CN113737081B - 不锈钢冶炼方法、改性方法及一种不锈钢 - Google Patents

不锈钢冶炼方法、改性方法及一种不锈钢 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不锈钢冶炼方法，在冶炼过程中控制气氛中的氧含量在10ppm～100ppm之间，氮含量不高于400ppm，并控制不锈钢中的Ti含量大于0但不超过0.05wt%。本发明还公开了一种不锈钢改性方法及一种不锈钢。本发明通过精确的冶炼工艺控制，能在不锈钢中原位自主产生弥散分布的微小Ti2O3颗粒，该Ti2O3颗粒稳定性明显高于TiN和碳化物，可对不锈钢组织起到很好的优化作用从而实现性能的强化，同时还可以遗传到焊接过程中有效抑制焊接热影响区组织的长大，从而实现不锈钢焊接性能的优化。

Description

不锈钢冶炼方法、改性方法及一种不锈钢
技术领域
本发明属于冶金工艺技术领域，具体涉及一种不锈钢冶炼方法。
背景技术
非金属夹杂物被认为是钢中的有害杂质，是钢铁产品出现缺陷的主要诱因。然而，对于多数钢种而言，尺寸50μm以上的大型夹杂物对钢的性能才有影响，几微米以下的小型夹杂物在凝固和轧制过程中可以作为组织形成的异质形核核心，通过控制夹杂物的大小、形态、数量和分布，可以提高钢材的性能。日本新日铁将细化和利用氧化物夹杂的技术称为氧化物冶金技术。氧化物冶金成为了近年来用于细化钢铁材料晶粒，提高强度与韧性的新方法，已经成功的用于非调质钢、微合金低碳钢、天然气输送管线钢、船板钢的开发。
另一方面，氧化物弥散强化(oxide dispersion strengthened(ODS))，在9Cr钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、镍基高温合金中已经获得应用，充分证明了微小氧化物颗粒可以提高材料的高温力学性能、持久蠕变性能及耐辐照性能。然而该材料只能通过机械合金化(MA)的方法进行制造，这种制造技术限制了其只能用来制造体积、面积较小的材料和零件。
在不锈钢领域，Ti元素经常被当成N稳定化元素加入，以固定多余的N元素，改善不锈钢的成型性，消除应变时效，减少铁素体不锈钢表面皱纹状变形。细小弥散的TiN可以细化凝固组织，提高等轴晶比例，进而减小连铸板坯的横裂纹，同时TiN粒子抑制奥氏体晶粒长大，以获得细小的奥氏体晶粒，同时改善焊接热影响区的韧性。但是TiN的稳定性较差，其强化效果有限，组织改善性有限，且脆性的TiN颗粒容易成为材料断裂的裂纹源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种不锈钢冶炼方法，通过精确的工艺控制，可在不锈钢中原位自生细小球状Ti2O3颗粒并且达到弥散分布的效果，从而实现对不锈钢组织的良好细化作用，并且可以遗传到焊接过程中有效抑制焊接热影响区组织的长大，同时解决了氧化物弥散强化钢采用机械合金化的方法只能制造体积、面积较小的材料和零件的问题。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种不锈钢冶炼方法，在冶炼过程中控制气氛中的氧含量在10ppm～100ppm之间，氮含量不高于400ppm，并控制不锈钢中的Ti含量大于0但不超过0.05wt％。
一种不锈钢，使用如上所述不锈钢方法冶炼得到。
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
一种不锈钢改性方法，对不锈钢进行冶炼，且在冶炼过程中控制气氛中的氧含量在10ppm～100ppm之间，氮含量不高于400ppm，并控制不锈钢中的Ti含量大于0但不超过0.05wt％。
一种不锈钢，使用如上所述方法进行改性。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过精确的冶炼工艺控制，能在不锈钢中原位自主产生弥散分布的微小Ti2O3颗粒，该Ti2O3颗粒稳定性明显高于TiN和碳化物，可对不锈钢组织起到很好的细化作用从而实现性能的强化，同时还可以遗传到焊接过程中有效抑制焊接热影响区组织的长大，从而实现不锈钢焊接性能的优化。
本发明技术方案即可用于新不锈钢材料的准备，也可用于既有不锈钢材料的性能优化；其工艺过程简单，实现成本较低。
附图说明
图1是不同Ti含量对430不锈钢凝固组织的影响；
图2是不含Ti和Ti含量为0.02％时430不锈钢的焊接热影响区组织对比；
图3是钛含量为0.02％(左)和0.28％(右)时T4003不锈钢的铸坯宏观组织对比；
图4是钛含量为0.02％(左)和0.28％(右)时T4003不锈钢焊接热影响区组织对比。
具体实施方式
发明人在研究中发现：在不锈钢冶炼过程中通过精确的工艺控制，具体而言，即控制气氛中的氧含量在10ppm～100ppm之间，氮含量不高于400ppm，并控制不锈钢中的Ti含量大于0但不超过0.05wt％，则在之后浇注或连铸的凝固过程中在液相线前端和固液两相区内原位形成细小弥散的Ti2O3颗粒，该颗粒直径不大于10μm，呈球状，在后续的热轧和冷轧过程中，不再改变性状。
经进一步的大量试验分析发现，该细小弥散的球状Ti2O3颗粒具有很好的稳定性，可对不锈钢组织起到很好的细化作用从而实现等轴晶率、强度等性能的强化，同时还可以遗传到焊接过程中有效抑制焊接热影响区组织的长大，从而实现不锈钢焊接性能的优化。
上述不锈钢冶炼工艺既可以用于新不锈钢材料的准备，也可用于已有不锈钢材料的性能优化。所述冶炼可以为氩氧脱碳精炼(AOD)、真空吹氧脱碳(VOD)、钢包精炼(LF)等各类不锈钢冶炼工艺。
当其用于已有不锈钢材料的性能优化时，相对于未添加Ti的不锈钢，例如430不锈钢，在凝固过程中，Ti2O3颗粒可作为奥氏体/铁素体相的形核核心，以促进奥氏体/铁素体的形成，大幅增加奥氏体/铁素体的晶粒个数，起到细化晶粒的作用。
相对于添加较多Ti的不锈钢，例如T4003不锈钢，若控制析出物为Ti2O3颗粒，则需要降低Ti含量到0.05％以内，虽然等轴晶率有所下降，但可以提高最终材料的焊接性能。焊接热影响区内，该Ti2O3颗粒性状也不改变，可抑制热影响区内晶粒的长大。
在材料服役过程中，Ti2O3颗粒作为稳定强化相对不锈钢起到强化作用。
为了便于公众理解，下面通过两个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
实施例1
本实施例选择430不锈钢进行性能优化。设计Ti含量(重量百分比)分别为0、0.01％和0.02％；冶炼气氛中的氧含量为80ppm-100ppm，N含量在300-390ppm之间。表1列出了不同钛含量430不锈钢的成分。采用感应熔炼+模铸的方式进行实验。图1给出了三个样品的凝固组织，从中可以看出，随着钛含量的增加不锈钢等轴晶率逐渐提高。经过统计，8号样品未添加Ti的等轴晶率为40.1％；L1样品添加0.01％Ti，等轴晶率为56.5％；6号样品添加0.02％Ti的样品等轴晶率达到68.2％。表2、表3、表4给出了不同钛含量条件下形成夹杂物的种类，可以看出不含Ti样品夹杂物主要为Al、Mn、Cr；添加Ti后夹杂物的成分主要为Ti、Cr。可以推断形成了Ti的氧化物。取不含Ti和Ti含量为0.02％的样品进行焊接实验，焊接热影响区组织见图2。可见含Ti氧化物可以细化焊接热影响区组织，减小粗晶区的范围。
表1Ti处理430不锈钢成分表
Figure BDA0003238476690000041
表2未加入钛时夹杂物的能谱结果
Figure BDA0003238476690000042
表3钛含量为0.01％时夹杂物的能谱结果
Figure BDA0003238476690000043
表4钛含量为0.02％时夹杂物的能谱结果
Figure BDA0003238476690000044
Figure BDA0003238476690000051
实施例2
本实施例选择T4003不锈钢进行进行性能优化。由于T4003不锈钢本身就含0.28％左右的Ti，其析出物主要为TiN，因此若要将TiN转变为Ti2O3颗粒，在冶炼配料过程中要少添加Ti，按照重量百分比控制在0.02％左右。作为对比设计了0.02％Ti与0.28％左右Ti含量的对比试验，仍然采用真空感应熔炼+模铸的方式进行实验。具体成分见表5。
表5.T4003不锈钢成分表
钢种 No. C Si Mn P S Cr Ni Nb O N Ti Al Al<sub>s</sub> SC
T4003 1 0.011 0.35 1.60 0.013 0.002 11.18 0.98 0.08 0.0045 0.0095 0.28 0.019 0.018 H
T4003 3 0.008 0.35 1.75 0.015 0.004 11.14 0.92 0.01 0.006 0.0110 0.02 <0.005 <0.005 H
图3显示了钛含量为0.02％(左)和0.28％(右)时T4003不锈钢的铸坯宏观组织。当Ti含量为0.28％时等轴晶率为100％；当Ti含量为0.02％时，等轴晶率为51.66％。可见对于含Ti含量较高的T4003不锈钢，降Ti后，等轴晶率降低。表6、表7给出了Ti含量为0.02％和0.28％两种情况下夹杂物的能谱结果。可见Ti含量为0.02％时，夹杂物为Ti2O3当Ti含量为0.28％时，夹杂物为TiN。图4为Ti含量为0.02％(左)和0.28％(右)时T4003不锈钢焊接热影响区组织的影响。从中可以看出Ti含量为0.02％时，T4003不锈钢焊接热影响区组织非常细密；而Ti含量为0.28％时，焊接热影响区组织较为粗大。表8列出来钛含量为0.02％(左)和0.28％(右)时T4003不锈钢的拉伸性能，可见虽然Ti含量从0.28％降低到0.02％，但是其强度确获得了提高。
表6钛含量为0.28％时T4003不锈钢中的夹杂物能谱结果
Figure BDA0003238476690000052
Figure BDA0003238476690000061
表7钛含量为0.02％时T4003不锈钢中的夹杂物能谱结果
Figure BDA0003238476690000062
表8.钛含量为0.02％和0.28％时T4003不锈钢的拉伸性能
Figure BDA0003238476690000063

Claims (4)

1.一种不锈钢冶炼方法，所述不锈钢为430不锈钢或T4003不锈钢，其特征在于，在冶炼过程中控制气氛中的氧含量在10ppm～100ppm之间，氮含量不高于400ppm，并控制不锈钢中的Ti含量大于0但不超过0.05wt%，在液相线前端和固液两相区内原位形成细小弥散的球状Ti2O3颗粒，该颗粒直径不大于10μm。
2.一种不锈钢，其特征在于，使用如权利要求1所述不锈钢冶炼方法得到。
3.一种不锈钢改性方法，所述不锈钢为430不锈钢或T4003不锈钢，其特征在于，对不锈钢进行冶炼，且在冶炼过程中控制气氛中的氧含量在10ppm～100ppm之间，氮含量不高于400ppm，并控制不锈钢中的Ti含量大于0但不超过0.05wt%，在液相线前端和固液两相区内原位形成细小弥散的球状Ti2O3颗粒，该颗粒直径不大于10μm。
4.一种不锈钢，其特征在于，使用如权利要求3所述方法进行改性。
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