CN113136533A - 一种低温用奥氏体不锈钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低温用奥氏体不锈钢及其制造方法，钢中化学成分按重量百分比计为：C0.04％‑0.10％、Si0.20％‑0.50％、Mn3.00％‑6.00％、Ni4.00％‑6.00％、Cr 18.00％‑22.00％、Mo0.40％‑0.60％、Cu1.00％‑1.50％、Nb0.40％‑0.80％、P≤0.03％、S≤0.01％、N0.10％‑0.20％，其余含量为Fe和不可避免的杂质。本发明通过优化化学成分，轧制和热处理工艺，使钢板在固溶处理后的常温及低温状态的力学性能均保持较高水平，完全满足技术指标的要求，同时富裕量较大，完全适用于现代工业对于低温用钢的需求。
Description
技术领域
本发明涉及黑色金属材料，尤其涉及一种低温用奥氏体不锈钢及其制造方法。
背景技术
不锈钢是一种重要的工业用材料，具有许多优异的性能，例如：耐蚀性好、耐热性好、低温性能好、易加工性好，同时还可循环利用，是一种优良的环保型材料。不锈钢的开发和应用迄今已有100年的历史，1912年，英国率先开发了含铬13wt％的马氏体不锈钢，随后，美国研制出了铁素体不锈钢，不久，德国开始着手研制奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢因其具备良好的力学性能、可加工性能、耐蚀性能以及耐中子辐照性能，在工业中被广泛应用，约占世界不锈钢总产量的60％以上。
随着近年工业空气动力学的发展，在航空航天、交通运输、房屋建筑、风能利用等领域都对奥氏体不锈钢低温应用提出了需求。作为低温用钢，除了强度外最重要的指标就是其低温冲击韧性，要求其韧脆转变温度低于材料的最低使用温度，在使用温度条件下具有足够的韧性，有足够的防脆性开裂能力和抗裂纹扩展的止裂能力。常规的奥氏体不锈钢很难满足要求，已不能满足现有工业需求。
目前奥氏体不锈钢的相关专利公开文件如下：
宝山钢铁股份有限公司申请的《一种软态奥氏体不锈钢及其制备方法》(申请号：201210050217.4)，主要涉及一种软态奥氏体不锈钢，其质量百分比组成为：C≤0.025％，N≤0.020％，Ti≥6C，Ni：10.00-12.00％，Cr：18.00-19.00％，Mn≤2％，Si≤0.40％，S≤0.015％，P≤0.045％，余量为Fe和不可避免的杂质。该发明的软态奥氏体不锈钢板材可应用于对成型性能和耐腐蚀性能要求较高的领域。该发明中采取浇铸方式成品，同时未提及钢板低温性能方面的内容。
宝钢特钢有限公司申请的《一种高氮无磁奥氏体不锈钢及其制造方法》(申请号：201610966450.5)，其化学成分重量百分比如下：C：0.01-0.10％，Si：≤1.0％，Mn：17.0-24.0％，P≤0.035％，S≤0.015％，Ni：1.0-4.0％，Cr：17.0-24.0％，Mo：≤1.0％，N：0.50-0.80％，其余为Fe和不可避免的杂质组成。该发明的制造方法包括：电路+AOD+LF方式冶炼，连住或者模铸扁锭，连铸控制过热度小于50℃，将连铸坯或模铸锭放入步进式中加热，在轧机上热轧成所需规格的板材，终轧温度在800-950℃，热轧板材进行酸洗后的到高氮搞实体不锈钢热轧板成品，该产品具有高屈服强度、良好的塑韧性、无磁性和耐腐蚀性能，应用领域广泛。该发明中为高氮成分，同时未提及钢板低温性能方面的内容。
北京科技大学申请的《一种高锰无氮型高强高韧抗氢脆奥氏体不锈钢及制备方法》(申请号201910447345.4)，其化学成分为：C＜0.05％，Si＜0.50％，Mn：6％-10％，Cr：12-16％，Ni：4.5-6.5％，Mo：0.5-3％，S＜0.01％，P＜0.03％，余量为Fe和微量添加的Nb、Ti、V、Al、Cu及不可避免的杂质元素。制造方法包括冶炼(铸造)、锻造(热轧)、轧制、回火等工艺步骤。该发明制造的高强高韧不锈钢特点是基于13Cr-5Ni-2Mo/15Cr-6Ni-2Mo超级马氏体不锈钢，通过添加廉价的Mn元素进行奥氏体话，通过残余马氏体背应力强化和奥氏体基体的细晶强化实现高强度，通过相变获得高韧性，通过奥氏体华提高材料的抗H2S(氢脆)应力腐蚀性能。该发明制造的高强钢，在保持好的耐蚀性的同时拥有极高韧性和抗氢脆性能。但该发明采用冷轧及回火处理，规格较薄，无法保证厚规格钢板的性能，同时对钢板在低温方面的力学性能并未关注。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温用奥氏体不锈钢及其制造方法，生产的钢板厚度为10-60mm，本发明通过进一步优化化学成分，轧制和热处理工艺，使钢板在固溶处理后的常温及低温状态的力学性能均保持较高水平，完全满足技术指标的要求，同时富裕量较大，体现出较好的钢板强度及韧性的匹配，完全适用于现代工业对于低温用钢的需求。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种低温用奥氏体不锈钢，钢中化学成分按重量百分比计为：C 0.04％-0.10％、Si 0.20％-0.50％、Mn 3.00％-6.00％、Ni 4.00％-6.00％、Cr 18.00％-22.00％、Mo0.40％-0.60％、Cu 1.00％-1.50％、Nb 0.40％-0.80％、P≤0.03％、S≤0.01％、N 0.10％-0.20％，其余含量为Fe和不可避免的杂质。
采用上述成分设计理由如下：
(1)C：钢中C是最主要、最经济的强化元素，可以形成、稳定和扩大奥氏体相区，对形成奥氏体组织有着重要作用，但C含量过高，会导致碳化物析出，降低不锈钢的耐晶间腐蚀性能，此外还会导致加工硬化和焊接性能差，但C含量过低会明显增加冶炼成本和难度，因此，本发明中C重量百分含量应控制在0.04％-0.10％范围以便获得优良的综合性能。
(2)Si：Si是铁素体形成元素，为确保单相奥氏体的稳定性，对Si含量需严格限制，同时Si含量过多还会导致加工和韧性恶化，因此其含量不宜过多，将Si含量控制在0.20％-0.50％。
(3)Mn：Mn具有稳定奥氏体的作用，同时提高N在钢中的溶解度，但Mn对不锈钢的耐蚀性能不利，同时导致夹杂物增多，因此含量也不易过高，所以要求钢中Mn含量控制在3.00％-6.00％范围内。
(4)Ni：Ni也是形成和扩大奥氏体区的元素，可以提高奥氏体的稳定性，同时可以提高钢的低温冲击韧性，降低其韧脆转变温度，但其含量过高，不仅增加生产成本，同时增加了碳化物的析出倾向，因此本发明要求钢中Ni含量控制为4.00％-6.00％。
(5)Cr：是保证不锈钢耐蚀性非常重要的合金元素，同时也是稳定铁素体的元素，因此Cr含量过高，会导致铁素体含量增加，因此本发明优选Cr含量为18.00％-22.00％。
(6)Mo：可以改善钢的耐蚀性能，特别是与Cr复合作用的情况下，耐点蚀当量是Cr的3.3倍，但其同时也是铁素体形成元素，同时考虑到价格因素，因此本发明要求钢中Mo含量控制为0.40％-0.60％。
(7)Cu：Cu是扩大奥氏体相区的元素，可以提高钢的强度，此外还能提高钢的抗疲劳裂纹扩展能力，改善钢的冷加工性能，但Cu含量过高不利于钢板焊接，综合考虑Cu对钢板综合力学性能的影响，将Cu含量控制在1.00％-1.50％。
(8)Nb：是强固C元素，与C的结合能力大于Cr，在钢中会和C结合形成稳定的NbC，降低奥氏体中固溶的碳含量，改善不锈钢的晶间腐蚀性能，增强不锈钢的稳定性，结合实际生产控制水平及成本因素，将Nb含量控制在0.40％-0.80％。
(9)P、S：是钢中有害的杂质元素，P易在钢中形成偏析，降低钢的韧性及焊接性能，增加钢的冷脆性，并且磷元素有加速辐照脆化的倾向。S易形成塑性硫化物，使钢各向异性严重，恶化钢的冲击韧性和加工性能，加重中心偏析、疏松等缺陷，故其含量应越低越好，结合实际生产控制水平及成本因素，P≤0.03％，S≤0.01％。
(10)N：在提高不锈钢的强度和耐磨性的同时又不会损失其塑性，同时可以提高耐蚀性能，以弥补增Mn、降Ni带来的不利影响，同时可显著降低成本，但过高的N会导致冶炼困难，增大氮化物形成的风险，降低钢的韧性和耐蚀性，因此在本发明中要求N重量百分含量0.10％-0.20％。
成品钢板厚度为10-60mm。
所述不锈钢常温屈服强度Rp0.2可达270-307MPa，抗拉强度Rm可达565-606MPa；-196℃低温拉伸时，屈服强度Rp0.2可达652-690MPa，抗拉强度Rm可达1281-1328MPa。
所述不锈钢常温冲击吸收能量为263-322J，-196℃低温冲击吸收能量为212-278J；三次深冷循环处理后的常温冲击吸收能量为262-343J，-196℃低温冲击吸收能量为219-303J。
一种低温用奥氏体不锈钢的制造方法，包括如下方法：
1)冶炼：采用电炉+AOD+LF+连铸的二步法工艺，具有冶炼时间短、降低生产成本等优点。电炉完成合金熔化任务；AOD完成吹炼，进行脱碳和调温；LF进行脱硫，白渣保持时间20min以上，过热度小于30℃，弱冷，连铸拉速1.5-2.0m/min能够保证连铸坯中柱状晶发达，减少心部等轴晶的生成，在铸坯凝固末端投入电磁搅拌，以充分改善铸坯内在质量，连铸坯下线后立即堆垛缓冷48小时以上；
2)加热：采用三段式加热，使奥氏体组织均匀化，预热段温度≤800℃，加热时间为0.5-1h；加热段温度1140-1200℃，加热时间为1-1.5h；均热段温度1120-1170℃，加热时间为1-1.5h；加热后出炉温度控制在1120-1170℃；
3)轧制：开轧温度1100-1150℃，终轧温度≥950℃，采用高温、快轧、中等压下方式生产，总变形量≥60％，辊道水全部关停，提高除鳞高压水的压力，减少热量损失。钢板下线后进行堆垛缓冷，保证钢板内外散热一致；
4)热处理：钢板轧后需要进行固溶处理，使组织均匀、晶粒细小、性能稳定。
上述步骤4)中，固溶温度为1040℃-1060℃，保温时间1-3min/mm，保证钢板内外温度一致，形成单一均匀的奥氏体组织，出炉后最大水量冷却至室温。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明通过增加Cu、Mo、Nb等合金元素，有效的减少了Ni合金含量，严格控制了生产成本，不仅改善了钢板后续的冷加工性能，同时能够提高钢的抗点腐蚀的能力，增加不锈钢的钝化能力。
2)通过化学成分的优化设计，再配合适宜的轧制和热处理工艺，保证了钢板具有良好的常温和低温强度，低温冲击等关键指标良好，完全满足后续装备制造要求。本发明钢种经固溶处理后，具有较好的强度水平，固溶处理后常温屈服强度(Rp0.2)和抗拉强度(Rm)分别为290MPa和590MPa左右(指标要求Rp0.2≥230MPa、Rm≥540MPa)；固溶处理后-196℃低温拉伸时，屈服强度(Rp0.2)和抗拉强度(Rm)分别为670MPa和1300MPa左右(指标要求Rp0.2≥350MPa、Rm≥1250MPa)。从固溶处理后常温拉伸和低温拉伸结果来看，不同状态钢板拉伸性能远高于指标要求，相比于其它钢种有较大幅度提高。
3)通过对连铸工艺的控制，连铸坯内部均为柱状晶，未产生柱状晶和等轴晶的搭界，避免了碳化物在连铸坯凝固过程中易在柱状晶和等轴晶的交界处聚集，保证钢板的低温韧性，钢板在不同状态下的常温和低温冲击吸收能量同样保持在较高的水平。钢板固溶处理后的常温和-196℃低温冲击吸收能量分别为290J和250J左右，三次深冷循环处理后的常温和-196℃低温冲击吸收能量分别为300J和260J左右，不仅满足指标的要求，而且具有较大的余量。
综上，本发明的钢板强度和冲击韧性都非常好，能够应对低温、机械冲击等恶劣条件的挑战，且该发明钢种巧妙发挥了Cu、Mo、Nb等元素在钢中的作用，使其具有优良的低温强度和低温冲击韧性，更能符合各应用领域的使用要求，该发明钢板性能稳定、安全系数高，钢板固溶状态的强度和韧性得到良好的匹配，完全能够满足低温奥氏体不锈钢的要求。本发明钢以固溶状态交货，对轧制制度要求不高，轧制成本较低，同时工艺简单，稳定，可操作性强，钢板合格率高，适应大生产要求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。
实施例：
实施例1-8化学成分见表1；实施例1-8轧制及固溶热处理工艺见2；实施例1-8拉伸性能检验结果见表3；实施例1-8冲击性能检验结果见表4。
表1各实施例钢的化学成分(wt％)
| 元素 | C | Si | Mn | Ni | Cr | Mo | Cu | Nb | P | S | N |
| 例1 | 0.06 | 0.30 | 3.40 | 5.00 | 18.25 | 0.46 | 1.20 | 0.48 | 0.018 | 0.004 | 0.16 |
| 例2 | 0.08 | 0.50 | 5.60 | 5.50 | 19.50 | 0.52 | 1.10 | 0.66 | 0.016 | 0.003 | 0.18 |
| 例3 | 0.05 | 0.42 | 4.60 | 4.50 | 21.50 | 0.55 | 1.45 | 0.75 | 0.018 | 0.002 | 0.14 |
| 例4 | 0.04 | 0.35 | 5.50 | 4.00 | 19.45 | 0.40 | 1.25 | 0.46 | 0.018 | 0.002 | 0.18 |
| 例5 | 0.10 | 0.25 | 5.40 | 6.00 | 20.60 | 0.60 | 1.30 | 0.52 | 0.015 | 0.003 | 0.12 |
| 例6 | 0.04 | 0.35 | 3.20 | 4.20 | 21.65 | 0.45 | 1.48 | 0.72 | 0.016 | 0.002 | 0.10 |
| 例7 | 0.08 | 0.20 | 4.80 | 4.80 | 20.00 | 0.42 | 1.50 | 0.58 | 0.015 | 0.005 | 0.18 |
| 例8 | 0.10 | 0.30 | 3.80 | 4.50 | 18.50 | 0.54 | 1.15 | 0.65 | 0.015 | 0.003 | 0.20 |
表2轧制及固溶热处理工艺
表3拉伸性能检验结果
表4冲击性能检验结果
从以上各实施例的实验结果中得知，10-60mm规格钢板经过固溶处理，各项性能指标完全满足要求，钢板具有良好的综合力学性能。采用固溶处理工艺生产，与连铸热轧工艺相结合，整张钢板力学性能均匀，质量稳定，适合大批量生产。
Claims (6)
1.一种低温用奥氏体不锈钢，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比计为：C0.04％-0.10％、Si 0.20％-0.50％、Mn 3.00％-6.00％、Ni 4.00％-6.00％、Cr 18.00％-22.00％、Mo 0.40％-0.60％、Cu 1.00％-1.50％、Nb 0.40％-0.80％、P≤0.03％、S≤0.01％、N 0.10％-0.20％，其余含量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种低温用奥氏体不锈钢，其特征在于，成品钢板厚度为10-60mm。
3.根据权利要求1所述的一种低温用奥氏体不锈钢，其特征在于，所述不锈钢常温屈服强度Rp0.2 270-307MPa，抗拉强度Rm 565-606MPa；-196℃低温拉伸时，屈服强度Rp0.2 652-690MPa，抗拉强度Rm 1281-1328MPa。
4.根据权利要求1所述的一种低温用奥氏体不锈钢，其特征在于，所述不锈钢常温冲击吸收能量为263-322J，-196℃低温冲击吸收能量为212-278J；三次深冷循环处理后的常温冲击吸收能量为262-343J，-196℃低温冲击吸收能量为219-303J。
5.一种如权利要求1-4其中任意一项所述的低温用奥氏体不锈钢的制造方法，其特征在于，包括如下方法：
1)冶炼：采用电炉+AOD+LF+连铸的二步法工艺，LF进行脱硫，白渣保持时间20min以上，过热度小于30℃，连铸拉速1.5-2.0m/min，在铸坯凝固末端投入电磁搅拌，连铸坯下线后立即堆垛缓冷48小时以上；
2)加热：采用三段式加热，预热段温度≤800℃，加热时间为0.5-1h；加热段温度1140-1200℃，加热时间为1-1.5h；均热段温度1120-1170℃，加热时间为1-1.5h；加热后出炉温度控制在1120-1170℃；
3)轧制：开轧温度1100-1150℃，终轧温度≥950℃，总变形量≥60％，辊道水全部关停，钢板下线后进行堆垛缓冷；
4)热处理：钢板轧后进行固溶处理。
6.根据权利要求5所述的一种低温用奥氏体不锈钢的制造方法，其特征在于，上述步骤4)中，固溶温度为1040℃-1060℃，保温时间1-3min/mm，出炉后最大水量冷却至室温。
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