CN113817969B - 一种高强度超耐腐蚀无磁不锈钢及其制备方法 - Google Patents

一种高强度超耐腐蚀无磁不锈钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高强度耐腐蚀无磁不锈钢及其制备方法，按重量百分比计，所述无磁不锈钢的组成为：17％<Cr<23％，17％<Mn<23％，17％<Co<23％，0.5％＜Si＜3％，余量为铁及其不可避免的杂质。其制备方法包括：(1)将原料熔炼后浇铸至模具成形，得到不锈钢块材；(2)将成形后的不锈钢块材在1100～1250℃下保温6～12小时使其均质化；(3)将均质化后的块材在1050～1150℃的下锻打至厚度为5～15mm的板材，终锻温度为850～950℃。(4)将锻打后的板材在1000～1250℃保温10～30分钟后置于水中进行淬火处理。本发明的无磁不锈钢具有超强耐点蚀性能和力学性能，经过一定热处理工艺后，具备超高的强度、硬度、韧性、极好的耐腐蚀性能和低温韧性，可用于制备核聚变工业中超导体的外层包覆材料。

Description

一种高强度超耐腐蚀无磁不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明属于不锈钢领域，具体涉及一种同时具有优异的机械性能和超强的抗腐蚀性能的无磁不锈钢及其制备方法。
背景技术
不锈钢泛指一类耐空气、盐水、弱酸碱等腐蚀介质的钢种。由于其具备良好的机械性能和优良的抗腐蚀性能，被广泛应用于家装、食品、电子、医疗等行业。根据物相组成，一般可以将不锈钢分为四类：奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体-铁素体双相不锈钢。
其中，对于奥氏体不锈钢，通过加入奥氏体稳定元素，如Ni、Co和Mn等，不锈钢形成一种面心立方的结构，具备无磁性特点。奥氏体不锈也具备良好的塑性，易于加工成各种形状的制品。316L不锈钢属于奥氏体不锈钢的衍生钢种，因其优异的耐腐蚀性在化工行业有着广泛的应用。316LN不锈钢是在316L不锈钢的基础上添加一定量的N元素发展而来，由于其具有优良的耐腐蚀性能，无磁性以及比316L不锈钢更高的强度，是目前托克马克环形装置最常用的壁层材料。
关于托克马克装置的相关说明如下：核能被誉为人类最具希望的清洁能源，核能的来源一般有两条途径：重元素的裂变和氢元素的聚变。重元素的裂变技术，如铀的裂变技术，已经得到实际的应用；轻元素的聚变技术，如氕、氘的聚变技术也在积极开发当中。当前人类主要使用托克马克EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)装置来实现对核聚变能源的转化。托克马克装置是一种环形的装置，通过约束电磁波的驱动，创造氘、氚聚变的真空悬浮环境。
然而，316LN不锈钢在成分控制和力学性能方面存在一定的问题：一方面，由于316LN不锈钢在制备过程中难以控制N的含量和分布，容易使316LN不锈钢产生局部晶间腐蚀和点腐蚀，并且降低316LN的不锈钢的力学性能(见中国专利CN10429171A)；另一方面，尽管通过大量N原子的固溶可以大幅度的提高钢的力学性能，但在热力学上N原子于常压或低压环境下在熔融铁中的固溶度很低，导致316LN不锈钢的强度上限仅于240～400Mpa，依然难以满足包层材料对抗压的要求(见中国专利CN106011681A和CN10330718A)。
随着核聚变技术的日益成熟和托克马克装置的工业化，需要壁层材料需要承受更高的服役温度和压力以及更强的中子辐照和化学腐蚀。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有超强耐点蚀性能和力学性能的高合金奥氏体不锈钢，该不锈钢经过一定热处理工艺后，具备超高的强度、硬度、韧性、极好的耐腐蚀性能和低温韧性，可用于制备核聚变工业中超导体的外层包覆材料。
为了实现上述目的，本发明提供一种无磁不锈钢，按重量百分比计，所述无磁不锈钢的组成为：17％<Cr<23％，17％<Mn<23％，17％<Co<23％，0.5％＜Si＜3％，余量为铁及其不可避免的杂质。
优选地，按重量百分比计，所述无磁不锈钢的组成为：19％<Cr<21％，17％<Mn<19％，19％<Co<21％，1％＜Si＜2％，余量为铁及其不可避免的杂质。
发明人经过大量的深入研究，对本发明的成分设计中各种主要元素的控制如下：
(a)Cr含量的控制：Cr是不锈钢中最重要的组成成分，不锈钢的抗腐蚀性能来源于Cr元素形成的纳米级氧化膜。一般情况下，不锈钢中Cr的质量分数应大于13％，才具备良好的抗腐蚀性能。Cr还可以提高钢的高温抗氧化性能，例如在1000℃以上，Cr与Fe反应形成具有致密结构的尖晶石，覆盖在钢的表面，防止基底被进一步氧化。但如果继续增加钢中Cr的含量，虽然其抗腐蚀性能也可得到进一步提高，但会扩大δ-Fe的相区，导致不锈钢的机械性能下降，同时具备磁性。
(b)Co含量的控制：Co是奥氏体的形成元素，其稳定奥氏体相的能力与Ni相当，在钢中添加不同程度的Co可以改变γ相的形状、大小和位置。提高钢中Co的含量可以使得不锈钢的A4点温度提高，从而扩大高温γ相区，并且抑制δ铁素体的形成。Co同时也是硬质合金和高温合金的主要成分，可以提高钢的强度，耐磨性和高温蠕变性能。
(c)Mn含量的控制：Mn可提高钢的强度和硬度，并且影响钢的层错能，通过改变Mn含量可调节钢的塑性变形机制，诱发相变(TWIP)和孪晶(TRIP)，因此加入适量的Mn，可以使钢同时兼顾强度，硬度和塑性。Mn也是奥氏体形成元素，可与γ-Fe形成无限固溶体，Mn可在降低A3点温度的同时，提高A4点温度，从而扩大γ相区。特别地，当Mn的含量足够高时，γ相区会降低至室温，从而可以得到单相的奥氏体组织。但过多的Mn含量会降低钢的耐腐蚀性能和加工性能。
(d)Si含量的控制：Si广泛用于弹簧钢，可显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度。一般来说，在钢中添加1.0～1.2％的Si，其强度可以提高15～20％。Si在钢表面中还能形成一种超薄的氧化物SiO2，对钢起到很好的保护作用，从而提高钢在低温的耐酸性能和高温的抗氧化性能。
根据本发明提供的无磁不锈钢，其中，所述无磁不锈钢的屈服强度为500～600Mpa；抗拉强度为1000～1100Mpa；延伸率为55～65％。
根据本发明提供的无磁不锈钢，其中，所述无磁不锈钢的点蚀电位为900～1050mV。
本发明还提供了一种无磁不锈钢的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将原料熔炼后浇铸至模具成型，得到不锈钢块材，其中，按重量百分比计，所述原料的组成为：17％<Cr<23％，17％<Mn<23％，17％<Co<23％，0.5％＜Si＜3％，余量为铁及其不可避免的杂质；
(2)将成型后的不锈钢块材在1100～1250℃下保温6～12小时，使其均质化；
(3)将均质化后的不锈钢块材在1050～1150℃的下锻打至厚度为5～15mm的板材，终锻温度为850～950℃；
(4)将锻打后的板材在1000～1250℃保温10～30分钟后置于水中进行淬火处理，得到所述无磁不锈钢。
根据本发明提供的制备方法，其中，所述原料的组成为：19％<Cr<21％，17％<Mn<19％，19％<Co<21％，1％＜Si＜2％，余量为铁及其不可避免的杂质。
根据本发明提供的制备方法，其中，所述步骤(1)包括将原料置于真空感应熔炼炉中进行熔炼。
根据本发明提供的制备方法，其中，所述步骤(2)包括将不锈钢块材置于真空炉中进行均质化处理。
根据本发明提供的制备方法，其中，经过步骤(4)处理后所述无磁不锈钢为全奥氏体结构，其的屈服强度为500～600Mpa；抗拉强度为1000～1100Mpa；延伸率为55～65％，点蚀电位为900～1050mV。
本发明基于各种元素对钢的积极影响，首先利用Cr的钝化作用实现合金的抗腐蚀，加入适量的Mn和Co在中高温区形成的稳定的奥氏体相区，抑制因大量Cr在高温区形成δ-Fe相，并且降低不锈钢的马氏体转变开始温度(Ms)，使Ms温度低至室温。通过下述经验公式可以大致计算Ms点温度：
Ms(K)＝764.2–302.6×[C]–30.6×[Mn]–8.9×[Cr]+8.58×[Co]–14.5×[Si]
确保本发明经过淬火处理后，可在室温获得稳定的奥氏体单组织(无磁结构)，利用Si进一步提高材料的韧性和抗腐蚀性能，利用多种原子半径不同的元素固溶强化作用提高材料的强度。通过上述组合，最终形成一种高强度且超耐腐蚀的无磁不锈钢。
基于此，本发明提供了一种高强度，超耐腐蚀的无磁不锈钢，并且该不锈钢在经过大量变形后，依然可保持超强的耐腐蚀性能，避免了本发明通过冷加工提升强度和抗辐照能力的同时，对腐蚀性能的削弱。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1为本发明实施例1制得的无磁不锈钢的XRD图；
图2为本发明实施例1中轧制前的不锈钢块材和轧制后的不锈钢板材的工程应力-工程应变结果对比图；
图3为发明实施例1中轧制前的不锈钢块材和轧制后的不锈钢板材以及316L不锈钢的腐蚀试验结果对比图；
图4为发明实施例1中轧制前的不锈钢块材和轧制后的不锈钢板材和316L不锈钢在腐蚀试验后的表面形貌对比。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
实施例1
本实施例示例性地说明本发明的无磁不锈钢及其制备方法。
(1)将原料置于真空感应熔炼炉中熔炼后，浇铸至模具成型，得到不锈钢块材，其中，按重量百分比计，所述原料的组成为：20.73％Cr，17.7％Mn，20.2％Co，1.7％Si，余量为铁及其不可避免的杂质。
(2)将成型后的不锈钢块材置于真空热处理炉中，在1200℃的条件下保温7小时，使合金元素充分均质化。
(3)将均质化处理后的块材高温锻打至厚度为10mm左右的板材，起锻温度为约1150℃，终锻温度为约900℃，得到的板材形状尺寸为200mm×100mm×10mm。
(4)将锻打后的板材在1200℃下保温20分钟，然后置于水中进行淬火处理，即得本发明的无磁不锈钢。
性能表征
材料制备的一般过程为：熔化原材料—浇筑至模具—高温均质化处理—锻打—热处理(即，轧制前样品)—轧制(轧制量为原材料厚度的50％，)。实施例1的无磁不锈钢在热处理后与轧制后分别取样进行力学性能和抗腐蚀性能测试。轧制后测试腐蚀性能是用于说明引入大量的变形(位错)后，材料的抗腐蚀性能依旧非常好。
采用三电极法测量材料的抗腐蚀性能，其中不锈钢为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，3.5wt.％NaCl溶液作为腐蚀介质，试样测试面积为1cm2，扫描速率为3mV/s，测试温度为常温。具体操作：将本发明的无磁不锈钢加工至尺寸为10mm×10mm×3mm的试样，使用P360和P600的砂纸将试样各个面进行初步打磨，将打磨后的试样于30％硝酸中钝化1小时，使用铜导线连接试样其中一个10mm×10mm面，确保其导通性后，使用环氧树脂将样品进行封装，待固化后，采用P360，P600，P1000，P1500，P2000和P4000的砂纸依次将试样另一个10mm×10mm面打磨至镜面，打磨后的试样经过丙酮，乙醇清洗和干燥处理后，进行电化学腐蚀测试。
结果分析
图1为实施例1制得的无磁不锈钢的XRD图。图1表明经过本发明提供的热处理工艺后，具有本发明组成的不锈钢在常温下获得了全奥氏体的单相组织。
图2为本发明实施例1中轧制前的不锈钢块材和轧制后的不锈钢板材的工程应力-工程应变结果对比图。图3为发明实施例1中轧制前的不锈钢块材和轧制后的不锈钢板材以及316L不锈钢的腐蚀试验结果对比图。图4为发明实施例1中轧制前的不锈钢块材和轧制后的不锈钢板材和316L不锈钢在腐蚀试验后的表面形貌对比图。
实施例1的不锈钢表现出优异机械性能，如图2所示，其屈服强度和抗拉强度分别为533Mpa和1022Mpa，数值均大于商用316L不锈钢的2倍，并且在如此高的强度下，实施例的不锈钢的延伸率并没有折损，可达60％，同等于或略优于商用316L不锈钢。从图3可知，其腐蚀电位和腐蚀电流与商用316L不锈钢相当，这是由于两种不锈钢都是以Fe为基底的合金，具有类似的标准电极电位，但是实施例点蚀电位为1021mV，为商用316L不锈钢(330mV)的3倍，如此高的点蚀电位意味着实施例1不锈钢的表面形成了完全不同于316L不锈钢表面的氧化膜，在Cl-离子中对材料起到更强的保护作用。
由图2可知，实施例的不锈钢经过轧制后(轧制量为原材料厚度的50％)，其屈服强度高达1700Mpa，但抗腐蚀性能与未轧制前的样品相当，如图3所示。实施例经轧制后的腐蚀电位与未经轧制的样品基本相当，分别为-420mV和-400mV，但点蚀电位却略高于轧制前样品的测试结果，说明晶粒细化和引入大量的位错对实施例的抗腐蚀性能影响甚微。并且无论轧制与否，实施例的耐点蚀性能依然远优于商用316L不锈钢，当测试电位高达3000mV，如图4所示，实施例轧制前后的样品表面并没有产生点蚀，而商用316L不锈钢的表面已经被严重腐蚀。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种无磁不锈钢，按重量百分比计，所述无磁不锈钢的组成为：17％<Cr<23％，17％<Mn<23％，17％<Co<23％，0.5％＜Si＜3％，余量为铁及其不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的无磁不锈钢，按重量百分比计，所述无磁不锈钢的组成为：19％<Cr<21％，17％<Mn<19％，19％<Co<21％，1％＜Si＜2％，余量为铁及其不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的无磁不锈钢，其中，所述无磁不锈钢的屈服强度为500～600Mpa；抗拉强度为1000～1100Mpa。
4.根据权利要求1所述的无磁不锈钢，其中，所述无磁不锈钢的延伸率为55～65％。
5.根据权利要求1所述的无磁不锈钢，其中，所述无磁不锈钢的点蚀电位为900～1050mV。
6.一种无磁不锈钢的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将原料熔炼后浇铸至模具成型，得到不锈钢块材，其中，按重量百分比计，所述原料的组成为：17％<Cr<23％，17％<Mn<23％，17％<Co<23％，0.5％＜Si＜3％，余量为铁及其不可避免的杂质；
(2)将成型后的不锈钢块材在1100～1250℃下保温6～12小时，使其均质化；
(3)将均质化后的块材在1050～1150℃的下锻打至厚度为5～15mm的板材，终锻温度为850～950℃；
(4)将锻打后的板材在1000～1250℃保温10～30分钟后置于水中进行淬火处理，得到所述无磁不锈钢。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述原料的组成为：19％<Cr<21％，17％<Mn<19％，19％<Co<21％，1％＜Si＜2％，余量为铁及其不可避免的杂质。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述步骤(1)包括将原料置于真空感应熔炼炉中进行熔炼。
9.根据权利要求7所述的制备方法，所述步骤(2)包括将不锈钢块材置于真空热处理炉中进行均质化。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述无磁不锈钢的屈服强度为500～600Mpa，抗拉强度为1000～1100Mpa。
11.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述无磁不锈钢的延伸率为55～65％。
12.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述无磁不锈钢的点蚀电位为900～1050mV。
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