CN114086075A - 一种高氮奥氏体节镍不锈钢及其高性能焊接热影响区的热加工方法 - Google Patents

一种高氮奥氏体节镍不锈钢及其高性能焊接热影响区的热加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高氮奥氏体节镍不锈钢及其高性能焊接热影响区的热加工方法，属于不锈钢热加工技术领域，包括C：0.013‑0.02％、Si：0.10‑0.25％、Mn：1.8‑2.3％、Cr：21.89‑22.35％、Ni：1.53‑1.57％、Mo：2.60‑2.71％、Cu：0.10‑0.14％、N：0.66‑0.68％、P：≤0.03％、S：≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质，在焊接热影响区不仅具有较高的耐点蚀和耐晶间腐蚀性能，还拥有优异的力学性能，对许多应用领域如化学处理容器、石化和核工业管道、热交换器、食品工业和建筑钢筋等结构材料领域有显著的技术进步。

Description

一种高氮奥氏体节镍不锈钢及其高性能焊接热影响区的热加 工方法
技术领域
本发明涉及一种不锈钢热加工，特别是涉及一种高氮奥氏体节 镍不锈钢，本发明还涉及一种不锈钢热加工方法，特别涉及一种高 氮奥氏体节镍不锈钢高性能焊接热影响区的热加工方法，属于不锈 钢热加工技术领域。
背景技术
Ni是奥氏体不锈钢中最常用的元素，可以通过Mn、N元素配比 来有效代替昂贵的Ni减少成本，N元素可部分甚至全部代替Ni元素 来稳定奥氏体相，可显著提高奥氏体不锈钢的力学性能以及耐腐蚀 性能，所以高氮节镍型奥氏体不锈钢具有节约成本和使用性能的双 重优势。然而，在实际应用中，焊接作为不锈钢必不可少的连接方 法会引起许多问题，传统的焊接工艺存在很多缺陷性，如氮缺失， 容易发生点蚀或晶间腐蚀。
不合适的焊接热输入易在焊接热影响区出现氮化物、sigma、碳 化物等脆性析出相，或使焊接热影响区晶粒粗大、产生冷裂纹等问 题，将严重降低焊接热影响区力学和耐腐蚀性能。因此，可通过调 控焊接热输入改变焊接热循环的冷却过程，探究焊接热影响区的耐 腐蚀性能以及力学性能，从而改善因焊接导致的问题，得到一种具 有高性能焊接热影响区的高氮奥氏体节镍不锈钢及其热加工方法。
公开号CN109207846A公开了一种高耐蚀节镍高氮奥氏体不锈 钢，该专利发明的高耐蚀节镍不锈钢成分在保证Cr含量大于18％的 前提下仍能得到室温单一奥氏体组织，使得该奥氏体不锈钢有较高 的耐点蚀当量以及良好的机械性能。但并没有焊接时焊接热影响区 的性能测试，且Ni含量仍在2.0％～4.0％。公开号CN112501493A公 开了一种耐点蚀和硫酸腐蚀优异的节镍高氮奥氏体不锈钢及制造方 法，该专利发明的耐点蚀和硫酸腐蚀优异的节镍高氮奥氏体不锈钢 点蚀当量≥19.0，屈服强度Rp0.2≥400MPa，若是在焊接热影响区， 其耐腐蚀性能以及力学性能的优势并不明显。公开号CN101215677A 公开了一种资源节约型高氮超级双相不锈钢合金材料及其制备方 法，该专利发明的高氮超级双相不锈钢采用传统的熔炼工艺方法， 在投料时，采用纯铁管密封中间合金投入法，制造得到的高氮超级 双相不锈钢力学性能突出，但该专利并未涉及到焊接时热加工参数 的影响。
目前，国内研究高氮奥氏体节镍不锈钢在焊接热影响区的性能 研究较少，研究方向处于单一研究耐腐蚀性能或研究力学性能，为 此设计一种高氮奥氏体节镍不锈钢及其高性能焊接热影响区的热加 工方法来填补和改进上述问题。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种高氮奥氏体节镍不锈钢及其 高性能焊接热影响区的热加工方法，在焊接热影响区不仅具有较高 的耐点蚀和耐晶间腐蚀性能，还拥有优异的力学性能，对许多应用 领域如化学处理容器、石化和核工业管道、热交换器、食品工业和 建筑钢筋等结构材料领域有显著的技术进步。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种高氮奥氏体节镍不锈钢，按质量百分比计算，包括C： 0.013-0.02％、Si：0.10-0.25％、Mn：1.8-2.3％、Cr：21.89-22.35％、 Ni：1.53-1.57％、Mo：2.60-2.71％、Cu：0.10-0.14％、N：0.66-0.68％、 P：≤0.03％、S：≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
一种高氮奥氏体节镍不锈钢高性能焊接热影响区的热加工方 法，包括如下步骤：
步骤1：按照元素质量百分比为C：0.013-0.02％、Si：0.10-0.25％、 Mn：1.8-2.3％、Cr：21.89-22.35％、Ni：1.53-1.57％、Mo：2.60-2.71％、 Cu：0.10-0.14％、N：0.66-0.68％、P：≤0.03％、S：≤0.015％，余 量为Fe进行配料；
步骤2：将配料好的元素放入至50Kg真空熔炼炉炼制；
步骤3：将所炼铸坯进行预锻造处理，在1100～1150℃开始锻 造，终锻温度＞985℃，锻造比为3～5，锻造后进行水冷处理；
步骤4：将步骤3中得到的板材进行预轧制，在温度1110～ 1160℃开始轧制，终轧温度≥955℃，然后水淬处理；
步骤5：将步骤4中得到的板材在箱式电阻炉中进行固溶处理， 固溶条件为1000～1050℃，固溶时间0.5～1h，然后进行水冷处理；
步骤6：将步骤5中得到板材进行加工成焊接热循环试样，在 gleeble3800实验机上进行0.8KJ/mm～3.1KJ/mm的不同热循环参数 下进行焊接热循环处理，得到不同热输入焊接热影响区试样；
步骤7：将步骤5中得到的试样，制备成电化学试样，配置点蚀 溶液：3.5％NaCl，晶间腐蚀溶液配比为：1.2mol/L H2SO4、1.1mol/L NaCl和0.01mol/L KSCN，并采用循环伏安动电位极化曲线以及双 环动电位再活化法测试试样的耐点蚀性和耐晶间腐蚀敏感度；
步骤8：将步骤5中得到试样加工成标准冲击试样和标准拉伸试 样，采用冲击实验和拉伸实验，测试试样的力学性能。
优选的，其中步骤6中在热输入参数范围1.4KJ/mm～3.1KJ/mm 进行焊接热循环。
优选的，其中步骤3中锻造温度在1150℃，终锻温度为1000℃， 采用循环冷却水设备进行水冷处理。
优选的，步骤4中在温度1160℃进行轧制，终轧温度为1000℃， 采用立式真空水淬处理设备进行水淬处理。
优选的，步骤5中板材在箱式电阻炉中进行固溶处理的固溶温 度为1050℃，固溶时间1h，也采用循环冷却水设备进行水冷处理。
优选的，其中步骤6中在热输入参数范围1.4KJ/mm～1.6KJ/mm 进行焊接。
优选的，其中步骤6中在热输入范围2.8KJ/mm～3.1KJ/mm下进 行焊接。
优选的，其中步骤6中在热输入范围1.8KJ/mm～2.0KJ/mm下进 行焊接。
优选的，步骤5中具体热模拟步骤为：将试样从预热温度200℃ /s加热到峰值温度1325℃后，保温1s。
本发明的有益技术效果：
本发明提供的一种高氮奥氏体节镍不锈钢及其高性能焊接热影 响区的热加工方法，在焊接热影响区不仅具有较高的耐点蚀和耐晶 间腐蚀性能，还拥有优异的力学性能，对许多应用领域如化学处理 容器、石化和核工业管道、热交换器、食品工业和建筑钢筋等结构 材料领域有显著的技术进步。
附图说明
图1是实施例1在热循环参数为0.8KJ/mm～3.1KJ/mm范围内焊 接热影响区的五种不同热输入试样循环伏安极化测试曲线。
图2是实施例2在热循环参数为0.8KJ/mm～3.1KJ/mm范围内焊 接热影响区的五种不同热输入试样双环电化学动电位再活化法测试 曲线。
图3是实施例2在热循环参数为0.8KJ/mm～3.1KJ/mm范围内焊 接热影响区的五种不同热输入试样及固溶态晶间腐蚀敏感度比较
图4是实施例3在热循环参数为0.8KJ/mm～3.1KJ/mm范围内焊 接热影响区的三种不同热输入试样屈服强度对比。
图5是实施例3在热循环参数为0.8KJ/mm～3.1KJ/mm范围内焊 接热影响区的三种不同热输入试样拉伸强度对比。
图6是实施例3在热循环参数为0.8KJ/mm～3.1KJ/mm范围内焊 接热影响区的三种不同热输入试样延伸率对比。
图7是实施例4在热循环参数为0.8KJ/mm～3.1KJ/mm范围内焊 接热影响区的五种不同热输入试样的冲击功对比。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面 结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施 方式不限于此。
如图1-图7所示，本实施例提供的一种高氮奥氏体节镍不锈钢，按质量百 分比计算，所述的高氮奥氏体节镍不锈钢成分及质量百分比为：C：0.013～ 0.02％、Si：0.10～0.25％、Mn：1.8～2.3％、Cr：21.89～22.35％、Ni：1.53～1.57％、Mo：2.60～2.71％、Cu：0.10～0.14％、N：0.66～0.68％、P：≤0.03％、 S：≤0.015％，余量为Fe。
所述的高氮奥氏体节镍不锈钢的化学成分优选包括：C：0.01％、 Si：0.10％、Mn：2.20％、Cr：22.12％、Ni：1.55％、Mo：2.63％、Cu： 0.13％、N：0.67％、P：≤0.01％、S：≤0.01％，余量为Fe。
一种高氮奥氏体节镍不锈钢高性能焊接热影响区制备方法，使 其在焊接热影响区的耐腐蚀性能和力学性能得到提升，具体包括以 下步骤：
步骤1：采用50kg真空熔炼炉炼制22.12％Cr高氮节镍型奥氏体 不锈钢钢坯。
步骤2：对不锈钢铸坯进行预锻造处理，在温度1100～1170℃ 开始锻造，锻造比为3～5，终锻温度＞985℃，锻后快冷。
步骤3对步骤2锻造获得的板材进行预轧制，在温度1130～ 1160℃开轧，在温度＞955℃终轧，水淬然后得到板材。
步骤4：将步骤3得到的板材在箱式电阻炉中进行固溶处理，温 度为1000～1050℃，固溶处理的保温时间为0.5～1h，固溶处理的 冷却方式为水冷。
步骤5：将步骤4得到的板材进行加工，在热模拟实验机上进行 不同热循环参数范围1.4KJ/mm～3.1KJ/mm下进行焊接，得到具有高 性能焊接热影响区的高氮奥氏体节镍不锈钢。
实施例1
按照C：0.01％、Si：0.10％、Mn：2.20％、Cr：22.12％、Ni：1.55％、 Mo：2.63％、Cu：0.13％、N：0.67％、P：≤0.01％、S：≤0.01％，余 量为Fe配料，真空熔炼后，在1100℃开锻，在990℃左右终锻，锻 成130mm宽、23mm厚的长方块，在温度1150℃热轧成12mm厚的板， 水冷。
将制备的不锈钢在箱式电阻炉进行固溶处理，温度1050℃，固 溶1h，水淬，获得的不锈钢表面粗糙度Ra3.2。
将不锈钢沿轧制方向加工成尺寸10.5mm×10.5mm×60mm，采用 Gleeble-3800热模拟实验机上进行焊接，热输入参数为 2.935KJ/mm，进行焊接热模拟，以200℃/s预热温度加热到峰值温 度1345℃，保温1s，然后进行120s冷却，得到焊接热模拟试样。
将得到的试样制备成电化学试样，经打磨等使工作面呈镜面， 非工作面封样备用，制备腐蚀液为3.5％NaCl。采用循环伏安动电位 极化曲线测试试样。
图1即为热循环参数为0.8KJ/mm～3.1KJ/mm范围内焊接热影响 区五种热输入试样及固溶态循环伏安极化测试曲线，表1为动电位 极化曲线拟合的电化学参数，从表中可以看出，热输入值在 2.935KJ/mm时，试样在焊接热影响区的点蚀点位Eb≥1.06V，具有高耐点蚀性能。
表1动电位极化曲线拟合的电化学参数
Figure BDA0003374641270000071
具体数据为：在热输入范围1.4KJ/mm～1.6KJ/mm和2.8KJ/mm～ 3.1KJ/mm进行焊接热模拟，点蚀电位Eb≥1.04V，焊接热影响区 具有高耐点蚀性能。
实施例2
按照C：0.01％、Si：0.10％、Mn：2.20％、Cr：22.12％、Ni：1.55％、 Mo：2.63％、Cu：0.13％、N：0.67％、P：≤0.01％、S：≤0.01％，余 量为Fe配料，真空熔炼，在1150℃开锻，在985℃左右终锻，锻成 130mm宽、23mm厚的长方块，在温度1150℃热轧成12mm厚的板，水 冷。
将制备的不锈钢在箱式电阻炉进行固溶处理，温度1050℃，固 溶1h，水淬，获得的不锈钢表面粗糙度Ra3.2。
将不锈钢沿轧制方向加工成尺寸10.5mm×10.5mm×60mm，在 Gleeble-3800热模拟实验机上进行焊接，在热输入参数为1.468KJ/mm进行焊接热模拟，以200℃/s预热温度加热到峰值温度 1345℃，保温1s，然后进行冷却。
制备腐蚀液为1.2mol H2SO4+1.1mol NaCl+0.01mol KSCN， 采用双环动电位再活化法(DL-EPR)测试试样。
图2即为五种热输入试样及固溶态双环电化学动电位再活化法 测试曲线，并通过计算获得晶间腐蚀敏感值Ra，图3即为五种热输 入试样及固溶态的晶间敏感值比较图，可以更直观地观察晶间腐蚀 敏感值的变化趋势，从图3中可看出，晶间敏感值随热输入的增大 先减小后增大再减小，尤其的，在热输入值为1.846KJ/mm，其焊接 热影响区的晶间腐蚀敏感值Ra≤0.17％，具有高耐晶间腐蚀性能。
具体数据为：在热输入范围1.4KJ/mm～1.6KJ/mm进行焊接热模 拟，晶间腐蚀敏感值Ra≤0.17％，焊接热影响区具有高耐晶间腐蚀性 能。
实施例3
按照C：0.01％、Si：0.10％、Mn：2.20％、Cr：22.12％、Ni：1.55％、 Mo：2.63％、Cu：0.13％、N：0.67％、P：≤0.01％、S：≤0.01％，余 量为Fe配料，真空熔炼，在1150℃开锻，在990℃终锻，在温度1150℃ 开轧，终轧温度980℃，水淬。
将制备的不锈钢在箱式电阻炉进行固溶处理，温度1050℃，固 溶时长0.5h，水冷至室温。
将不锈钢沿轧制方向加工成尺寸10.5mm×10.5mm×60mm，在 Gleeble-3800热模拟实验机上进行焊接，在热输入参数为 1.846KJ/mm进行焊接热模拟，以200℃/s预热温度加热到峰值温度 1345℃，保温1s，然后进行冷却。
对试样采用拉伸试验，测试试样的拉伸性能。
图4、5、6即为该热模拟试样在三种不同热输入条件下的屈服 强度曲线、抗拉强度曲线以及延伸率曲线。从图中可知，在热输入 范围0.8KJ/mm～3.1KJ/mm，该试样的力学性能均很优异，尤其在范 围1.8KJ/mm～2.0KJ/mm，其焊接热影响区的抗拉强度Rm≥1040MPa，屈服强度Rp0.2≥715MPa，延伸率A≥42.5％。
具体数据为：在热输入范围1.8KJ/mm～2.0KJ/mm进行焊接热 模拟，抗拉强度Rm≥1040MPa，屈服强度Rp0.2≥715MPa，延伸率 A≥42.5％，焊接热影响区具有优异的力学性能。
实施例4
按照C：0.01％、Si：0.10％、Mn：2.20％、Cr：22.12％、Ni：1.55％、 Mo：2.63％、Cu：0.13％、N：0.67％、P：≤0.01％、S：≤0.01％，余 量为Fe配料，真空熔炼，在1150℃开锻，在985℃终锻，在温度1150℃ 开轧，终轧温度980℃，水淬。
将制备的不锈钢在箱式电阻炉进行固溶处理，温度1050℃，固 溶0.5h，水冷至室温。
将不锈钢沿轧制方向加工成尺寸10.5mm×10.5mm×60mm，在 Gleeble-3800热模拟实验机上进行焊接，在热输入参数为 0.848KJ/mm进行焊接热模拟处理，以200℃/s预热温度加热到峰值 温度1345℃，保温1s，然后进行冷却。
对试样采用冲击实验，测试冲击功。
图7即为五种不同焊接热输入条件下的冲击功，从图中可以看 出，冲击功随热输入增加呈现一个先增后减再增的趋势，整体来说， 冲击功均值较高，且在热输入值2.935KJ/mm时，冲击功为200J，具 有较高的力学性能。
以上所述4个实施例，具体数据为：在热输入范围1.4KJ/mm～ 3.1KJ/mm内进行焊接热循环，其焊接热影响区的晶间敏感值Ra≤1.39％，抗拉强度Rm≥1040MPa，屈服强度Rp0.2≥710MPa，延伸率 A≥42.5％，冲击功≥90J，在热输入范围1.4KJ/mm～1.6KJ/mm进行焊 接热循环，其焊接热影响区的晶间腐蚀敏感值Ra≤0.17；在热输入 范围1.8KJ/mm～2.0KJ/mm进行焊接热循环，其焊接热影响区的抗拉 强度Rm≥1055MPa，屈服强度Rp0.2≥715MPa，延伸率A≥44％；在热输 入范围2.8KJ/mm～3.1KJ/mm进行焊接热循环，其焊接热影响区的点 蚀电位Eb≥1.06V，冲击功≥200J。该高氮奥氏体节镍不锈钢在 1.4KJ/mm～3.1KJ/mm内进行焊接热循环，其焊接热影响区具有优异 的耐点蚀性能、耐晶间腐蚀性能和力学性能。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围 并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的 范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都 属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高氮奥氏体节镍不锈钢，其特征在于：按质量百分比计算，包括C：0.013-0.02％、Si：0.10-0.25％、Mn：1.8-2.3％、Cr：21.89-22.35％、Ni：1.53-1.57％、Mo：2.60-2.71％、Cu：0.10-0.14％、N：0.66-0.68％、P：≤0.03％、S：≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高氮奥氏体节镍不锈钢高性能焊接热影响区的热加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：按照元素质量百分比为C：0.013-0.02％、Si：0.10-0.25％、Mn：1.8-2.3％、Cr：21.89-22.35％、Ni：1.53-1.57％、Mo：2.60-2.71％、Cu：0.10-0.14％、N：0.66-0.68％、P：≤0.03％、S：≤0.015％，余量为Fe进行配料；
步骤2：将配料好的元素放入至50Kg真空熔炼炉炼制；
步骤3：将所炼铸坯进行预锻造处理，在1100～1150℃开始锻造，终锻温度＞985℃，锻造比为3～5，锻造后进行水冷处理；
步骤4：将步骤3中得到的板材进行预轧制，在温度1110～1160℃开始轧制，终轧温度＞955℃，然后水淬处理；
步骤5：将步骤4中得到的板材在箱式电阻炉中进行固溶处理，固溶条件为1000～1050℃，固溶时间0.5～1h，然后进行水冷处理；
步骤6：将步骤5中得到板材进行加工成焊接热循环试样，在gleeble3800实验机上进行0.8KJ/mm～3.1KJ/mm的不同热循环参数下进行焊接热循环处理，得到不同热输入焊接热影响区试样；
步骤7：将步骤5中得到的试样，制备成电化学试样，配置点蚀溶液：3.5％NaCl，晶间腐蚀溶液配比为：1.2mol/L H2SO4、1.1mol/L NaCl和0.01mol/L KSCN，并采用循环伏安动电位极化曲线以及双环动电位再活化法测试试样的耐点蚀性和耐晶间腐蚀敏感度；
步骤8：将步骤5中得到试样加工成标准冲击试样和标准拉伸试样，采用冲击实验和拉伸实验，测试试样的力学性能。
3.根据权利要求2所述的一种高氮奥氏体节镍不锈钢高性能焊接热影响区的热加工方法，其特征在于：其中步骤6中在热输入参数范围1.4KJ/mm～3.1KJ/mm进行焊接热循环。
4.根据权利要求2所述的一种高氮奥氏体节镍不锈钢高性能焊接热影响区的热加工方法，其特征在于：其中步骤3中锻造温度在1150℃，终锻温度为1000℃，采用循环冷却水设备进行水冷处理。
5.根据权利要求2所述的一种高氮奥氏体节镍不锈钢高性能焊接热影响区的热加工方法，其特征在于：步骤4中在温度1160℃进行轧制，终轧温度为1000℃，采用立式真空水淬处理设备进行水淬处理。
6.根据权利要求2所述的一种高氮奥氏体节镍不锈钢及其高性能焊接热影响区的热加工方法，其特征在于：步骤5中板材在箱式电阻炉中进行固溶处理的固溶温度为1050℃，固溶时间1h，也采用循环冷却水设备进行水冷处理。
7.根据权利要求2所述的一种高氮奥氏体节镍不锈钢及其高性能焊接热影响区的热加工方法，其特征在于：其中步骤6中在热输入参数范围1.4KJ/mm～1.6KJ/mm进行焊接。
8.根据权利要求2所述的一种高氮奥氏体节镍不锈钢及其高性能焊接热影响区的热加工方法，其特征在于：其中步骤6中在热输入范围2.8KJ/mm～3.1KJ/mm下进行焊接。
9.根据权利要求2所述的一种高氮奥氏体节镍不锈钢及其高性能焊接热影响区的热加工方法，其特征在于：其中步骤6中在热输入范围1.8KJ/mm～2.0KJ/mm下进行焊接。
10.根据权利要求2所述的一种高氮奥氏体节镍不锈钢及其高性能焊接热影响区的热加工方法，其特征在于：步骤5中具体热模拟步骤为：将试样从预热温度200℃/s加热到峰值温度1325℃后，保温1s。
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