CN113652602A - 高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料及其制备方法 - Google Patents

高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料及其制备方法，属钢铁合金材料技术领域。该双相不锈钢钢丝绳成分及质量百分比：C≤0.03％，S≤0.03％，Si≤1.0％，Mn≤1.0％，P≤0.003％，Cr：23.5～24.5％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.7～1.4％，Cu：0.7～3.0％，N：0.10～0.20％，稀土Ce：0.005～0.20％，其余部分为铁和不可避免的杂质。采用中频和AOD冶炼工艺，制得钢坯；钢坯经热轧工艺制得不同直径的双相不锈钢盘条，盘条经酸洗、多次冷拔与退火相结合等工艺，制得半成品线材；半品线材经捻股合绳，制得高性能双相不锈钢成品钢丝绳。本发明合金材料具有优异冷加工性，其强度、抗疲劳和抗腐蚀性能，具有显著的推广价值，特别适合于作为海工钢使用，能在湿气和盐蚀环境下服役。

Description

高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料及其制备方法，属钢铁合金材料及其制品技术领域。
背景技术
随着工业技术的发展，不锈钢钢丝绳已广泛用于化工、航空、机械和仪表等领域，如不锈钢钢丝绳隔振器由于其阻尼大、吸振性能好、且耐高温、抗冲击、抗腐蚀等优点，近年来在船舶精密设备抗振底座的应用方面已崭露头角。目前国内不锈钢钢丝绳主要以奥氏体不锈钢304和316为主，而奥氏体不锈钢的主要成分是铬、镍、钼等，而其中镍是昂贵的，我国是一个缺镍少钼的国家，奥氏体不锈钢钢丝绳的价格受金属镍、钼价格波动较大，降低不锈钢中镍钼的含量有利于维持不锈钢钢丝绳市场的稳定。近年来有取代高镍奥氏体不锈钢趋势的低镍钼资源节约型双相不锈钢发展迅速，但双相不锈钢由奥氏体和铁素体两相组成，在冷加工时加工硬化较大，变形困难，钢丝绳生产同时需要多道次加工，双相不锈钢钢丝绳生产的最大难点在于冷加工工艺的突破，而现有双相不锈钢难以满足要求。
国内关于双相不锈钢线材方面的专利技术，如一种双相不锈钢编织软管丝的制造方法，授权专利文献公开号为CN103103457B，但该专利技术公开了的合金中锰含量过高，不利于耐蚀性的提升；又如一种双相不锈钢丝及其制备方法，授权专利文献公开号为CN105624580A，但该专利技术公开了一种双相不锈钢采用中频感应熔炼和电渣重熔法冶炼，其氮含量难于控制，导致难于保持合适的两相比例，同时合金化元素的总量偏高，导致其成本过高。现有技术最根本的还是这些材料和制备方法没有解决双相不锈钢钢丝绳生产的最大难点即冷加工工艺的突破。因此，研究开发一种具有优异冷加工性，其强度、抗疲劳和抗腐蚀等性能优于目前奥氏体不锈钢钢丝绳304和316的新型资源节约型高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料及其产品，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种具有优异冷加工性低成本高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料及其制备方法。本发明高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料具有优异冷加工性，其强度、抗疲劳和抗腐蚀等性能，具有强大的潜在市场和推广价值，特别适合于作为海工钢使用，能在湿气和盐蚀环境下服役。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料，具有如下的成分及质量百分比：C≤0.03％，S≤0.03％，Si≤1.0％，Mn≤1.0％，P≤0.02％，Cr：23.5～24.5％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.7～1.4％，Cu：0.7～3.0％，N：0.10～0.20％，稀土Ce：0.005～0.20％，其余部分为铁和不可避免的杂质。
优选地，本发明高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料具有如下的成分及质量百分比：C≤0.028％，S≤0.02％，Si≤0.6％，Mn≤0.8％，P≤0.018％，Cr：23.5～24.5％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.7～1.4％，Cu：0.7～3.0％，N：0.10～0.20％，稀土Ce：0.005～0.20％，其余部分为铁和不可避免的杂质。
进一步优选地，本发明高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料具有如下的成分及质量百分比：C:0.023-0.028％，S：0.012-0.020％，Si:0.4-0.6％，Mn：0.6-0.8％，P：0.010-0.018％，Cr：23.5～24.5％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.7～1.4％，Cu：0.7～3.0％，N：0.10～0.20％，稀土Ce：0.005～0.20％，其余部分为铁和不可避免的杂质。
更进一步优选地，本发明高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料具有如下的成分及质量百分比：C:0.023-0.028％，S：0.012-0.020％，Si:0.4-0.6％，Mn：0.6-0.8％，P：0.010-0.018％，Cr：23.8～24.5％，Ni：4.6～5.3％，Mo：0.9～1.4％，Cu：0.7～3.0％，N：0.10～0.20％，稀土Ce：0.06～0.09％，其余部分为铁和不可避免的杂质。
优选地，本发明高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料抗拉强度不低于2000MPa。
一种本发明高性能双相不锈钢钢丝绳的制备方法，其步骤如下：
a.采用中频感应熔炼和AOD冶炼工艺，在原料配料时，原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：C≤0.03％，S≤0.03％，Si≤1.0％，Mn≤1.0％，P≤0.02％，Cr：23.5～24.5％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.7～1.4％，Cu：0.7～3.0％，N：0.10～0.20％，稀土Ce：0.005～0.20％，其余部分为铁和不可避免的杂质；
将配料后称量的全部原料经中频炉熔化，之后转入AOD炉进行精炼，进行氮含量的控制，然后浇铸成双相不锈钢合金钢坯；
b.双相不锈钢盘条：将在所述步骤a中制备的双相不锈钢合金钢坯经热轧工艺处理，制得双相不锈钢盘条；
c.双相不锈钢拉丝：将在所述步骤b中制备的双相不锈钢盘条经酸洗、多次冷拔与退火相结合工艺，制得半成品线材；
d.双相不锈钢钢丝捻股合绳：将在所述步骤c中制备的半品线材放于捻股机上进行捻股合绳，最终制得高性能双相不锈钢钢丝绳成品。
为了保证合适的两相比例和铸锭钢坯不起泡缺陷，本发明在精炼时尤其要严格控制氮含量，之后浇铸成钢坯。高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料在900～1300℃范围均为双相区，奥氏体含量在30～70％变化；该成分范围钢的PREN(＝Cr％+3.3Mo％+16N％)接近30.0，而304的PREN接近18.0，316的PREN接近26.0，其耐腐蚀性能远优于目前奥氏体不锈钢304和316，尤其是耐海水腐蚀。该成分范围钢经冶炼、浇铸、热轧、多次冷拔与退火相结合等工艺制成φ0.5mm的钢丝，其抗拉强度不低于2000MPa。该类双相不锈钢钢丝绳具有强大的潜在市场和推广价值，特别适合于沿海地带的应用。
本发明原理：
本发明合金材料的各元素的作用及含量的依据如下:
C是稳定奥氏体和碳化物形成元素，C含量过高会导致双相不锈钢钢丝绳耐晶间腐蚀性能下降，所以C含量控制在0.03％范围内。
Si是铁素体形成元素，Si含量过高会增加双向不锈钢的脆性，不利于加工，所以Si含量控制在1.00％范围内，能够保证双相不锈钢具有良好的韧性和耐晶间腐蚀性能。
Mn是稳定奥氏体元素，同时可以作为脱氧剂和脱硫剂，用于净化钢液，Mn含量过高会导致双相不锈钢钢的腐蚀性下降，所以Mn含量控制在1.00％范围内。
Cr是铁素体形成元素，促进双相不锈钢的钝化并保持稳定的钝态，同时固溶于基体中，提高双相不锈钢的屈服强度和抗拉强度，并提高双相不锈钢耐晶间腐蚀性和抗氧化性，因此，上述双相不锈钢钢丝绳中，Cr含量在23.50％-24.50％范围内。
Ni是奥氏体形成元素，也是较昂贵的元素，在提高双相不锈钢耐腐蚀性能及加工性能的同时为了降低成本，上述双相不锈钢钢丝绳中，Ni的含量在4.50％-5.50％范围内。
Mo是铁素体形成元素，也是较昂贵的元素，Mo含量过高会增加脆性相析出倾向和增加冷加工难度，在保证双相不锈钢钢丝绳耐腐蚀性同时为了降低成本，上述双相不锈钢钢丝绳中，Mo的含量在0.70％-1.40％范围。
N是强烈的奥氏体形成元素，用于代替部分昂贵的Ni元素，能够提高双相不锈钢钢丝绳的屈服强度、抗拉强度和耐腐蚀性能，能有效调节双相不锈钢的两相比例和降低双相不锈钢钢丝绳的生产成本，上述双相不锈钢钢丝绳中，N含量在0.13％-0.17％范围内。
Cu是弱奥氏体形成元素，能够有效改善双相不锈钢钢丝绳的冷加工性，同时起固溶强化和沉淀析出强化作用，提高其屈服强度和抗拉强度，Cu含量过高会恶化其热加工性，上述双相不锈钢钢丝绳中，Cu含量控制在0.70％-3.00％，优选0.70-1.40％。
Ce是强铁素体形成元素，可细化组织和净化钢液，具有较强的脱硫和脱氧能力，Ce过高会形成有害的金属间化合物，上述双相不锈钢钢丝绳中，Ce含量控制在0.005～0.20％，优选0.05-0.12％。
P和S是双相不锈钢钢丝绳中的有害元素，对双相不锈钢钢丝绳的冷加工性和耐腐蚀性会产生不利影响，上述双相不锈钢钢丝绳中，P含量控制在0.02％范围内，S含量控制0.03％范围内。
本发明的高性能双相不锈钢钢丝绳机理如下：
本发明双相不锈钢由奥氏体和铁素体组成，根据铜能扩大奥氏体区和提高冷加工性能的原理，大量实验研究发现，添加适量的铜可以替代部分镍达到稳定奥氏体相目的，同时铜在双相不锈钢拉拔过程中可以有效改善其冷拔性能，避免开裂及断丝等问题。在拉拔过程中奥氏体相的加工硬化率比铁素体相高，在两相之间产生强度差即形成高强度奥氏体相与低强度铁素体相构成的双相纤维组织，使得拉拔后双相不锈钢钢丝具有很好的强韧性；同时双相不锈钢经拉拔后的双相纤维组织可以有效阻止疲劳裂纹的扩展，疲劳裂纹扩展时低强度的铁素体相可以缓和裂纹前端的应力集中，而强度高的奥氏体相进一步阻止了裂纹扩展。因此该成分的双相不锈钢钢丝绳具有优异的耐蚀性尤其耐海水腐蚀、良好的冷热加工性、良好的强韧性和抗疲劳特性，是沿海地区取代目前奥氏体304和316钢丝绳的较佳候选材料。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.利用本发明双相不锈钢钢丝绳，在制造过程中有效解决了现有双相不锈钢冷拔加工困难的问题，本发明的双相不锈钢具有良好的冷拔加工性能，表面光亮，没有拉痕、裂纹、翘皮等缺陷产生，同时成本相对于奥氏体316低许多，是沿海地带取代目前奥氏体316钢丝绳的最佳候选材料和产品；
2.本发明采用中频感应熔炼加AOD精炼工艺制造双相不锈钢钢丝绳，可以有效控制双相不锈钢的氮含量，避免了双相不锈钢因氮含量控制不好而造成双相不锈钢两相比例严重失调的现象。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例1：
在本实施例中，一种高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料，具有如下的成分及质量百分比：
Figure BDA0003150995350000041
Figure BDA0003150995350000051
一种本实施例高性能双相不锈钢钢丝绳的制备方法，其步骤如下：
a.采用中频感应熔炼和AOD冶炼工艺，在原料配料时，原料成分按照本实施例目标制备的高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料的成分称量原料；将配料后称量的全部原料经中频炉熔化，之后转入AOD炉进行精炼，进行氮含量的控制，然后浇铸成双相不锈钢合金钢坯；
b.双相不锈钢盘条：将在所述步骤a中制备的双相不锈钢合金钢坯经热轧工艺处理，制得双相不锈钢盘条；
c.双相不锈钢拉丝：将在所述步骤b中制备的双相不锈钢盘条经酸洗、多次冷拔与退火相结合工艺，制得半成品线材；
d.双相不锈钢钢丝捻股合绳：将在所述步骤c中制备的半品线材放于捻股机上进行捻股合绳，最终制得高性能双相不锈钢钢丝绳成品。
本实施例采用中频感应+AOD冶炼工艺，将配料后称量的全部原料经中频炉熔化，之后转入AOD炉进行精炼后浇铸成钢坯，钢坯经热轧等工艺，制得直径φ10.0mm的双相不锈钢盘条，盘条经酸洗、多次冷拔与退火相结合等工艺，制得直径φ0.5m双相不锈钢钢丝，其抗拉强度大于2100MPa，钢丝经捻股机进行捻股合绳,最终制得高性能双相不锈钢成品钢丝绳。
实施例2
在本实施例中，一种高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料，具有如下的成分及质量百分比：
Figure BDA0003150995350000052
Figure BDA0003150995350000061
一种本实施例高性能双相不锈钢钢丝绳的制备方法，其步骤如下：
a.采用中频感应熔炼和AOD冶炼工艺，在原料配料时，原料成分按照本实施例目标制备的高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料的成分称量原料；将配料后称量的全部原料经中频炉熔化，之后转入AOD炉进行精炼，进行氮含量的控制，然后浇铸成双相不锈钢合金钢坯；
b.双相不锈钢盘条：将在所述步骤a中制备的双相不锈钢合金钢坯经热轧工艺处理，制得双相不锈钢盘条；
c.双相不锈钢拉丝：将在所述步骤b中制备的双相不锈钢盘条经酸洗、多次冷拔与退火相结合工艺，制得半成品线材；
d.双相不锈钢钢丝捻股合绳：将在所述步骤c中制备的半品线材放于捻股机上进行捻股合绳，最终制得高性能双相不锈钢钢丝绳成品。
本实施例采用中频感应+AOD冶炼工艺，将配料后称量的全部原料经中频炉熔化，之后转入AOD炉进行精炼后浇铸成钢坯，钢坯经热轧等工艺，制得直径φ9.0mm的双相不锈钢盘条，盘条经酸洗、多次冷拔与退火相结合等工艺，制得直径φ0.45m双相不锈钢钢丝，其抗拉强度大于2150MPa，钢丝经捻股机进行捻股合绳,最终制得高性能双相不锈钢成品钢丝绳。
实施例3
在本实施例中，一种高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料，具有如下的成分及质量百分比：
Figure BDA0003150995350000062
Figure BDA0003150995350000071
一种本实施例高性能双相不锈钢钢丝绳的制备方法，其步骤如下：
a.采用中频感应熔炼和AOD冶炼工艺，在原料配料时，原料成分按照本实施例目标制备的高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料的成分称量原料；将配料后称量的全部原料经中频炉熔化，之后转入AOD炉进行精炼，进行氮含量的控制，然后浇铸成双相不锈钢合金钢坯；
b.双相不锈钢盘条：将在所述步骤a中制备的双相不锈钢合金钢坯经热轧工艺处理，制得双相不锈钢盘条；
c.双相不锈钢拉丝：将在所述步骤b中制备的双相不锈钢盘条经酸洗、多次冷拔与退火相结合工艺，制得半成品线材；
d.双相不锈钢钢丝捻股合绳：将在所述步骤c中制备的半品线材放于捻股机上进行捻股合绳，最终制得高性能双相不锈钢钢丝绳成品。
本实施例采用中频感应+AOD冶炼工艺，将配料后称量的全部原料经中频炉熔化，之后转入AOD炉进行精炼后浇铸成钢坯，钢坯经热轧等工艺，制得直径φ9.8mm的双相不锈钢盘条，盘条经酸洗、多次冷拔与退火相结合等工艺，制得直径φ0.55m双相不锈钢钢丝，其抗拉强度大于2100MPa，钢丝经捻股机进行捻股合绳，最终制得高性能双相不锈钢成品钢丝绳。
实施例4
在本实施例中，一种高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料，具有如下的成分及质量百分比：
Figure BDA0003150995350000072
Figure BDA0003150995350000081
一种本实施例高性能双相不锈钢钢丝绳的制备方法，其步骤如下：
a.采用中频感应熔炼和AOD冶炼工艺，在原料配料时，原料成分按照本实施例目标制备的高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料的成分称量原料；将配料后称量的全部原料经中频炉熔化，之后转入AOD炉进行精炼，进行氮含量的控制，然后浇铸成双相不锈钢合金钢坯；
b.双相不锈钢盘条：将在所述步骤a中制备的双相不锈钢合金钢坯经热轧工艺处理，制得双相不锈钢盘条；
c.双相不锈钢拉丝：将在所述步骤b中制备的双相不锈钢盘条经酸洗、多次冷拔与退火相结合工艺，制得半成品线材；
d.双相不锈钢钢丝捻股合绳：将在所述步骤c中制备的半品线材放于捻股机上进行捻股合绳，最终制得高性能双相不锈钢钢丝绳成品。
本实施例采用中频感应+AOD冶炼工艺，将配料后称量的全部原料经中频炉熔化，之后转入AOD炉进行精炼后浇铸成钢坯，钢坯经热轧等工艺，制得直径φ9.8mm的双相不锈钢盘条，盘条经酸洗、多次冷拔与退火相结合等工艺，制得直径φ0.55m双相不锈钢钢丝，其抗拉强度大于2150MPa，钢丝经捻股机进行捻股合绳，最终制得高性能双相不锈钢成品钢丝绳。
综上所述，上述实施例高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料属钢铁合金材料技术领域。上述实施例采用中频+AOD冶炼工艺，制得钢坯；钢坯经热轧等工艺制得不同直径的双相不锈钢盘条，盘条经酸洗、多次冷拔与退火相结合等工艺，制得半成品线材；半品线材经捻股合绳，最终制得高性能双相不锈钢成品钢丝绳。上述实施例该类双相不锈钢钢丝绳的抗蚀能力优于奥氏体不锈钢钢丝绳304和316，尤其耐海水腐蚀能力，而力学性能和抗疲劳性能同样优于奥氏体不锈钢钢丝绳304和316系列，是替换奥氏体不锈钢钢丝绳304和316系列的较佳候选材料，可以大幅度降低原材料成本和减少材料用量，同时该成分范围内双相不锈钢可以加工成高性能的板材、管材及棒材。
上面对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料，其特征在于，具有如下的成分及质量百分比：C≤0.03％，S≤0.03％，Si≤1.0％，Mn≤1.0％，P≤0.02％，Cr：23.5～24.5％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.7～1.4％，Cu：0.7～3.0％，N：0.10～0.20％，稀土Ce：0.005～0.20％，其余部分为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料，其特征在于：具有如下的成分及质量百分比：C≤0.028％，S≤0.02％，Si≤0.6％，Mn≤0.8％，P≤0.018％，Cr：23.5～24.5％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.7～1.4％，Cu：0.7～3.0％，N：0.10～0.20％，稀土Ce：0.005～0.20％，其余部分为铁和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料，其特征在于：具有如下的成分及质量百分比：C:0.023-0.028％，S：0.012-0.020％，Si:0.4-0.6％，Mn：0.6-0.8％，P：0.010-0.018％，Cr：23.5～24.5％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.7～1.4％，Cu：0.7～3.0％，N：0.10～0.20％，稀土Ce：0.005～0.20％，其余部分为铁和不可避免的杂质。
4.根据权利要求3所述高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料，其特征在于：具有如下的成分及质量百分比：C:0.023-0.028％，S：0.012-0.020％，Si:0.4-0.6％，Mn：0.6-0.8％，P：0.010-0.018％，Cr：23.8～24.5％，Ni：4.6～5.3％，Mo：0.9～1.4％，Cu：0.7～3.0％，N：0.10～0.20％，稀土Ce：0.06～0.09％，其余部分为铁和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述高性能双相不锈钢钢丝绳合金材料，其特征在于：其抗拉强度不低于2000MPa。
6.一种权利要求1所述高性能双相不锈钢钢丝绳的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
a.采用中频感应熔炼和AOD冶炼工艺，在原料配料时，原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：C≤0.03％，S≤0.03％，Si≤1.0％，Mn≤1.0％，P≤0.02％，Cr：23.5～24.5％，Ni：4.5～5.5％，Mo：0.7～1.4％，Cu：0.7～3.0％，N：0.10～0.20％，稀土Ce：0.005～0.20％，其余部分为铁和不可避免的杂质；
将配料后称量的全部原料经中频炉熔化，之后转入AOD炉进行精炼，进行氮含量的控制，然后浇铸成双相不锈钢合金钢坯；
b.双相不锈钢盘条：将在所述步骤a中制备的双相不锈钢合金钢坯经热轧工艺处理，制得双相不锈钢盘条；
c.双相不锈钢拉丝：将在所述步骤b中制备的双相不锈钢盘条经酸洗、多次冷拔与退火相结合工艺，制得半成品线材；
d.双相不锈钢钢丝捻股合绳：将在所述步骤c中制备的半品线材放于捻股机上进行捻股合绳，最终制得高性能双相不锈钢钢丝绳成品。
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