CN113564462B

CN113564462B - 耐晶间腐蚀组织均匀高碳奥氏体不锈钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN113564462B
Application number: CN202110727249.2A
Authority: CN
Inventors: 邢梦楠; 胡昕明; 欧阳鑫; 王储; 管吉春; 贾春堂; 安晓光; 孙殿东; 王勇; 黄松
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2021-06-29
Filing date: 2021-06-29
Publication date: 2022-05-20
Anticipated expiration: 2041-06-29
Also published as: CN113564462A

Abstract

本发明提供了一种耐晶间腐蚀组织均匀高碳奥氏体不锈钢板及其制造方法，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.07％～0.11％，Si：0.49％～0.97％，Mn：1.53％～2.51％，P:≤0.035％，S≤0.015％，Ni：7.90％～9.40％，Cr：19.10％～19.90％，V：0.32％‑0.53％，W：0.03％～0.06％，N：0.04％～0.12％，其余为Fe及不可避免杂质；制造方法包括冶炼、铸造、加热、轧制、热处理、冷矫直；本发明采用两阶段控制轧制方式结合三阶段固溶处理的方式，生产最大厚度100mm的奥氏体不锈钢板，生产钢板其整个厚度截面的晶粒度满足3～5级要求且没有混晶现象发生，钢板耐晶间腐蚀性能良好。

Description

耐晶间腐蚀组织均匀高碳奥氏体不锈钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于钢铁材料领域，尤其涉及一种耐晶间腐蚀组织均匀高碳奥氏体不锈钢板及其制造方法。

背景技术

不锈钢的种类很多，按照内部组织分类可分为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢。其中奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的一大类。而奥氏体不锈钢的主要特点是在室温下具有无磁性的奥氏体组织，钢的屈强比低、塑性好、焊接性能良好。其成分特点是含有较高成分的铬(≥17％)、镍(8-25％)及其它提高耐蚀性元素。因而奥氏体不锈钢不但具有好的耐蚀性同时还具有良好的力学性能和工艺性能，从而在机械设备上获得了广泛的应用。随着石化领域设备大型化趋势的发展，奥氏体不锈钢钢板的生产逐渐趋于厚规格，但随之而来的混晶问题，愈发凸显，亟待解决。混晶是指在材料显微组织上同时存在粗大和细小的晶粒，其中细晶粒分布在粗大晶粒周围，是材料内部缺陷的一种，对材料的力学性能、工艺性能危害较大，尤其是钢板高温服役性能。且对于奥氏体不锈钢，一旦产生混晶很难通过相应工艺进行改善或消除。

晶间腐蚀是是金属在特定的腐蚀环境中沿着或紧挨着材料的晶界发生和发展的局部腐蚀破坏状态。材料发生晶间腐蚀后其表面无变化，但在腐蚀严重的情况下，晶粒结合力丧失，完全失去强度，轻敲无清脆的金属声，用力敲击则易碎成小块甚至形成粉末，因此它是一种具有较大破坏性的局部腐蚀。奥氏体不锈钢因含有较高成分的Cr元素，易与钢中C结合，在加热保温过程中形成富铬碳化物(Cr₂₃C₆)，其对钢板耐晶间腐蚀性能十分不利。奥氏体不锈钢的常规生产中一般将钢板加热至某一温度并保温一段时间后水冷。钢板在某一热处理温度下进行一定时间保温，如果保温时间过短，钢中富铬碳化物(Cr₂₃C₆)无法有效溶入基体，造成钢板耐晶间腐蚀性能下降，如果保温时间过长，钢中晶粒则易发生急速长大甚至发生混晶现象。虽然钢板经过高温+长时保温有利于消除钢中富铬碳化物(Cr₂₃C₆)的溶解，但这将造成晶粒尺寸的急剧长大。高碳奥氏体不锈钢一般是指含量碳超过0.03％的常温组织为奥氏体不锈钢，其含碳量相对较高，因此，晶间腐蚀与晶粒均匀性也是高碳奥氏体不锈钢的生产与开发中的一大难题。

专利文献《提高具有FCC晶体结构合金耐晶间腐蚀性能的加工方法》(受理号CN110004368A)公开了一种开坯粗轧+多道次连续精轧结合的轧制方式，上述方式保证了钢板具有FCC晶体结构合金耐晶间腐蚀性能的加工方法，其研究的热轧板厚度在10～70mm，但该专利未讨论此方式对于钢板晶粒均匀性的控制效果。

专利文献《高碳奥氏体不锈钢中厚板的晶粒度控制方法》(受理号CN111549276A)公开了一种三阶段热处理方法，其各阶段温度分别为600℃、1010℃和1050℃，上述热处理方法不仅保证了钢板具有全厚度方向晶粒均匀同时还具有良好的抗晶间腐蚀性能，该专利中设计钢板含碳量为0.045％，对于含碳量更高的奥氏体不锈钢板未做研究与讨论。

专利文献《一种控制热轧高碳奥氏体不锈钢晶粒尺寸均匀性的方法》(受理号CN201911126633.6)公开了一种钢板厚度为≥10mm，三阶段热处理方法，分别在900-920℃、1000-1010℃和1050℃以上进行分段热处理，保证厚度方向不同位置的晶粒尺寸差值≤8μm，但该专利并未讨论三阶段热处理对于钢板抗晶间腐蚀性能影响且厚规格钢板未做研究。

为了解决高碳奥氏体不锈钢中存在的晶粒度混晶、耐晶间腐蚀性能下降的问题，亟待开发出一种特殊的奥氏体不锈钢中厚板生产方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种耐晶间腐蚀组织均匀高碳奥氏体不锈钢板及其制造方法，钢板全厚度方向晶粒尺寸细小均匀，晶粒度为3～5级；钢板抗拉强度540～570MPa，屈服强度236～270MPa，延伸率30％～40％，硬度230～250HV。

本发明目的是这样实现的：

一种耐晶间腐蚀组织均匀高碳奥氏体不锈钢板，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.07％～0.11％，Si：0.49％～0.97％，Mn：1.53％～2.51％，P:≤0.035％，S≤0.015％，Ni：7.90％～9.40％，Cr：19.10％～19.90％，V：0.32％-0.53％，W：0.03％～0.06％，N：0.04％～0.12％，其余为Fe及不可避免杂质。

进一步；所述钢板厚度30～100mm，钢板全厚度方向晶粒尺寸细小均匀，晶粒度为3～5级；钢板抗拉强度540～570MPa，屈服强度236～270MPa，延伸率30％～40％，硬度230～250HV。

本发明成分设计理由如下：

C是奥氏体不锈钢的重要元素，碳元素在钢中以固溶或者碳化物析出形式存在还能有效的提高钢板常温及高温强度。但是过高的碳含量不仅增加焊接热影响区硬度以及焊后再加热开裂，同时也不利于钢板的长时高温性能。因此，碳含量限定在0.07％～0.11％。

Si是主要脱氧元素，能够有效降低钢中的氧含量，提高钢质纯净度。但过高的硅含量会促进脆性的σ相形成或富硅的G相在晶界析出。因此，硅含量限定在0.49％～0.97％。

Mn元素在扩大奥氏体区的同时还能提高钢的强度性能。特别是锰元素能显著提高氮在钢中的溶解度，而且通过降低氮在奥氏体中的活性稳定钢中的固溶氮，充分发挥氮元素提高钢抗拉强度的作用。但过高的锰含量会影响钢板的焊接性能。因此，锰含量限定在1.53％～2.51％。

Ni元素在扩大奥氏体区的同时还能抑制钢中铁素体的形成。同时其与铬元素配合使用保证钢板具有良好的抗氧化腐蚀性能。由于其价格昂贵，因此镍含量限定在7.90％～9.40％。

Cr元素在提高钢板抗高温氧化性能和高温耐腐蚀性能的主要元素，同时也是形成M23C6碳化物的关键元素。然后其添加过量将导致碳化物粗化，进而造成钢板高温强度及韧性的降低。因此，铬含量限定在19.10％～19.90％。

V和W元素。元素V和元素W都位于铁的左侧，越远离铁，越易形成更稳定的碳化物，这些碳化物在加热时很难溶解，能强烈地阻碍奥氏体晶粒的长大，所以合金钢在热处理加热时不易过热，这样有利于热处理操作，可提高钢的强度和韧性。其次，其可以固定钢中的C、N元素。通过合理控制合金元素V、W的含量进而精确控制V/W(C、N)在合金中的含量。此外，轧制过程中，经奥氏体区轧制的钢板会产生一定数量的形变储能，而不同程度的形变储能会对碳氮化物在奥氏体中沉淀析出的动力学产生不同程度的影响。通过增大形变储能，促进富V/W的C、N粒子分别在奥氏体区的高温和低温阶段析出，从而更好地抑制奥氏体再结晶，阻止奥氏体晶粒的长大。同时，使奥氏体区特别是高温区间碳氮化物的临界形核尺寸大幅减小，提高碳氮化物的沉淀强化作用，在保证晶粒度的同时提高钢的强度。研究表明过量的V元素会造成晶粒发生异常长大，而元素W价格较贵，因此将V的含量控制在V：0.32％～0.53％，范围内，W元素的含量控制在0.03％～0.06％范围内。

本发明技术方案之二是提供一种耐晶间腐蚀组织均匀高碳奥氏体不锈钢板的制造方法，包括冶炼、铸造、加热、轧制、热处理、冷矫直；

本发明采用两阶段控制轧制方式结合三阶段固溶处理的方式，生产最大厚度100mm的奥氏体不锈钢板，生产钢板其整个厚度截面的晶粒度满足3～5级要求且没有混晶现象发生，钢板耐晶间腐蚀性能良好。

具体生产方法为：

(1)加热

将连铸板坯或电渣板坯送至加热炉内进行加热，板坯加热经历预热段、加热段和均热段后出炉。当板坯厚度≤200mm时，预热段温度区间为830～860℃；当板坯厚度在大于200mm范围时，预热段温度区间为750～810℃；所有厚度板坯加热段温度区间为1160～1200℃；均热段温度区间为1200～1230℃。板坯在加热炉内的总保温时间控制在6～7小时。

(2)轧制

采用两阶段轧制处理。一阶段开轧温度≥1190℃，前三道次单道次采用较大压下率16％～23％，同时保证前三道次轧制温度≥1100℃，这是为了保证坯料在厚度方向各个部位能够同时发生再结晶，特别是坯料中心能够发生充分再结晶，细化心部晶粒尺寸。剩余单道次压下率控制在9％～14％，一阶段轧制终止温度≥1050℃。中间坯厚度根据成品厚度确定，一般为成品钢板的1.5～2倍厚度。在整个轧制过程中为阻止发生再结晶不采用轧机冷却水除磷。

二阶段开轧温度940℃～980℃，终轧温度控制在830～860℃，单道次压下率在4～9％，轧制道次在5～9道次；本阶段轧制采用低温轧制及小变形量，主要是为了抑制表层不完全再结晶的发生，同时避免变形量过大使得钢板表层变形储能过高，造成已经细化的晶粒在后续固溶处理过程中快速长大。

轧后钢板直接进行层流冷却，终冷温度控制在钢板表层温度640～650℃。以防止因温度过低而造成的钢板中心处再结晶不充分或停止，使钢板中心处晶粒粗大。或因温度过高造成钢板表层晶粒细化效果减弱，使得钢板在固溶处理过程中晶粒长大速率过快。

(3)热处理

钢板采用三阶段均热固溶处理的方式，一阶段将温度控制在650～680℃范围，保温时间1～2h。在此敏化温度区间会有富铬碳化物(Cr₂₃C₆)在晶界上析出，富铬碳化物对晶界起到钉扎作用，在第二阶段均热处理前可阻止晶粒长大。二阶段温度在950～1010℃范围，保温时间1～1.5h。通过高温长时保温将富铬碳化物完全回溶，避免其对钢板耐晶间腐蚀性能的影响。同时使钢板整个厚度截面恒温，保证第三阶段均热处理时整个厚度方向同时发生再结晶，避免由于再结晶不同步造成的混晶现象。三阶段温度在1040～1080℃范围，保温时间控制在0.5～1.5h。该阶段的主要目的是通过一定时间的保温使得钢板在整个厚度截面同步且充分发生再结晶，保证钢板在整个厚度方向晶粒尺寸均匀。

(4)冷矫直

钢板经冷矫直机处理后，进一步保证了钢板的抗晶间腐蚀性能。经前期研究发现这是由于轧后钢板经冷矫直机，降低了钢板的高能亚晶比例，降低形变储能，优化晶界，保证了钢板的耐晶间腐蚀性能。

本发明的有益效果在于：

采用特殊的加热及轧制工艺生产的厚规格奥氏体不锈钢板在厚度截面未发生混晶现象，钢板全厚度方向晶粒尺寸细小均匀，晶粒度达到3～5级要求。采用GB/T 4334—2008E法进行晶间腐蚀检测，钢板耐晶间腐蚀性能优异，钢板的抗拉强度可达540～570MPa，屈服强度可达236～270MPa，延伸率在30％～40％之间，硬度可达230～250HV，适用于生产厚度在30～100mm范围内钢板。

附图说明

图1为本发明实施例1钢的显微组织金相图。

图2为本发明实施例2钢的显微组织金相图

图3为本发明实施例3钢的显微组织金相图。

图4为本发明实施例4钢的显微组织金相图。

图5为本发明实施例4钢的晶间腐蚀弯曲图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行冶炼、铸造、加热、轧制、热处理、冷矫直。

(1)加热

将板坯送至加热炉内进行加热，板坯加热经历预热段、加热段和均热段后出炉；加热段温度为1160-1200℃；均热段温度为1200-1230℃；板坯在加热炉内的总保温时间控制在6-7h；

(2)轧制

采用两阶段轧制；一阶段轧制开轧温度≥1190℃，前三道次单道次压下率16％～23％同时前三道次轧制温度≥1100℃，余下单道次轧制压下率控制在9％～14％，一阶段轧制终止温度≥1050℃；中间坯厚度为1.5～2倍成品钢板厚度；

二阶段轧制开轧温度940℃～980℃，终轧温度控制在830～860℃，单道次压下率在4～9％，轧制道次在5～9道次；

轧后钢板直接进行层流冷却，终冷温度控制在钢板表层温度640～650℃；

(3)热处理

钢板采用三阶段均热固溶处理的方式；一阶段固溶温度650～680℃，保温时间1～2h；二阶段固溶温度950～1010℃，保温时间1～1.5h；三阶段固溶温度1040～1080℃，保温时间0.5～1.5h。

所述步骤(1)中，当板坯厚度≤200mm时，预热段温度区间为830～860℃。

所述步骤(1)中，当板坯厚度在大于200mm时，预热段温度区间为750～810℃。

所述步骤(2)轧制过程中不采用冷却水除磷。

本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的本发明实施例钢轧制的加热主要工艺参数见表2本发明实施例钢轧制的轧制主要工艺参数见表3。本发明实施例钢固溶热处理的主要工艺参数见表4。

表1本发明实施例钢的成分(wt％)

实施例	C	Si	Mn	Ni	Cr	V	W	N
									1	0.078	0.74	1.58	8.25	19.35	0.35	0.031	0.13
2	0.076	0.86	1.69	8.43	19.12	0.49	0.042	0.08
									3	0.086	0.55	2.40	7.92	19.76	0.52	0.036	0.09
4	0.081	0.62	1.77	8.34	19.25	0.45	0.049	0.11
									5	0.106	0.78	1.86	9.15	19.85	0.46	0.059	0.06
6	0.079	0.80	2.00	8.68	19.47	0.38	0.051	0.07
									7	0.071	0.73	2.31	9.33	19.56	0.39	0.033	0.12
8	0.092	0.93	2.24	9.22	19.61	0.43	0.037	0.09

表2本发明实施例钢轧制的加热主要工艺参数

表3本发明实施例钢轧制的轧制主要工艺参数

表4本发明实施例钢固溶热处理的主要工艺参数

表5本发明实施例钢性能

备注：敏化处理参数：所得钢板经过650℃×120min敏化处理后抗晶间腐蚀性能。

为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种耐晶间腐蚀组织均匀高碳奥氏体不锈钢板，其特征在于，该钢板的成分按重量百分比计如下： C：0.07%~0.11%，Si：0.49%~0.97%，Mn：1.53%~2.51%，P:≤0.035%，S≤0.015%，Ni：7.90%~9.40%，Cr：19.10%~19.90%，V：0.32%-0.53%，W：0.03%~0.06%，N：0.04%~0.12%，其余为Fe及不可避免杂质；

所述的一种耐晶间腐蚀组织均匀高碳奥氏体不锈钢板的制造方法，包括冶炼、铸造、加热、轧制、热处理、冷矫直；

（1）加热

将板坯送至加热炉内进行加热，板坯加热经历预热段、加热段和均热段；加热段温度为1160-1200℃；均热段温度为1200-1230℃；板坯总保温时间6-7h；

（2）轧制

采用两阶段轧制；一阶段轧制开轧温度≥1190℃，前三道次单道次压下率16%~23%同时前三道次轧制温度≥1100℃，余下单道次轧制压下率控制在9%~14%，一阶段轧制终止温度≥1050℃；中间坯厚度为1.5-2倍成品钢板厚度；

二阶段轧制开轧温度940℃~980℃，终轧温度控制在830~860℃，单道次压下率在4%~9%，轧制道次在5~9道次；

轧后钢板直接进行层流冷却，终冷温度控制在钢板表层温度640~650℃；

（3）热处理

钢板采用三阶段均热固溶处理；一阶段固溶温度650~680℃，保温时间1~2h；二阶段固溶温度950~1010℃，保温时间1~1.5h；三阶段固溶温度1040~1080℃，保温时间0.5~1.5h。

2.根据权利要求1所述的一种耐晶间腐蚀组织均匀高碳奥氏体不锈钢板，其特征在于，所述钢板厚度30~100mm，钢板全厚度方向晶粒尺寸细小均匀，晶粒度为3~5级；钢板抗拉强度540~570MPa，屈服强度236~270MPa，延伸率30%~40%，硬度230~250HV。

3.根据权利要求1所述的一种耐晶间腐蚀组织均匀高碳奥氏体不锈钢板，其特征在于：所述步骤（1）中，当板坯厚度≤200mm时，预热段温度为830~860℃。

4.根据权利要求1所述的一种耐晶间腐蚀组织均匀高碳奥氏体不锈钢板，其特征在于：所述步骤（1）中，当板坯厚度在大于200mm时，预热段温度为750~810℃。

5.根据权利要求1所述的一种耐晶间腐蚀组织均匀高碳奥氏体不锈钢板，其特征在于：所述步骤（2）轧制过程中不采用冷却水除磷。