CN113584377A - 一种含氮不锈钢及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含氮不锈钢以及制备方法，该不锈钢按质量百分比计，其化学成分组成为：C 0.28～0.42％、Si≤0.1％、Mn 0.3～0.7％、Cr 14.5～17.5％、Mo 1.3～2.3％、V 0.3～0.7％、N 0.12～0.35％、Ni≤0.5％、P≤0.025％、S≤0.003％，Ti≤0.003％，余量为Fe，该不锈钢中有较高的铬含量，并降低了硅和镍含量，有利于提高钢液的平衡氮含量，与合金中的钒、钼等元素结合生成细小的纳米碳氮化物并产生显著的沉淀强化作用，对不锈钢的强度、耐磨性及塑韧性产生积极作用。本发明还提供了一种采用非真空感应+气氛保护电渣重熔+锻造开坯+锻/轧成形+退火工艺的制备方法，不仅生产流程短、加工成本低，而且有效保证了不锈钢中的氮含量及均匀性，得到的不锈钢纯净度也比较高，组织得到有效控制，在强度相当的前提下塑韧性更高。

Description

一种含氮不锈钢及制备方法
技术领域
本发明属于不锈钢制造技术领域，具体涉及了一种含氮不锈钢及制备方法。
背景技术
不锈钢因其良好的抗腐蚀性广泛用于石油、化工、能源、海洋、医疗等领域。原料中往往需要加入一定含量的镍，为了满足对强度和耐磨性的要求也会加入一定含量的碳，但是碳元素的加入会降低材料的耐腐蚀性和韧性。随着工业发展和科技进步，不锈钢中加入一定量的氮用于代替镍和碳元素，加入氮元素后可以减少昂贵金属镍的使用，节约资源；同时可以提高不锈钢的强度、耐蚀性、耐磨性又不会降低材料的塑韧性等，因此含氮不锈钢得到较为广泛的应用，可用于制造护环、轴承、模具等。
含氮不锈钢在熔炼过程中存在氮难加入以及氮溢出等问题，含氮不锈钢的生产存在技术难度高、生产周期长等问题。目前国内多采用电弧炉、LF、VD、AOD、真空感应炉、加压电渣重熔等冶炼高氮钢，工艺流程长、产品质量不能得到有效控制，此外由于铬含量较高容易生产网状或链状碳化物。
发明内容
本发明的目的就在于为解决现有技术的不足而提供一种含氮不锈钢。
本发明的目的是以下述技术方案实现的：
一种含氮不锈钢，按质量百分比计，其化学成分组成为：C 0.28～0.42％、Si≤0.1％、Mn 0.3～0.7％、Cr 14.5～17.5％、Mo 1.3～2.3％、V 0.3～0.7％、N 0.12～0.35％、Ni≤0.5％、P≤0.025％、S≤0.003％，Ti≤0.003％，余量为Fe。
如上所述的含氮不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
S1.冶炼：将除了含氮原料的其他原料于感应炉中冶炼，冶炼温度为1550～1630℃，待原料熔炼50～80min后加入脱氧剂脱氧，然后加入含氮原料继续冶炼，控制冶炼终点Ti含量≤0.003％，最后加入脱硫剂除硫出钢；
S2.浇注电极：在氮气保护条件下将钢液浇注为自耗电极，浇铸温度为1510～1560℃，浇注时钢液上升速率控制为8～20mm/s；
S3.电渣重熔：采用氮气保护气氛将所述自耗电极进行电渣重熔，得到电渣锭；所述重熔氮气压力为1～5bar，重熔功率为650～1000Kw；
S4.开坯+成形：将所述电渣锭首先于1100～1250℃保温处理，然后进行镦拔开坯；再经1100～1180℃保温处理，然后进行锻/轧成形；最后进行终锻/轧，温度为870～950℃；终锻/轧后进行冷却；
S5.退火：将所述冷却后的成形不锈钢材进行退火，得到成品不锈钢。
优选的，步骤S1所述含氮原料为铬氮合金或钒氮合金，粒径为2～5mm。
优选的，步骤S1加入含氮原料后，继续冶炼10～20min，并采用底吹氮气的方式进行搅拌。
优选的，所述脱氧剂的加入量为0.5～2kg/t钢、所述脱硫剂的加入量为3～6kg/t钢。
优选的，步骤S3采用向电渣重熔炉结晶器内充入一定时间氮气的方式，使氮气压力为1～5bar；所述一定时间按照式一计算得到：
Figure BDA0003125895760000021
式一
式一中t为时间(min)，D为结晶器直径(mm)，d为自耗电极直径(mm)，h为结晶器高度(mm)，a为氮气流量(L/min)。
优选的，步骤S4总锻比大于等于6。
优选的，所述成形时采用快锻、精锻机或轧机中的一种；
Φ250mm以上棒材选用快锻成形，Φ80～220mm的棒材选用精锻成型，Φ60mm以下规格棒材选用轧制成形。
优选的，步骤S4所述冷却采用风冷、雾冷或水冷中的一种或两种交叉冷却方式进行。
优选的，步骤S4所述冷却至500℃以下后进行步骤S5退火，所述退火采用如下工序：
首先升温至850～900℃之间保温1～18h，然后冷却至740～780℃保温1～10h；最后以≤20℃/h速率缓慢冷却至400℃以下。
本发明提供的不锈钢中有较高的铬含量和一定的锰、钒，并降低了硅和镍含量，有利于提高钢液的平衡氮含量，与合金中的钒、钼等元素结合生成细小的纳米碳氮化物并产生显著的沉淀强化作用，对不锈钢的强度、耐磨性及塑韧性产生积极作用。本发明还提供了一种上述不锈钢的制备方法，该制备方法采用非真空感应+气氛保护电渣重熔+锻造开坯+锻/轧成形+退火工艺，不仅生产流程短、加工成本低，而且有效保证了不锈钢中的氮含量及均匀性，得到的不锈钢纯净度也比较高，组织得到有效控制，在强度相当的前提下塑韧性更高。
附图说明
图1是本发明提供的含氮不锈钢的退火金相组织示意图；
图2是市售类似含氮不锈钢产品的退火金相组织示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种含氮不锈钢，其化学成分组成为：C 0.28～0.42％、Si≤0.1％、Mn 0.3～0.7％、Cr 14.5～17.5％、Mo 1.3～2.3％、V 0.3～0.7％、N 0.12～0.35％、Ni≤0.5％、P≤0.025％、S≤0.003％，Ti≤0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明提供的不锈钢中有较高的铬含量(14.5～17.5％)和一定的锰、钒(Mn 0.3～0.7％、V 0.3～0.7％)，并降低了硅和镍含量(Si≤0.1％、Ni≤0.5％)，有利于提高钢液的平衡氮含量，与合金中的钒、钼等元素结合生成细小的纳米碳氮化物并产生显著的沉淀强化作用，对不锈钢的强度、耐磨性及塑韧性产生积极作用。另外，本发明还限定了Ti含量，可减少合金中氮与钛反应生成氮化钛杂质，进一步保证了不锈钢产品性能。
如上所述的含氮不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
S1.冶炼：将除了含氮原料的其他原料于感应炉中冶炼，冶炼温度为1550～1630℃，待原料熔炼50～80min，充分熔化后，加入脱氧剂脱氧，然后加入含氮原料继续冶炼，控制冶炼终点Ti含量≤0.003％，最后加入脱硫剂除硫出钢；
在该步骤中本发明将传统脱氧脱硫工序与冶炼结合，一方面在冶炼中期再加入脱氧剂进行脱氧，使炉内转变为还原气氛后，再加入含氮原料(优选为铬氮合金或钒氮合金)进行增氮，与冶炼初期即加入含氮原料相比，可减少冶炼造成的氮元素损失和元素烧损；另一方面控制冶炼终点Ti含量，可减少合金中氮与钛反应生成氮化钛杂质的含量，保证不锈钢产品性能；另外在出钢时加入脱硫剂除硫，减少硫杂质含量；该步骤采用非真空感应的方法，与传统的加工成本较高的真空感应冶炼相比，既可以保证不锈钢性能，又显著降低了加工成本，具有较高的性价比；
S2.浇注电极：在氮气保护条件下将钢液浇注为自耗电极，浇铸温度为1510～1560℃，浇注时钢液上升速率控制为8～20mm/s；
该步骤采用氮气保护气氛进行浇注，而且在保证凝固质量的前提下尽快将钢液浇铸为需要的电极，可进一步减少氮损失和元素烧损；
S3.电渣重熔：采用氮气保护气氛将自耗电极进行电渣重熔，通过起弧、熔炼、补缩完成电渣重熔过程，得到电渣锭；重熔氮气压力为1～5bar，重熔功率为650～1000Kw；
电渣重熔在氮气保护气氛下进行，其作用与步骤S2相同，可减少氮元素损失，重熔过程尽量降低功率可防止钢液温度过高造成平衡氮含量降低的问题；
S4.开坯+成形：将电渣锭首先于1100～1250℃保温处理，然后进行镦拔开坯；再经1100～1180℃保温处理，然后进行锻/轧成形；最后进行终锻/轧，温度为870～950℃；终锻/轧后进行合理冷却，优先选择风冷、雾冷或水冷；
经研究证明，氮含量较高，电渣锭强度也增大，因此，该步骤为满足开坯要求及保证氮元素的均匀分布，加热温度与现有技术相比也提高大约30～80℃左右，以保证成形效果；终锻/轧后进行合理冷却，可避免棒材开裂和明显弯曲，同时保证锻后的组织均匀、晶粒细化、避免网状碳化物的生成；
S5.退火：将合理冷却后的成形不锈钢材进行退火，通过退火，可消除材料残余应力和调整组织等，得到成品不锈钢。
因此，本发明采用非真空感应+气氛保护电渣重熔+锻造开坯+锻/轧成形+退火的制备方法，该制备方法不仅生产流程短、加工成本低，而且有效保证了不锈钢中的氮含量及均匀性，得到的不锈钢纯净度也比较高，组织得到有效控制，在强度相当的前提下塑韧性更高。
优选的，步骤S1含氮原料为铬氮合金或钒氮合金，粒径为2～5mm，颗粒过大或过小可能造成氮元素的损失。
优选的，为提高感应炉的熔炼速率、增加钢液氮含量及均匀性，步骤S1加入含氮原料后，继续冶炼10～20min，并可采用底吹氮气的方式进行搅拌，耗气量控制在2.3～4.2m3/t，促进夹杂物上浮。
优选的，脱氧剂的加入量为0.5～2kg/t钢、脱硫剂的加入量为3～6kg/t钢，使钢液进一步纯净化。进一步优选的，脱氧剂可采用铝粒、钙铝合金、硅钙合金、硅铝钡钙合金、稀土合金中的一种或几种组合使用，脱硫剂主要由生石灰、萤石、氧化铝等组成。
优选的，当检测到Ti含量较高时，可采取继续加入废钢等原料进行稀释的方法，控制冶炼终点Ti含量≤0.003％。
优选的，步骤S3采用向电渣重熔炉结晶器内充入一定时间氮气的方式，使氮气压力为1～5bar；一定时间按照式一计算得到：
Figure BDA0003125895760000051
式一
式一中t为时间(min)，D为结晶器直径(mm)，d为电极直径(mm)，h为结晶器高度(mm)，a为氮气流量(L/min)。
优选的，为了保证成形质量，步骤S4总锻比大于等于6。
优选的，成形时采用快锻、精锻机或轧机中的一种；通常情况下：
Φ250mm以上棒材选用快锻成形，Φ80～220mm的棒材选用精锻成型，Φ60mm以下规格棒材选用轧制成形。
优选的，步骤S4合理冷却采用风冷、雾冷或水冷中的一种或两种交叉冷却方式进行。
优选的，步骤S4合理冷却至500℃以下后进行步骤S5退火，如前所述，由于含氮量高，不锈钢的强度也比较高，因此，退火工艺参数与现有技术相比也有所不同，经过优化，本发明退火采用如下工序：
首先升温至850～900℃之间保温1～18h，然后冷却至740～780℃保温1～10h；最后以≤20℃/h速率缓慢冷却至400℃以下，具体的保温时间可根据退火炉装炉量和棒材规格进一步确定。
实施例1
一种含氮不锈钢，其化学成分按质量百分比为：C 0.32％、Si 0.07％、Mn 0.6％、Cr 16.5％、Mo 2.3％、V 0.6％、N 0.23％、Ni 0.2％、P 0.021％、S 0.002％，Ti 0.0018％，其余为Fe和不可避免的杂质。
制备方法包括以下步骤：
(1)冶炼：按照设计的成分，将废钢和铁合金等原料加入感应炉中，冶炼温度为1620℃，冶炼70min后加入1.3kg/t铝粒脱氧剂进行脱氧，在还原气氛下加入粒度为2～5mm的铬氮合金60Kg/t进行增氮，并进行底吹氮气，耗气量控制在3.5m3/t，促进夹杂物上浮，继续冶炼15min，加入4.8kg/t脱硫剂渣料进行脱硫出钢；
(2)浇注电极：采用下注法在氮气保护条件下将钢液浇注为需要的锭型，浇铸温度为1560℃，保证圆流浇钢，减少氮损失和元素烧损；
(3)电渣重熔：将浇铸的电极经760℃退火后打磨表面氧化皮，然后装入气氛保护电渣炉的夹头中，选用高电阻预熔渣，起弧前向结晶器内冲入氮气不少于20min，熔炼时炉内氮气压力为1.5bar，重熔功率为750Kw；
(4)开坯+成形：将电渣锭放于加热炉中逐渐升温至1240℃保温6h，采用压机等进行镦拔开坯，开坯阶段锻比大于5，然后经1130℃保温2h后在精锻机上成形，加工为直径Φ180mm的棒材，终锻温度为880℃，然后进行雾冷；
(5)退火：棒材冷至500℃以下后装炉退火，缓慢升温至880℃保温8h，然后冷至760℃保温6h，然后以10℃/h速率缓慢冷却至400℃以下出炉；
(6)测量棒材头部、尾部氮含量为0.23±0.01％，组织达到图1标准，纯净度达到表1发明钢种标准。同时取市售类似含氮不锈钢进行组织、夹杂物评级以及力学性能对比，结果见图2及表2所示。
表1本发明含氮不锈钢圆棒的夹杂物评级对比
Figure BDA0003125895760000071
表2发明含氮不锈钢圆棒的力学性能对比
Figure BDA0003125895760000072
图1为本实施例中含氮不锈钢的球化退火组织，球状均匀、细小，而图2中含有明显的网状碳化物，局部碳化物尺寸偏大、呈聚集状，影响不锈钢的耐蚀性和塑韧性。
从表1和表2可知，采用本发明方法得到的不锈钢与市售类似产品相比，夹杂物含量低，力学性能也有一定程度的提高。
实施例2
一种含氮不锈钢，其化学成分按质量百分比为：C 0.37％、Si 0.08％、Mn 0.6％、Cr 16.8％、Mo 1.9％、V 0.5％、N 0.20％、Ni 0.16％、P 0.021％、S 0.001％，Ti0.0021％，其余为Fe和不可避免的杂质。
制备方法包括以下步骤：
(1)冶炼：按照设计的成分，将废钢和铁合金等原料加入感应炉中，冶炼温度为1600℃，冶炼60min后加入1.5kg/t铝粒和钙铝合金组合脱氧剂进行脱氧，在还原气氛下加入粒度为2～5mm的54Kg/t铬氮合金进行增氮，并进行底吹氮气，耗气量控制在3.1m3/t，促进夹杂物上浮，继续冶炼15min，加入5.0kg/t渣料脱硫出钢；
(2)浇注电极：采用下注法在氮气保护条件下将钢液浇注为需要的锭型，浇铸温度为1550℃，保证圆流浇钢，减少氮损失和元素烧损；
(3)电渣重熔：将浇铸的电极经760℃退火后打磨表面氧化皮，然后装入气氛保护电渣炉的夹头中，选用高电阻预熔渣，起弧前向结晶器内冲入氮气不少于20min，熔炼时炉内氮气压力为1.3bar，重熔功率为800Kw；
(4)开坯+成形：将电渣锭放于加热炉中逐渐升温至1250℃保温6h，采用压机等进行镦拔开坯，锻比大于5，然后经1120℃保温2h后在精锻机上成形，加工为直径Φ140mm的棒材，终锻温度为860℃，然后进行间隔水冷+雾冷；
(6)退火：棒材冷至500℃以下后装炉退火，缓慢升温至880℃保温8h，然后冷至760℃保温6h，然后以10℃/h速率缓慢冷却至400℃以下出炉；
(7)测量棒材头部、尾部氮含量为0.20±0.01％，组织达到图1标准，纯净度达到表1本发明钢种标准。
实施例3
一种含氮不锈钢，其化学成分按质量百分比为：C 0.40％、Si 0.08％、Mn 0.6％、Cr 16.9％、Mo 1.7％、V 0.5％、N 0.3％、Ni 0.18％、P 0.022％、S 0.002％，Ti 0.0014％，其余为Fe和不可避免的杂质。
制备方法包括以下步骤：
(1)冶炼：按照设计的成分，将废钢和铁合金等原料加入感应炉中，冶炼温度为1600℃，冶炼50min后加入1.6kg/t铝粒及少量稀土脱氧剂脱氧，在还原气氛下加入粒度为2～5mm的83Kg/t铬氮合金进行增氮，并进行底吹氮气，耗气量控制在4.4m3/t，促进夹杂物上浮，继续冶炼20min，加入5.0kg/t脱硫剂渣料脱硫出钢；
(2)浇注电极：采用下注法在氮气保护条件下将钢液浇注为需要的锭型，浇铸温度为1540℃，保证圆流浇钢，减少氮损失和元素烧损；
(3)电渣重熔：将浇铸的电极经760℃退火后打磨表面氧化皮，然后装入气氛保护电渣炉的夹头中，选用高电阻预熔渣，起弧前向结晶器内冲入氮气不少于20min，熔炼时炉内氮气压力为3bar，重熔功率为900Kw；
(4)开坯+成形：将电渣锭放于加热炉中逐渐升温至1220℃保温8h，采用压机等进行镦拔开坯，锻比大于5，然后经1120℃保温2h后在精锻机上成形，加工为直径Φ160mm的棒材，终锻温度为870℃，然后进行雾冷；
(6)退火：棒材冷至500℃以下后装炉退火，缓慢升温至880℃保温7h，然后冷至760℃保温6h，然后以10℃/h速率缓慢冷却至400℃以下出炉；
(7)测量棒材头部、尾部氮含量为0.3±0.015％，组织达到图1标准，纯净度达到表1发明钢种标准。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种含氮不锈钢，其特征在于，按质量百分比计，其化学成分组成为：C 0.28～0.42％、Si≤0.1％、Mn 0.3～0.7％、Cr 14.5～17.5％、Mo 1.3～2.3％、V 0.3～0.7％、N0.12～0.35％、Ni≤0.5％、P≤0.025％、S≤0.003％，Ti≤0.003％，余量为Fe。
2.如权利要求1所述的含氮不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.冶炼：将除了含氮原料的其他原料于感应炉中冶炼，冶炼温度为1550～1630℃，待原料熔炼50～80min后加入脱氧剂脱氧，然后加入含氮原料继续冶炼，控制冶炼终点Ti含量≤0.003％，最后加入脱硫剂除硫出钢；
S2.浇注电极：在氮气保护条件下将钢液浇注为自耗电极，浇铸温度为1510～1560℃，浇注时钢液上升速率控制为8～20mm/s；
S3.电渣重熔：采用氮气保护气氛将所述自耗电极进行电渣重熔，得到电渣锭；所述重熔氮气压力为1～5bar，重熔功率为650～1000Kw；
S4.开坯+成形：将所述电渣锭首先于1100～1250℃保温处理，然后进行镦拔开坯；再经1100～1180℃保温处理，然后进行锻/轧成形；最后进行终锻/轧，温度为870～950℃；终锻/轧后进行冷却；
S5.退火：将所述冷却后的成形不锈钢材进行退火，得到成品不锈钢。
3.如权利要求2所述的含氮不锈钢的制备方法，其特征在于，
步骤S1所述含氮原料为铬氮合金或钒氮合金，粒径为2～5mm。
4.如权利要求2所述的含氮不锈钢的制备方法，其特征在于，
步骤S1加入含氮原料后，继续冶炼10～20min，并采用底吹氮气的方式进行搅拌。
5.如权利要求2所述的含氮不锈钢的制备方法，其特征在于，
所述脱氧剂的加入量为0.5～2kg/t钢、所述脱硫剂的加入量为3～6kg/t钢。
6.如权利要求2所述的含氮不锈钢的制备方法，其特征在于，
步骤S3采用向电渣重熔炉结晶器内充入一定时间氮气的方式，使氮气压力为1～5bar；所述一定时间按照式一计算得到：
Figure FDA0003125895750000021
式一中t为时间(min)，D为结晶器直径(mm)，d为自耗电极直径(mm)，h为结晶器高度(mm)，a为氮气流量(L/min)。
7.如权利要求2所述的含氮不锈钢的制备方法，其特征在于，
步骤S4总锻比大于等于6。
8.如权利要求2所述的含氮不锈钢的制备方法，其特征在于，
所述成形时采用快锻、精锻机或轧机中的一种；
Φ250mm以上棒材选用快锻成形，Φ80～220mm的棒材选用精锻成型，Φ60mm以下规格棒材选用轧制成形。
9.如权利要求2所述的含氮不锈钢的制备方法，其特征在于，
步骤S4所述冷却采用风冷、雾冷或水冷中的一种或两种交叉冷却方式进行。
10.如权利要求2所述的含氮不锈钢的制备方法，其特征在于，
步骤S4所述冷却至500℃以下后进行步骤S5退火，所述退火采用如下工序：
首先升温至850～900℃之间保温1～18h，然后冷却至740～780℃保温1～10h；最后以≤20℃/h速率缓慢冷却至400℃以下。
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