固期间残留的铁素体的含量受使奥氏体相稳定的组分元素例如Ni、C和N以及使铁素体相稳定的组分元素例如Cr、Si和Mo的比率影响。典型地，通过诸如以下[关系表达式]的经验公式来预测残余铁素体分数，并且已知存在与其成比例的趋势。

[关系表达式]

[{Cr+Mo+1.5*Si+18}/{Ni+30*(C+N)+0.5*Mn+36}+0.262]*161-161

然而，当铸造板坯的冷却速率快时，在由于凝固引起的温度下降期间经过的奥氏体单相区域中难以具有足够的时间使铁素体分解，因此残留相对高分数的铁素体。为此原因，在本公开内容中，考虑到由钢水凝固的铸造板坯的冷却速率(℃/秒)，得出式(1)。对于各种300系列不锈钢，当式(1)的值为负值时，其可以表示智能设备所需的1.02或更小的磁导率μ的磁值。

(1)[{Cr+Mo+1.5*Si+18}/{Ni+30*(C+N)+0.5*Mn+36}+0.262]*161-161-log(冷却速率)＜0

为了使最终的冷轧材料确保磁导率为1.02或更小的非磁性性能，期望热轧退火钢板的磁导率为1.01或更小。如果式(1)的值为0或更大，则形成残余铁素体，并且热轧退火钢板的磁导率超过1.01。

另一方面，300系列不锈钢通过加工硬化提高强度。由于根据变形的量形成马氏体相，强度增加。然而，在用于智能设备的材料中，马氏体相表现出磁性并且无法用作合适的部件。在本公开内容中，通过式(2)得出在加工硬化期间通过抑制马氏体转变而不引起磁性增加的组分范围。

(2)551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*Ni-18.5*Mo≤-200

当满足式(2)的范围时，出现磁导率仅略微增加0.01或更小，更优选地0.005或更小。特别地，当同时满足式(1)和(2)时，即使在冷轧60％或更多时，最终的冷轧材料也可以抑制应变诱发的马氏体相的形成，使得可以指示出智能设备所需的1.02或更小的磁导率μ的磁值。

另一方面，抑制马氏体转变不会获得在300系列不锈钢的加工硬化期间发生的强度增加。在本公开内容中，为了防止这样的强度降低，通过添加诸如C和N的间隙元素以及析出细二次相来通过利用固溶强化确保高强化。

根据本公开内容的一个实施方案，C+N可以为0.25％或更多，以及平均直径为20nm至200nm的碳氮化物析出物的数量可以为40个/μm²或更多。

通常，过量添加C和N会导致由于碳氮化物形成而耐腐蚀性降低。如果与Cr的结合强度优异的C、N的含量过多，则对耐腐蚀性有效的Cr在铁素体-奥氏体相界处形成为碳氮化物，并且由于因晶界周围Cr含量降低而导致耐腐蚀性降低，因此通常将C和N的含量分别限制为0.05％或更少。本公开内容考虑甚至以100℃/秒或更高的快速冷却速率凝固的情况，此时，当C含量和N含量之和的值为2500ppm或更大时，可以表现出1,280MPa或更大的屈服强度。添加的C和N以细的析出的碳氮化物的形式分布，并且通过显微组织分析可以确定，如图1所示，在0.5×0.5μm²内形成了10个或更多个200nm或更小的细碳氮化物。

接下来，描述根据本公开内容的一个实施方案的高强度非磁性奥氏体不锈钢的制造方法。

根据本公开内容的非磁性奥氏体不锈钢的制造方法可以通过奥氏体不锈钢的一般工艺来制造。重要的是控制合金元素的组成，以防止在热轧退火热处理之后的冷轧期间形成残余铁素体部分和应变诱发的马氏体相。

高强度非磁性奥氏体不锈钢的制造方法可以包括：通过对板坯进行热轧和退火热处理来制造热轧退火钢板，所述板坯以重量百分比(％)计包含：C：0.02％至0.12％、Si：1.2％或更少、Mn：0.5％至2.0％、Cr：17.0％至22.0％、Ni：11.0％至15.0％、Mo：3.0％或更少、N：0.25％或更少、C+N：0.25％或更多、剩余部分的Fe和其他不可避免的杂质；以及通过以80％或更大的压下率对热轧退火钢板进行冷轧来制造冷轧钢板。

通过满足式(1)，热轧退火钢板可以表现出1.01或更小的磁导率μ。此外，通过满足公式(2)，由于冷轧引起的磁导率的增加可以为0.01或更小，此外，磁导率的增加可以为0.005或更小。因此，冷轧钢板可以表现出1.02或更小的磁导率。

在下文中，将通过本公开内容的优选实施方案更详细地对其进行描述。

实施例

通过应用三种冷却速率来制备具有表1中所示的合金组成的钢。

在连续铸造法中，以10℃/秒的平均冷却速率铸造200mm厚的板坯，然后通过热轧和退火热处理过程来制造热退火钢板。在1,250℃下加热2小时之后，进行热轧至2mm的厚度以制备热轧卷材，并在1,150℃下退火热处理之后测量磁导率。

此外，应用50℃/秒的平均冷却速率来制备锭材料，并在与连续铸造法相同的条件下进行热轧和退火热处理，以生产2mm的热轧卷材。

最后，使用薄板铸造法以100℃/秒的平均冷却速率制造2mm的热轧卷材，并在1,150℃下退火热处理之后测量磁导率。

之后，将各种钢类型的2mm热轧卷材冷轧80％，并测量冷轧钢板的磁导率，并且磁导率使用接触式铁磁计来测量。

<表1>

<表2>

如表2所示，在1至10钢种中，当式(1)的值显示为小于0的负值时，发现热轧退火钢板的磁导率小于1.01，具体地，发现其非常小，小至1.002或更小。

同时参见表1和2，满足本公开内容的合金组分和式(1)的1至10钢种中仅1至8同时满足式(2)。1至8钢种同时还满足式(2)，因此在1至8钢种中，即使在以80％压下率冷轧期间，应变诱发的马氏体相的形成也受到抑制，并且最终的冷轧钢板的磁导率未增加且满足小于1.02。实际上，其显示出0.004或更小的磁导率增加。然而，尽管9和10钢种满足合金组分，但式(2)的值高于-200，因此磁导率增加，并因此磁导率超过1.02。

对于钢种11至18，由于不满足式(1)和式(2)二者，热轧退火钢板的磁导率超过1.01，并且磁导率的增加高，最终的冷轧钢板的磁导率也超过1.02。特别地，在对应于本公开内容的合金组成并且还满足式(2)的19钢的情况下，磁导率的增加为0，但是由于不满足式(1)，因此热轧退火钢板的磁导率已经超过1.02。由此确定，通过满足式(1)将热轧退火钢板的磁导率控制为1.01或更小是重要的。

对于式(2)的值相对高于本公开内容的上限-200的钢种15、20和21，磁导率的增加为0.5或更大。因此，可以看出通过冷轧产生了大量应变诱发的马氏体相。

表3示出了测量80％冷轧材料的屈服强度随C+N含量的结果。

<表3>

如表3所示，当C+N含量为0.25％或更大时，可以在不产生应变诱发的马氏体相的情况下实现1,280MPa或更大的屈服强度。表2中的钢种7和8满足式(1)、式(2)和磁导率，但C+N含量小于0.25％，表明最终的冷轧材料的屈服强度为1,230MPa或更小。如图1和2所示，确定在添加高含量的C和N时的屈服强度的增加是由于析出细碳氮化物二次相。

在以上描述中，已经描述了本公开内容的示例性实施方案，但本公开内容不限于此。本领域普通技术人员将理解，可以在不脱离所附权利要求的概念和范围的情况下进行各种改变和修改。

工业适用性

根据本公开内容的奥氏体不锈钢可以实现非磁性和高强度特性，因此其可以广泛应用于需要非磁性性能的领域，例如逐渐变得多样化的智能设备。

Claims (10)

1.一种高强度非磁性奥氏体不锈钢热轧退火钢板，以重量百分比(％)计包含：C：0.02％至0.12％、Si：1.2％或更少、Mn：0.5％至2.0％、Cr：17.0％至22.0％、Ni：11.0％至15.0％、Mo：3.0％或更少、N：0.25％或更少、剩余部分的Fe和其他不可避免的杂质，以及

满足下式(1)，

(1)[{Cr+Mo+1.5*Si+18}/{Ni+30*(C+N)+0.5*Mn+36}+0.262]*161-161-log(冷却速率)＜0

在此，Cr、Mo、Si、Ni、C、N、Mn意指各元素的含量，以重量％计，以及所述冷却速率意指由钢水凝固的铸造板坯的冷却速率，以℃/秒计。

2.根据权利要求1所述的高强度非磁性奥氏体不锈钢热轧退火钢板，其中所述高强度非磁性奥氏体不锈钢热轧退火钢板的磁导率μ为1.01或更小。

3.根据权利要求1所述的高强度非磁性奥氏体不锈钢热轧退火钢板，其中所述高强度非磁性奥氏体不锈钢热轧退火钢板满足C+N：0.25％或更多。

4.一种高强度非磁性奥氏体不锈钢冷轧钢板，以重量百分比(％)计包含：C：0.02％至0.12％、Si：1.2％或更少、Mn：0.5％至2.0％、Cr：17.0％至22.0％、Ni：11.0％至15.0％、Mo：3.0％或更少、N：0.25％或更少、剩余部分的Fe和其他不可避免的杂质，

满足C+N：0.25％或更多，以及

满足下式(1)和(2)，

(1)[{Cr+Mo+1.5*Si+18}/{Ni+30*(C+N)+0.5*Mn+36}+0.262]*161-161-log(冷却速率)＜0

(2)551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*Ni-18.5*Mo≤-200

在此，Cr、Mo、Si、Ni、C、N、Mn意指各元素的含量，以重量％计，以及所述冷却速率意指由钢水凝固的铸造板坯的冷却速率，以℃/秒计。

5.根据权利要求4所述的高强度非磁性奥氏体不锈钢冷轧钢板，其中所述冷轧钢板为具有80％或更大的压下率的冷轧材料，以及具有1.02或更小的磁导率μ。

6.根据权利要求4所述的高强度非磁性奥氏体不锈钢冷轧钢板，其中所述冷轧钢板为具有80％或更大的压下率的冷轧材料，以及具有1,280MPa或更大的屈服强度。

7.根据权利要求4所述的高强度非磁性奥氏体不锈钢冷轧钢板，其中平均直径为20nm至200nm的碳氮化物析出物的数量为40个/μm²或更多。

8.一种高强度非磁性奥氏体不锈钢的制造方法，所述制造方法包括：

通过对板坯进行热轧和退火热处理来制造热轧退火钢板，所述板坯以重量百分比(％)计包含：C：0.02％至0.12％、Si：1.2％或更少、Mn：0.5％至2.0％、Cr：17.0％至22.0％、Ni：11.0％至15.0％、Mo：3.0％或更少、N：0.25％或更少、C+N：0.25％或更多、剩余部分的Fe和其他不可避免的杂质；以及

通过以80％或更大的压下率对所述热轧退火钢板进行冷轧来制造冷轧钢板，以及

其中所述板坯满足下式(1)和(2)，

所述冷轧钢板的磁导率μ为1.02或更小，

(1)[{Cr+Mo+1.5*Si+18}/{Ni+30*(C+N)+0.5*Mn+36}+0.262]*161-161-log(冷却速率)＜0

(2)551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*Ni-18.5*Mo≤-200

在此，Cr、Mo、Si、Ni、C、N、Mn意指各元素的含量，以重量％计，以及所述冷却速率意指由钢水凝固的铸造板坯的冷却速率，以℃/秒计。

9.根据权利要求8所述的高强度非磁性奥氏体不锈钢的制造方法，其中所述热轧退火钢板的磁导率μ为1.01或更小，以及通过所述冷轧引起的磁导率的增加为0.01或更小。

10.根据权利要求8所述的高强度非磁性奥氏体不锈钢的制造方法，其中所述冷轧钢板的屈服强度为1,280MPa或更大，以及平均直径为20nm至200nm的碳氮化物析出物的数量为40个/μm²或更多。

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