CN114395739A

CN114395739A - 一种铌钛复合强化的双相不锈钢及其制备方法

Info

Publication number: CN114395739A
Application number: CN202210075196.5A
Authority: CN
Inventors: 向红亮; 张懿民; 郑开魁
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2022-01-22
Filing date: 2022-01-22
Publication date: 2022-04-26

Abstract

本发明公开了一种铌钛复合强化的双相不锈钢及其制备方法，其组成按质量百分比计为：C≤0.03%；Si≤1.0%；Mn≤2.0%；S≤0.02%；P≤0.03%；Cr：21%~23%；Ni：4.5%~6.5%；Mo：2.5%~3.5%；Nb：0.01%~0.05%；Ti:0.001%~0.01%；N：0.08%~0.20%，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明的双相不锈钢是在2205双相不锈钢中加入微量Nb和Ti元素，利用Nb的细晶强化和Ti的析出强化，使其获得优异的力学性能和耐蚀性能。本发明可有效降低高性能双相不锈钢的成本，扩展其应用范围，且制备方法简单，具有重要的工程应用价值和显著的经济效益。

Description

一种铌钛复合强化的双相不锈钢及其制备方法

技术领域

本发明属于不锈钢金属材料领域，具体涉及到铌钛复合强化的双相不锈钢及其制备方法。

背景技术

随着我国经济及不锈钢产业的发展，以及各个领域对不锈钢材料需求的增加，我国已经成为世界上名副其实的不锈钢生产大国和消费大国。近年来我国不锈钢的消费总量仍在逐年增长，由于人们对生命财产安全的重视，各个领域对钢材质量的要求也越来越高。双相不锈钢(Duplex Stainless Steel，简称DSS)因比单相钢具有更优异的综合力学性能与抗腐蚀性能而受到人们的青睐。双相不锈钢是指其固溶组织中含有铁素体(α)和奥氏体(γ)两相，较少相的含量不低于30%，且同时具有铁素体和奥氏体各自特性的一类不锈钢。由于双相不锈钢兼具铁素体钢(FSS)良好的力学性能和奥氏体钢(ASS)优良的韧性及焊接性，对比同级别的奥氏体不锈钢，其成本更低、综合性能更好，故其应用领域十分广泛，如海洋平台、储油罐、大型船舶、大跨钢桥、近海风力发电基座等。在众多双相不锈钢的牌号中，2205是工程中应用最多的双相不锈钢之一。进一步提升2205双相不锈钢的强度，这在保证生命财产安全、实现节能减排、减量化制造及拓宽双相不锈钢的应用领域方面具有很大的优势。

微合金化是指在原有主合金的基础上再添加微量的Nb、V、Ti等碳（氮）化合物形成元素进行合金化。微合金钢作为优秀的结构用钢被广泛应用于运输、桥梁、铁路、建筑、管道等行业，甚至涉及到水面舰艇、航空航天、数码产品、国防等众多领域。金属材料性能的提升，可以满足日益高涨的轻量化、强韧化以及节能减排的需求。实现不锈钢的微合金化，以获得高强度及良好的冲击韧性，以及良好的整体和抗应力腐蚀能力，对各行各业具有重要意义。现有的微合金化技术对双相不锈钢的应用如下：“一种980MPa级含钒超细晶粒冷轧双相钢及其制备方法 ”（CN105803321B）专利技术，通过往基体中添加微量V来细化铁素体和马氏体晶粒，同时VC弥散析出起到沉淀强化的效果，并明显降低生产成本，可有效提高基体力学性能、成形性能和焊接性能。“一种微合金元素Nb强化的双相不锈钢及其制备方法”（CN110983164A）专利技术，通过往2205双相不锈钢中添加微量的Nb，微量的Nb固溶在基体中，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。但当Nb加入量过多时容易形成MoNb相，对材料的抗拉强度和塑性有害，因此， Nb微合金化2205双相不锈钢给材料带来的性能提升比较有限，且过量的Nb(大于0.03%)的加入对2205双相不锈钢不利于耐腐蚀性能的提高。“一种双相不锈钢及其制备方法”（CN107083524A）专利技术，往双相不锈钢中添加Ti元素，有利于提高双相不锈钢中铁素体相的比例并减少富Cr相的析出，从而提高双相不锈钢的耐点蚀性能，且小尺寸的TiC沉淀对基体有很好的沉淀强化作用，但Ti含量过高可能会导致纲中产生较大尺寸的沉淀物(TiN)颗粒，降低钢材的塑性和韧性。在充分发挥纳米碳化物的沉淀强化效果的同时，复合添加Nb可实现超细晶粒钢的生产，使之具有良好的强韧性配合。通过成分控制和改善加工工艺，可以充分发挥加入微合金化元素起到的强化作用来改善钢的组织和性能。故本发明复合添加Nb、Ti元素，旨在同时提高2205双相不锈钢的力学性能、耐腐蚀性能及焊接性能。

鉴于Nb微合金化的细晶强化作用及Ti微合金化的析出强化及改善耐蚀性能作用，本发明通过往2205双相不锈钢中添加Nb、Ti元素，综合Nb的细晶强化和Ti的析出强化效果，显著提高了其力学性能及耐蚀性能，对于提高钢产品质量，降低炼钢生产成本，进一步理解铌和钛的添加对2205双相不锈钢的应用及其对钢性能的影响，提高我国微合金化钢的研究水平具有重要的理论与实际意义。

发明内容

本发明提供了一种铌钛复合微合金化强化双相不锈钢的制备方法，通过原材料配比计算及加入一定含量的Fe-Nb合金和Fe-Ti合金，经中频炉熔炼浇注后制得与期望相当的含Nb量和含Ti量的双相不锈钢（0.03%Nb、0.0035%Ti），适量的Nb(0.01~0.05%)可以使2205材料组织细化，起细晶强化效果，其中0.03%强化效果最好，但当Nb含量超过0.03%时，会生成MoNb析出相，对耐蚀性能不利。往双相不锈钢中添加Ti元素，有利于提高双相不锈钢中铁素体相的比例并减少富Cr相的析出，从而提高双相不锈钢的耐点蚀性能。小尺寸的TiC沉淀对基体有很好的沉淀强化作用，但Ti含量过高可能会导致纲中产生较大尺寸的沉淀物颗粒，降低钢材的塑性和韧性。故Ti含量不能超过0.01%，Nb和Ti对2205双相不锈钢的强化有协同作用，当铌钛复合添加时，由于Ti的析出温度较高，在铸坯凝固和均热过程中常以微细的富钛夹杂（一般为TiN）产生，TiN的析出温度很高，几乎不溶于奥氏体，在固溶处理的过程中未溶TiN可以有效抑制奥氏体晶粒长大和粗化。冷却过程中，部分Nb将以C、N化物的形式析出。由于Nb（C，N）和Ti（C，N）点阵结构相同，晶格常数相近，大部分Nb（C，N）将以先期形成的富Ti质点为核心析出。复合加入Nb、Ti可与C、N等元素结合形成尺寸较小的（Nb，Ti）（C，N）复合析出物，对基体起沉淀强化作用，再配合Nb、Ti元素对基体的细晶强化作用及固溶强化作用能较为显著的提高基材的力学性能。且Ti可以有效抑制Cr3C2、Cr2N、σ相等有害相的析出，明显提高不锈钢的点蚀点位，降低不锈钢的腐蚀电流密度。但往2205中添加Nb和Ti元素会减少基体固溶的N和C的含量，固溶的N对基体的强度有益，故Nb和Ti的添加量不能过多，需设置在一个合理的范围。对比单加Nb或Ti，复合添加Nb，Ti元素可以大大提高了母材的力学性能与耐蚀性能，改善了双相不锈钢的品质，有利于减量化制造、节约成本，可进一步促进铌钛复合微合金化双相不锈钢的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铌钛复合强化的双相不锈钢的组成及其质量百分比为：C≤0.03%；Si≤1.0%；Mn≤2.0%；S≤0.02%；P≤0.03%；Cr：21%~23%；Ni：4.5%~6.5%；Mo：2.5%~3.5%；Nb：0.01%~0.05%；N：0.08%~0.20%，Ti:0.001%~0.01%剩余部分为Fe和不可避免的杂质。

一种如上所述的铌钛复合强化的双相不锈钢的制备方法包括以下步骤：

（1）在中频感应炉中熔炼：所有熔炼所需原材料，在入炉熔炼前均需要除油、除气、除锈以及干燥处理；

上述熔炼所用材料及其质量分数分别为：

含钼量不低于60%的钼铁4.5-4.7%、含铬量不低于99%的金属铬17.8-18.1%、含铌量不低于65%的铌铁0.014-0.081%、含镍量不低于99%的金属镍3.0-3.2%、含锰量不低于99%的金属锰0.5-0.7%，含钛量不低于71%的钛铁0.002-0.12 %，其余炉料为工业纯铁，以上所述材料的质量百分数之和为100%；

（2）往中频感应炉的坩埚中依次加入钼铁、工业纯铁、金属铬、金属锰、金属镍、铌铁和钛铁，当不锈钢的温度达到1600-1610℃时，对不锈钢溶液进行脱氧处理，加入脱氧剂硅钙锰的量为熔炼总质量的0.2%；脱氧完毕后对不锈钢溶液进行除渣处理，浇注前对不锈钢溶液测温，浇注温度不得高于1620℃；浇注所用的熔模模壳在浇注前要进行适当的除气除水处理；

（3）浇注所制备的双相不锈钢经空冷冷却至室温后，在1100℃保温2h后水淬。

本发明的有益效果在于：本发明的Nb、Ti复合强化的双相不锈钢是在2205双相不锈钢中加入微量Nb元素（0.01% ~ 0.05%Nb）和Ti元素（0.001%~0.01%）。复合添加微合金元素Nb、Ti，由于Ti的析出温度较高，在铸坯凝固和均热过程中常以微细的富钛夹杂（一般为TiN）产生，TiN的析出温度很高，几乎不溶于奥氏体，在固溶处理的过程中未溶TiN可以有效抑制奥氏体晶粒长大和粗化，冷却过程中，部分Nb将以C、N化物的形式析出，由于Nb(C、N)和Ti（C、N）点阵结构相同，晶格常数相近，大部分Nb(C、N)将以先期形成的富Ti质点为核心析出，故复合加入Nb、Ti可与C、N等元素结合形成尺寸较小的(Nb、Ti)(C、N)复合析出物，对基体起沉淀强化作用，再配合Nb、Ti元素对基体的细晶强化作用及固溶强化作用，能较为显著的提高基材的力学性能。且Ti可以有效抑制Cr3C2、Cr2N、σ相等有害相的析出，明显提高不锈钢的点蚀点位，降低不锈钢的腐蚀电流密度。焊接是双相不锈钢推广应用不可或缺的加工制造环节，通过复合添加微合金元素 Ti 和 Nb，形成第二相 Ti( C，N) 和 Nb( C，N) ，即使在焊接热循环的作用下，未熔解的 Ti( C，N) 和 Nb( C，N) 仍然起到细化铁素体晶粒和第二相强化的作用。综上，往2205双相不锈钢中复合添加Nb、Ti元素，可使2205双相不锈钢具有更优异的力学性能和耐蚀性能，可有效降低双相不锈钢的成本，扩展其应用范围，且制备方法简单，具有重要的工程应用价值和显著的经济效益。

附图说明

图1为母材2205双相不锈钢的金相图；

图2为含0.03%Nb的2205双相不锈钢的金相图；

图3为含0.03%Nb/0.0035%Ti的2205双相不锈钢的金相图；

图4为实施例1、对比例1-2的抗拉强度、延伸率对比图；

图5为实施例1、对比例1-2的腐蚀电流密度对比图。

具体实施方式

以下用实施例对本发明做更详细的说明。该实施例仅仅是对本发明较佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

实施例1：用中频感应炉熔炼双相不锈钢钢液，将双相不锈钢钢液浇注到熔模模壳中空冷至室温后，进行清砂处理，切除铸件浇帽口，切割成实验所需试样，再1050℃固溶2h后水淬。本发明铌钛复合强化的双相不锈钢化学成分如表一所示。（实例1为通过添加Nb铁和Ti铁制备的铌钛复合微合金化双相不锈钢，对比例1为仅添加Nb铁的铌微合金化双相不锈钢，对比例2为双相不锈钢母材。）

表1 不同材料的化学成分

注：剩余成分为Fe

性能测试：将材料采用国家标准GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》加工成标准拉伸试样，采用万能拉伸试验机，对标准拉伸试样进行抗拉强度测试；采用德国普林斯顿电化学工作站，测试不同材料在模拟人工海水腐蚀环境中的Tafel曲线，获得不同材料的腐蚀电流密度。抗拉强度，延伸率及腐蚀电流密度如表2所示：

表2 抗拉强度，延伸率及腐蚀电流密度对比表

从以上对比表可以看出，当单独添加的Nb和Ti含量在本发明规定之内时，对基体综合性能有所提升。但添加量超过本发明规定范围，延伸率及耐蚀性能有所下降。复合添加Nb和Ti元素的双相不锈钢合金材料的综合力学性能显著优于单Nb或单Ti微合金化的2205双相不锈钢和2205双相不锈钢母材，且耐蚀性能也较母材有较大提高。

从图1到图3可以看出，复合添加Nb、Ti元素的2205双相不锈钢的晶粒尺寸明显比基材和只添加Nb元素2205双相不锈钢的晶粒尺寸细小，组织更均匀，细晶强化作用更强，正如图4所示铌钛复合强化对2205双相不锈钢的力学性能提升更大。从图5可以看出本发明的击穿电位较母材更高，腐蚀电流密度较母材更小，故耐蚀性能比母材更好。

上述实施例只是本发明的具体的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种铌钛复合强化的双相不锈钢，其特征在于：所述双相不锈钢的组成及其质量百分比为：C≤0.03%；Si≤1.0%；Mn≤2.0%；S≤0.02%；P≤0.03%；Cr：21%~23%；Ni：4.5%~6.5%；Mo：2.5%~3.5%；Nb：0.01%~0.05%；N：0.08%~0.20%；Ti:0.001%~0.01%，剩余部分为Fe和不可避免的杂质。

2.一种制备如权利要求1所述的铌钛复合强化的双相不锈钢的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）在中频感应炉中熔炼：所有熔炼所需原材料，在入炉熔炼前均进行除油、除气、除锈以及干燥处理；

（2）往中频感应炉的坩埚中依次加入钼铁、工业纯铁、金属铬、金属锰、金属镍以及铌铁和钛铁，当不锈钢溶液的温度达到1600-1610℃时，对不锈钢溶液其进行脱氧处理；脱氧完毕后对不锈钢溶液进行除渣处理，浇注前对不锈钢溶液测温，浇注所用的熔模模壳在浇注前要进行预热处理约700℃进行保温，以防止浇注时的开裂现象；

（3）浇注所制备的铌钛复合强化的双相不锈钢经空冷冷却至室温后，在保温后水淬。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）熔炼所用材料及其质量分数分别为：

含钼量不低于60%的钼铁4.4-4.6%、含铬量不低于99%的金属铬16.7-17.0%、含铌量不低于65%的铌铁0.014-0.081%、含镍量不低于99%的金属镍2.9-3.1%、含锰量不低于99%的金属锰0.4-0.6%，含钛量不低于71%的钛铁0.002-0.12%其余炉料为工业纯铁，以上所述材料的质量百分数之和为100%。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述脱氧处理中脱氧剂硅钙锰的加入量为熔炼总质量的0.2%。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述浇注的温度不高于1620℃。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述保温具体为1050℃保温2h。