CN114164373B - 一种Nb微合金化双相不锈钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Nb微合金化双相不锈钢及其制备方法，一种Nb微合金化双相不锈钢，其特征在于：按照质量百分比计，该双相不锈钢由以下组分组成：0.06≤C≤0.15％、0.10％≤Si≤0.60％、3.50％≤Mn≤6.0％、0.8％≤Ni≤1.5％、19.0％≤Cr≤23.0％、0.20％≤Mo≤0.50％、0.10％≤N≤0.26％、0.05％≤Nb≤0.25％，余量为Fe和不可避免杂质。抑制Cr的碳/氮化物析出，同时细化显微组织，综合利用“相比例优化+TRIP效应+析出强化+细晶强化”的多重强化机制来调控Nb微合金化双相不锈钢的性能，获得良好的强度和塑性，保证材料服役安全性。

Description

一种Nb微合金化双相不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁合金材料技术领域，具体涉及一种Nb微合金化双相不锈钢及其制备方法。
背景技术
双相不锈钢因其独特的两相结构，具有优异的力学性能和耐蚀性能、较低的合金成本等综合优势，在核电、海洋平台、新能源汽车、建筑设施等领域有着广阔的应用前景。双相不锈钢中含有较多的Cr元素，在热加工、焊接及热处理过程中易与C、N结合析出Cr23C6、Cr2N等脆性相。脆性相析出会降低铁素体/奥氏体两相界面的结合强度，影响变形协调性，导致开裂现象，恶化双相不锈钢的加工性能及力学性能。同时，脆性相析出会引起局部贫铬，影响双相不锈钢的耐蚀性能。
如中国发明专利《微合金化的高硅锰含氮型奥氏体不锈钢材料及制备方法》，其专利号为ZL201811097221.X(授权公告号为CN109280842B)公开了在奥氏体不锈钢中加入了0.05～0.2％的V和0.05～0.2％的Nb元素，通过真空感应加电渣重熔的双联冶金工艺，获得成分稳定、纯度高、杂质元素少的合金钢锭，并通过冷/热加工、热处理等，获得成品的高硅锰含氮奥氏体不锈钢棒材或板带，具有良好的强韧性匹配及耐磨、耐腐蚀和高的力学性能。但是针对的是单相的铁素体不锈钢或奥氏体不锈钢，而双相不锈钢的组织演变更加复杂，在热加工、热处理等过程中存在铁素体与奥氏体之间的相转变，从而Nb、V等微合金元素的添加对性能有很大的影响。上述专利制备出的不锈钢的屈服强度较低。
又如中国发明专利申请《一种微合金元素Nb强化的双相不锈钢及其制备方法》，其专利申请号为CN201911407032.2(申请公开号为CN110983164A)公开了在2205双相不锈钢中加入了0.03％～0.05％的Nb，微量的Nb固溶在基体中，其固溶拖拽可以阻碍晶粒的长大从而细化晶粒，同时起到了固溶强化和细晶强化的作用，可使2205双相不锈钢具有更优异的力学性能，同时不降低其耐蚀性能。但是，在该专利中所有实施例的抗拉强度范围为600～700MPa，延伸率为20～30％，其强塑性较低，无法满足结构件的服役安全要求。另外，该专利虽然提出了一种Nb元素强化的双相不锈钢制备方法，但是仅依靠固溶强化和细晶强化无法获得更高的力学性能。
因此，需要对现有的双相不锈钢及其制备方法作进一步的改进。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种兼具高抗拉强度、屈服强度和塑性的Nb微合金化双相不锈钢。
本发明所要解决的第二个技术问题是，提供一种提高抗拉强度和屈服强度的Nb微合金化双相不锈钢的制备方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种Nb微合金化双相不锈钢，其特征在于：按照质量百分比计，该双相不锈钢由以下组分组成：0.06≤C≤0.15％、0.10％≤Si≤0.60％、3.50％≤Mn≤6.0％、0.8％≤Ni≤1.5％、19.0％≤Cr≤23.0％、0.20％≤Mo≤0.50％、0.10％≤N≤0.26％、0.05％≤Nb≤0.25％，余量为Fe和不可避免杂质。
上述Nb微合金化双相不锈钢，室温时的抗拉强度为800～1100MPa，屈服强度为600～800MPa，断后延伸率为45～65％。如此，该Nb微合金化双相不锈钢具有较高的抗拉强度、屈服强度和断后延伸率。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种Nb微合金化双相不锈钢的制备方法，其特征在于，依次包括有以下步骤：
1)配料：按照上述质量百分比选取电解铬、电解锰、纯铁、钼、镍、铌、硅、增碳剂和Fe(CrN)合金；
2)熔炼：先将电解铬、纯铁、钼、镍、铌、硅和增碳剂放置于熔炼炉中进行熔炼，待熔化后加入电解锰和Fe(CrN)合金进行熔炼，得到钢水；
3)浇铸：将钢水浇铸到铸模中，控制浇铸温度为1460～1510℃；
4)锻造：切除铸锭的冒口部分后进行锻造，得到锻造坯；
5)热轧：将锻造坯进行热轧处理，热轧后空冷，得到热轧板材；
6)热处理：将热轧板材进行固溶退火后再进行淬火。
优选地，在步骤4)中，始锻温度为1120～1160℃，终锻温度为930～970℃。控制始锻温度在1120～1160℃，既可以保证铸锭中合金元素的充分固溶和均匀分布，又可以避免因温度过高而导致的晶粒过度粗大和材料强度大幅度下降。控制终锻温度在930～970℃，可以避开Cr23C6、Cr2N等脆性相的析出敏感区间，避免脆性相析出导致的锻造变形开裂及材料强塑性、耐蚀性恶化。
进一步优选地，在步骤4)中，锻造坯为截面为60×60mm的方坯。
优选地，在步骤5)中，开始热轧的温度为1120～1150℃，终轧温度为900～950℃，热轧总压下率为93％。控制开始热轧温度在1120～1150℃，可以保证合金元素的充分固溶和均匀化，避免元素偏析导致热轧开裂及性能下降，同时可以防止温度过高而导致的晶粒过分粗大。控制终轧温度在900～950℃，可以避开材料的脆性相析出敏感区间及热塑性较差的区域，从而避免热轧板发生严重开裂及脆性相析出导致的综合性能大幅度恶化。控制轧制温度区间为900～1150℃，还可以使得所开发双相不锈钢中铁素体的体积分数维持在40～70％的范围，既有利于材料的热轧制备，又便于后续通过热处理工艺进行相比例和显微组织调控，改善材料的强塑性和耐蚀性能。
进一步优选地，在步骤5)中，热轧板材的厚度为4mm。
优选地，在步骤6)中，固溶处理的温度为980～1030℃，退火时间为25～35min。控制固溶处理温度在980～1030℃，可以保证所开发双相不锈钢中铁素体体积分数为40～55％，使得铁素体和奥氏体两相比例接近1:1，获得更高的综合性能。在该温度范围热处理，可以利用Nb与C、N元素的优先结合抑制Cr23C6、Cr2N等脆性相的析出，避免脆性相对性能的不利影响，同时，在温度范围内奥氏体处于亚稳状态，在变形过程中可以发生应变诱导马氏体转变，使材料获得更高的强度和塑性。
进一步优选，在入炉熔炼前，配料中的原料需要除油、除气以及干燥处理。
与现有技术相比，本发明的优点在于：1、本发明双相不锈钢在合金成分设计中，将Ni元素含量降低到1.5％以下，有效降低原材料成本；控制N元素含量在0.1～0.26％，既可以保证材料获得较高的耐蚀性能和强度，又可以避免在熔炼和浇铸过程中产生的气孔缺陷，提高成材率；添加了适量的C元素，利用“C+N+Mn+Ni”调控奥氏体比例和奥氏体稳定性，提高抗拉强度和屈服强度。
2、0.05％≤Nb≤0.25％，抑制Cr在热加工、热处理等过程中的析出，防止邻近区域中出现铬的贫化，改善材料的力学及耐蚀性能。同时，Nb与C、N形成的细小析出物可以阻碍晶粒的进一步长大，细化显微结构，进一步提高抗拉强度和屈服强度。碳/氮化铌相比Cr2N、Cr23C6等铬的碳/氮化物具有更小的粗化速率，获得更好的组织稳定性。
3、通过“C+N+Mn+Ni”的合金成分设计来调控双相不锈钢中奥氏体比例和奥氏体稳定性，获得亚稳奥氏体，使其在变形过程中发生“γ→ε-马氏体→α’-马氏体”转变的TRIP效应，从而使得双相不锈钢的抗拉强度为800～1100MPa，屈服强度为600～800MPa，断后延伸率为45～65％。经过合理的热处理工艺，使得Nb与C、N形成的细小析出相可以弥散分布在基体中，并阻碍晶粒长大，起到细化组织的作用。综合利用“相比例优化+TRIP效应+析出强化+细晶强化”的多重强化机制来综合调控Nb微合金化双相不锈钢的性能，获得良好的强度和塑性，保证材料服役安全性；制备方法简单且具有良好的工程应用价值。
附图说明
图1中(a)为本实施例1的显微组织图；
图1中(b)为本实施例1中析出相的能谱图；
图2为对比例1的显微组织图；
图3为实施例1与对比例1拉伸性能的对比图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图1至图3所示，为本发明的第1个优选实施例。
该实施例的Nb微合金化双相不锈钢，按照质量百分比计，由以下组分组成：C：0.10％，Si：0.50％，Mn：4.5％，Ni：0.9％，Cr：21.2％，Mo：0.3％，N：0.18％，Nb：0.15％，余量为Fe和不可避免杂质。
上述Nb微合金化双相不锈钢的制备方法依次包括有以下步骤：
1)按照本实施例的Nb微合金化双相不锈钢的质量百分比，选配电解铬、电解锰、纯铁、钼、镍、铌、硅、增碳剂和Fe(CrN)合金；
2)熔炼：先熔炼电解铬、纯铁、钼、镍、铌、硅和增碳剂，熔化后再加入电解锰和Fe(CrN)合金，并在氮气保护气氛下进行熔炼，得到钢水；所有熔炼所需原材料，在入炉熔炼前均需要除油、除气以及干燥处理；
3)浇注：将钢水浇铸到铸模中，控制浇铸温度为1490℃；
4)将切除冒口部分后的铸锭进行锻造，始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，得到截面为60×60mm的方坯；
5)将锻造方坯进行热轧，开轧温度(开始轧制的温度)为1150℃，终轧温度为930℃，热轧总压下率为93％，轧制后空冷，获得4mm厚的热轧板材；
6)将上述热轧板材在1000℃固溶退火30min，淬火。
由图1可知，上述实施例所得到的Nb微合金化双相不锈钢中观察到细小弥散的Nb(C,N)析出相。由图3可知，该实施例的双相不锈钢在室温时的抗拉强度为1000MPa，屈服强度为750MPa，断后延伸率为60％。
对比例1的双相不锈钢，按照质量百分比计，由以下组分组成：C：0.10％、Si：0.50％、Mn：4.5％、Ni：0.9％、Cr：21.2％、Mo：0.3％、N：0.18％，余量为Fe和不可避免杂质。经过与上述实施例1相同的熔炼、浇铸、锻造、轧制及热处理工艺后。由图2可知，对比例1中所涉及双相不锈钢中观察到沿晶界分布的大尺寸Cr23C6析出相，由图3可知，室温时的抗拉强度为880MPa，屈服强度为550MPa，断后延伸率为50％。
采用本实施例1的Nb微合金化双相不锈钢获得了更高的抗拉强度、屈服强度和塑性。
实施例2：
该实施例的Nb微合金化双相不锈钢，按照质量百分比计，由以下组分组成：C：0.08％，Si：0.10％，Mn：5.1％，Ni：1.3％，Cr：20.5％，Mo：0.20％，N：0.20％，Nb：0.20％，余量为Fe和不可避免杂质。
上述Nb微合金化双相不锈钢的制备方法依次包括有以下步骤：
1)按照本实施例的Nb微合金化双相不锈钢的质量百分比，选配电解铬、电解锰、纯铁、钼、镍、铌、硅、增碳剂和Fe(CrN)合金；
2)熔炼：先熔炼电解铬、纯铁、钼、镍、铌、硅和增碳剂，熔化后再加入电解锰和Fe(CrN)合金，并在氮气保护气氛下进行熔炼，得到钢水；所有熔炼所需原材料，在入炉熔炼前均需要除油、除气以及干燥处理；
3)将钢水浇铸到铸模中，控制浇铸温度为1510℃；
4)将铸锭切除冒口部分后进行锻造，始锻温度为1160℃，终锻温度为970℃，得到截面为60×60mm的方坯；
5)将锻造方坯进行热轧，开轧温度为1120℃，终轧温度为900℃，热轧总压下率为93％，轧制后空冷，获得4mm厚的热轧板材；
6)将上述热轧板材在1030℃固溶退火30min，淬火。
该实施例所制备的Nb微合金化双相不锈钢，室温时的抗拉强度为930MPa，屈服强度为700MPa，断后延伸率为56％。
实施例3：
该实施例的Nb微合金化双相不锈钢，按照质量百分比计，由以下组分组成：C：0.15％，Si：0.25％，Mn：4.5％，Ni：0.8％，Cr：22.8％，Mo：0.45％，N：0.18％，Nb：0.25％，余量为Fe和不可避免杂质。
上述Nb微合金化双相不锈钢的制备方法依次包括有以下步骤：
1)按照本实施例的Nb微合金化双相不锈钢的质量百分比，选配电解铬、电解锰、纯铁、钼、镍、铌、硅、增碳剂和Fe(CrN)合金；
2)熔炼：先熔炼电解铬、纯铁、钼、镍、铌、硅和增碳剂，熔化后再加入电解锰和Fe(CrN)合金，并在氮气保护气氛下进行熔炼，得到钢水；所有熔炼所需原材料，在入炉熔炼前均需要除油、除气以及干燥处理；
3)将钢水浇铸到铸模中，控制浇铸温度为1490℃；
4)将铸锭切除冒口部分后进行锻造，始锻温度为1150℃，终锻温度为930℃，得到截面为60×60mm的方坯；
5)将锻造方坯进行热轧，开轧温度为1150℃，终轧温度为950℃，热轧总压下率为93％，轧制后空冷，获得4mm厚的热轧板材；
6)将上述热轧板材在1020℃固溶退火30min，淬火。
该实施例所制备的Nb微合金化双相不锈钢，室温时的抗拉强度为1080MPa，屈服强度为790MPa，断后延伸率为50％。
实施例4：
该实施例的Nb微合金化双相不锈钢，按照质量百分比计，由以下组分组成：C：0.06％，Si：0.50％，Mn：5.6％，Ni：1.2％，Cr：22.5％，Mo：0.25％，N：0.21％，Nb：0.05％，余量为Fe和不可避免杂质。
上述Nb微合金化双相不锈钢的制备方法依次包括有以下步骤：
1)按照本实施例的Nb微合金化双相不锈钢的质量百分比，选配电解铬、电解锰、纯铁、钼、镍、铌、硅、增碳剂和Fe(CrN)合金；
2)熔炼：先熔炼电解铬、纯铁、钼、镍、铌、硅和增碳剂，熔化后再加入电解锰和Fe(CrN)合金，并在氮气保护气氛下进行熔炼，得到钢水；所有熔炼所需原材料，在入炉熔炼前均需要除油、除气以及干燥处理；
3)将钢水浇铸到铸模中，控制浇铸温度为1500℃；
4)将铸锭切除冒口部分后进行锻造，始锻温度为1140℃，终锻温度为940℃，得到截面为60×60mm的方坯；
5)将锻造方坯进行热轧，开轧温度为1150℃，终轧温度为930℃，热轧总压下率为93％，轧制后空冷，获得4mm厚的热轧板材；
6)将上述热轧板材在1000℃固溶退火30min，淬火。
该实施例所制备的Nb微合金化双相不锈钢，室温时的抗拉强度为830MPa，屈服强度为620MPa，断后延伸率为47％。
实施例5：
该实施例的Nb微合金化双相不锈钢，按照质量百分比计，由以下组分组成：C：0.11％，Si：0.30％，Mn：3.80％，Ni：0.9％，Cr：19.5％，Mo：0.45％，N：0.24％，Nb：0.15％，余量为Fe和不可避免杂质。
上述Nb微合金化双相不锈钢的制备方法依次包括有以下步骤：
1)按照本实施例的Nb微合金化双相不锈钢的质量百分比，选配电解铬、电解锰、纯铁、钼、镍、铌、硅、增碳剂和Fe(CrN)合金；
2)熔炼：先熔炼电解铬、纯铁、钼、镍、铌、硅和增碳剂，熔化后再加入电解锰和Fe(CrN)合金，并在氮气保护气氛下进行熔炼，得到钢水；所有熔炼所需原材料，在入炉熔炼前均需要除油、除气以及干燥处理；
3)将钢水浇铸到铸模中，控制浇铸温度为1470℃；
4)将铸锭切除冒口部分后进行锻造，始锻温度为1130℃，终锻温度为930℃，得到截面为60×60mm的方坯；
5)将锻造方坯进行热轧，开轧温度为1150℃，终轧温度为950℃，热轧总压下率为93％，轧制后空冷，获得4mm厚的热轧板材；
6)将上述热轧板材在980℃固溶退火30min，淬火。
该实施例所制备的Nb微合金化双相不锈钢，室温时的抗拉强度为950MPa，屈服强度为700MPa，断后延伸率为45％。
实施例6：
本实施例与上述实施例1的区别在于：1、Nb微合金化双相不锈钢的组分含量不同，具体地，该实施例的Nb微合金化双相不锈钢，按照质量百分比计，由以下组分组成：C：0.14％，Si：0.60％，Mn：3.50％，Ni：1.4％，Cr：19.0％，Mo：0.50％，N：0.10％，Nb：0.24％，余量为Fe和不可避免杂质。
2、制备方法中的工艺参数不同，具体地，步骤3)中浇铸温度为1460℃；步骤4)中的始锻温度为1120℃；步骤5)中的开轧温度为1140℃；步骤6)中的退火时间为25min。
该实施例所制备的Nb微合金化双相不锈钢，室温时的抗拉强度为800MPa，屈服强度为600MPa，断后延伸率为55％。
实施例7：
本实施例与上述实施例1的区别在于：1、Nb微合金化双相不锈钢的组分含量不同，具体地，该实施例的Nb微合金化双相不锈钢，按照质量百分比计，由以下组分组成：C：0.07％，Si：0.50％，Mn：6.0％，Ni：1.5％，Cr：23.0％，Mo：0.50％，N：0.26％，Nb：0.24％，余量为Fe和不可避免杂质。
2、制备方法中的工艺参数不同，步骤6)中的退火时间为35min。
该实施例所制备的Nb微合金化双相不锈钢，室温时的抗拉强度为1100MPa，屈服强度为800MPa，断后延伸率为65％。

Claims (7)

1.一种Nb微合金化双相不锈钢的制备方法，其特征在于：Nb微合金化双相不锈钢，按照质量百分比计，该双相不锈钢由以下组分组成：0.06≤C≤0.15％、0.10％≤Si≤0.60％、3.50％≤Mn≤6.0％、0.8％≤Ni≤1.5％、19.0％≤Cr≤23.0％、0.20％≤Mo≤0.50％、0.10％≤N≤0.26％、0.05％≤Nb≤0.25％，余量为Fe和不可避免杂质，该制备方法依次包括有以下步骤：
1)配料：按照上述质量百分比选取电解铬、电解锰、纯铁、钼、镍、铌、硅、增碳剂和Fe(CrN)合金；
2)熔炼：先将电解铬、纯铁、钼、镍、铌、硅和增碳剂放置于熔炼炉中进行熔炼，待熔化后加入电解锰和Fe(CrN)合金进行熔炼，得到钢水；
3)浇铸：将钢水浇铸到铸模中，控制浇铸温度为1460～1510℃；
4)锻造：切除铸锭的冒口部分后进行锻造，得到锻造坯，始锻温度为1120～1160℃，终锻温度为930～970℃；
5)热轧：将锻造坯进行热轧处理，热轧后空冷，得到热轧板材；
6)热处理：将热轧板材进行固溶退火后再进行淬火。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：Nb微合金化双相不锈钢，室温时的抗拉强度为800～1100MPa，屈服强度为600～800MPa，断后延伸率为45～65％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤4)中，锻造坯为截面为60×60mm的方坯。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤5)中，开始热轧的温度为1120～1150℃，终轧温度为900～950℃，热轧总压下率为93％。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在步骤5)中，热轧板材的厚度为4mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤6)中，固溶处理的温度为980～1030℃，退火时间为25～35min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在入炉熔炼前，配料中的原料需要除油、除气以及干燥处理。
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