CN114635076A - 一种高强度铁素体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

一种高强度铁素体不锈钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高强度铁素体不锈钢及其制备方法，包括按质量百分比计的以下成分：C≤0.03％、Si:0.60～1.20％、Mn≤0.30％、Cr：13.00～20.00％、Ni≤0.50％、S：0.12～0.30％、V：0.3～0.7％、Nb：0.02～0.10％，余量为Fe。该方法中，原料根据高强度铁素体不锈钢的成分进行配比，依次经真空感应冶炼、热加工锻造、热加工轧制和去应力退火制得高强度铁素体不锈钢，不仅使得该高强度铁素体不锈钢在具备良好的磁性能的同时还具有优异的力学性能，而且能够实现稳定化生产，满足当前国内外航空、航天等领域对于铁素体不锈钢的现实需求。

Description

一种高强度铁素体不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及不锈钢制造工艺领域，尤其涉及一种高强度铁素体不锈钢及其制备方法。
背景技术
铁素体不锈钢属于一种重要的软磁性材料，由于其具备优异的磁性能(Hc≤100A/m)和良好的耐腐蚀性能，因此广泛应用于耐蚀性较好且强度要求不高的铁磁性部件，比如电磁阀、感应器等；其中用于制备铁磁性部件的铁素体不锈钢主要是以1J116钢、1J117钢为主的Fe-Cr-Me系铁素体不锈钢；但是随着铁素体不锈钢产品的形状愈发复杂，产品的应力集中区域增多，要求铁素体不锈钢在该服役条件下不出现变形，不发生开裂，因此，提升铁素体不锈钢的力学性能具有重要意义。
而就国内各大特钢厂而言，冶炼条件存在限制，在现有技术和成本管控的基础上难以大幅提升材料的纯净度，若进一步添加合金元素将会影响到钢液成分的均匀性，提高组织的偏析程度和材料的矫顽力，恶化材料的力学性能，提高电磁产品的启动难度；相关研究表明，Nb是微合金元素，添加量较低时，对钢液成分均匀性和材料磁矫顽力的影响有限，此外由于Nb是一种强碳化物形成元素，易与晶界处的碳原子结合形成的碳化物，不仅可以净化晶界，还能阻止奥氏体晶粒生长，降低其晶粒尺寸，从而提高材料的力学性能；但是过高的Nb元素含量将会影响液析碳化物的数量和尺寸，进而导致材料的变形和开裂倾向增加。
鉴于上述情况，亟待探索铁素体不锈钢合金成分中Nb元素的添加量，寻求一种合理的制备方法，既能确保铁素体不锈钢的稳定化生产，同时在不影响铁素体不锈钢的磁性能的前提下，进一步提高其力学性能。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明目的是提供一种高强度铁素体不锈钢及其制备方法，通过设计合金成分，加入适量的Nb元素，并采用真空感应冶炼、热加工锻造、热加工轧制、去应力退火制备而成，不仅使得该高强度铁素体不锈钢在具备良好的磁性能的同时具备优异的力学性能，而且能够实现稳定化生产，满足当前国内外航空、航天等领域对于铁素体不锈钢的现实需求。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本发明的第一方面提供一种高强度铁素体不锈钢，包括按质量百分比计的以下成分：C≤0.03％、Si:0.60～1.20％、Mn≤0.30％、Cr：13.00～20.00％、Ni≤0.50％、S：0.12～0.30％、V：0.3～0.7％、Nb：0.02～0.10％，余量为Fe。
优选地，所述高强度铁素体不锈钢包括按质量百分比计的以下成分：C≤0.03％、Si：0.60～1.20％、Mn≤0.30％、Cr：16.00～18.00％、Ni:0.20～0.50％、S:0.12～0.30％、V:0.3～0.7％、Nb:0.02～0.10％，余量为Fe。
优选地，所述高强度铁素体不锈钢的硬度为70～75HRB，屈服强度为230～250MPa，抗拉强度为325～350MPa。
本发明的第二方面提供一种高强度铁素体不锈钢的制备方法，原料根据本发明第一方面所述的高强度铁素体不锈钢的成分进行配比，然后依次经真空感应冶炼、热加工锻造、热加工轧制和去应力退火制得高强度铁素体不锈钢。
优选地，所述真空感应冶炼过程中，进行2～4次搅拌，控制搅拌功率在0～250KW之间周期变化。
优选地，所述热加工锻造过程中，将所述真空感应冶炼得到的钢坯加热至1060～1140℃保温60～90min，然后进行锻造，控制锻造比≥2。
优选地，所述热加工轧制过程中，将所述热加工锻造得到的锻件加热至1060～1140℃保温60～90min，然后进行轧制，控制轧制总变形量≥30％。
优选地，所述热加工轧制过程中，所述轧制采用1～2火次轧制。
优选地，所述去应力退火过程中，将所述热加工轧制过程中得到的轧件加热至715～770℃保温2～4h，然后进行退火处理。
优选地，其特征在于，所述高强度铁素体不锈钢的硬度为70～75HRB，屈服强度为230～250MPa，抗拉强度为325～350MPa。
本发明的高强度铁素体不锈钢的成分设计的原则如下：
C：为了获得较高性能的软磁合金,通常对组成合金原料的纯净度有一定的要求，过高的要求将会提高生产成本而不适于产业化生产；Fe中的碳含量应小于0.03％，对于优质的软磁合金，要求合金原材料的杂质少以外，多采用真空熔炼以及对成品进行氢气退火等，都是为了进一步净化合金,去除杂质；为了实现合金良好的软磁特性的目的，对C的含量必须进行控制，碳的含量必须尽量的低；由于碳是合金中最主要杂质之一，对磁性有极坏的影响在高温时固溶的碳成为过饱和的间隙原子，形成晶格畸变,产生附加的内应力，同时以Fe3C的微粒析出，磁畴起钉扎作用，阻碍磁化过程；特别是当碳化物颗粒大小接近畴壁厚度时(10-7m),钉扎作用愈显著，因此应控制碳含量≤0.03％。
Si：硅不仅可以改善磁性，提高电阻率，而且还可以改善磁性在温度和应力作用下的稳定性，改善合金的均一性，提高硬度和耐磨性；因此其含量控制在0.6～1.20％范围最佳。
Mn：合金中Mn元素易与S元素形成MnS夹杂物，控制合金的再结晶结构，但这些非磁性夹杂也将钉扎畴壁，提高材料的磁矫顽力，降低磁导率，不利于电磁器件的启动；因此钢中Mn元素含量应≤0.30％。
Cr：合金中Cr元素与Fe形成单相连续固溶体(相)是提高合金耐蚀性的主要元素，增加电阻率,提高化学稳定性,促进材料表面发生钝化。但Cr元素促进形成高温铁素体,过高易出现高温铁素体相,对磁性能不利,过低耐蚀性较差；因此其含量控制在16.0～18.0％范围最佳。
Ni：Ni元素可以提高材料的塑韧性，优化材料的强韧性配比，但是对于软磁性材料而言，合金中的固溶原子将提高畴壁的钉扎阻力，降低材料的磁导率；因此其含量控制在0.20～0.50％范围最佳。
S：硫在合金中的溶解度极低,故以FeS形成存在于晶界上，合金中有少量Mn时，能够和硫形成MnS。对热加工性能的提高有利，硫不仅可使软磁特性恶化，且在900～1000℃间还会引起合金的热脆性；但车加工性能得到改善；因此其含量控制在0.12～0.30％范围最佳。
V：在合金中加入少量的V，以改善热稳定性，提高磁电性能、耐腐蚀性能以及机械性能等；V与C的亲和力比与Cr大，所以易生成VC而少生成Cr23C6相,提高了合金的抗晶间腐蚀能力；VC析出物容易变成粗大颗粒，碳化物的形态和大小对磁性的影响是不一样的，从铁磁学基本原理可知：片状的﹑细小分散的夹杂物对磁性损害作用大，而颗粒较大的球状夹杂物对磁性损害作用较小；因此其含量控制在0.30～0.60％范围最佳。
Nb：铌能够提高合金的强度，改善合金的机械和焊接性能，并且提高合金的抗热性和抗腐蚀性，降低合金的脆性；但由于Nb是微合金元素，添加量较低时，对钢液成分均匀性和材料磁矫顽力的影响有限，此外由于Nb是一种强碳化物形成元素，易与晶界处的碳原子结合形成碳化物，不仅可以净化晶界，还能阻止奥氏体晶粒生长，降低其晶粒尺寸，从而提高材料的力学性能；过高的Nb元素含量将会影响液析碳化物的数量和尺寸，进而导致材料的变形和开裂倾向增加；因此其含量控制在0.02～0.10％范围最佳。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的高强度铁素体不锈钢及其制备方法通过设计合金成分，加入适量的Nb元素，并采用真空感应冶炼、热加工锻造、热加工轧制、去应力退火制备而成，不仅使得该高强度铁素体不锈钢在具备良好的磁性能的同时具备优异的力学性能，而且能够实现稳定化生产，满足当前国内外航空、航天等领域对于铁素体不锈钢的现实需求。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例1～5制备的高强度铁素体不锈钢以及对比例的铁素体不锈钢的硬度对比示意图；
图2为本发明实施例1～5制备的高强度铁素体不锈钢以及对比例的铁素体不锈钢的强度对比示意图；
图3为本发明实施例1～5制备的高强度铁素体不锈钢与铁素体不锈钢性能要求的磁矫顽力对比示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
本发明所提供的高强度铁素体不锈钢，包括按质量百分比计的以下成分：C≤0.03％、Si:0.60～1.20％、Mn≤0.30％、Cr：13.00～20.00％、Ni≤0.50％、S：0.12～0.30％、V：0.3～0.7％、Nb：0.02～0.10％，余量为Fe。在进一步的优选方案中，该高强度铁素体不锈钢包括按质量百分比计的以下成分：C≤0.03％、Si：0.60～1.20％、Mn≤0.30％、Cr：16.00～18.00％、Ni:0.20～0.50％、S:0.12～0.30％、V:0.3～0.7％、Nb:0.02～0.10％，余量为Fe。其中Si元素主要来源于硅铁矿，S元素主要来源于硫铁矿，V元素主要来源于钒铁矿，Cr元素来源于纯金属铬，Nb元素来源于纯金属铌。该高强度铁素体不锈钢的硬度为70～75HRB，屈服强度为230～250MPa，抗拉强度为325～350MPa。
上述高强度铁素体不锈钢通过以下制备方法制得，将硅铁矿、钒铁矿、硫铁矿、纯金属等根据高强度铁素体不锈钢的成分配比得到原料，然后依次经真空感应冶炼、热加工锻造、热加工轧制和去应力退火制得高强度铁素体不锈钢；具体制备方法如下：
(1)原料配比：采用硅铁矿、钒铁矿、硫铁矿和纯金属(铬、铌等)根据上述的高强度铁素体不锈钢的如下成分配比得到原料：C≤0.03％、Si：0.60～1.20％、Mn≤0.30％、Cr：16.00～18.00％、Ni:0.20～0.50％、S:0.12～0.30％、V:0.3～0.7％、Nb:0.02～0.10％，余量为Fe。其中硅铁矿提供Si和部分Fe，钒铁矿提供V和部分Fe，硫铁矿提供S和部分Fe，纯金属铬提供Cr，纯金属铌提供Nb；
(2)真空感应冶炼：将上述配比的原料添加至真空感应炉中冶炼，在冶炼过程中需要进行2～4次搅拌，其中搅拌功率在0～250KW之间周期变化，出钢浇铸成钢坯之前需进行搅拌，目的是提高钢液的均匀性；
(3)热加工锻造：将真空感应冶炼得到的钢坯加热至1060～1140℃保温60～90min，然后进行锻造得到锻件，在此过程中控制锻造比≥2；
(4)热加工轧制：将热加工锻造得到的锻件加热至1060～1140℃保温60～90min，然后采用1～2火次轧制得到轧件，此过程中控制轧制总变形量≥30％；
(5)去应力退火：将热加工轧制得到的轧件加热至715～770℃保温2～4h后进行退火处理，最终制得高强度铁素体不锈钢。
上述过程中制备的高强度铁素体不锈钢，其硬度为70～75HRB，屈服强度为230～250MPa，抗拉强度为325～350MPa。
下面结合具体例子进一步对本发明的高强度铁素体不锈钢及其制备方法进行说明。
实施例1
本实施例中高强度铁素体不锈钢的成分及质量分数如表1所示；
本实施例中的高强度铁素体不锈钢采用一下步骤制备而成：
(1)原料配比：将硅铁矿、钒铁矿、硫铁矿、纯金属铬、纯金属铌等根据表1中实施例1的高强度铁素体不锈钢的成分进行配比得到原料；
(2)真空感应冶炼：将上述配比的原料添加至真空感应炉中冶炼，在冶炼过程中需要进行2次搅拌，其中搅拌功率在0～250KW之间周期变化，第2次搅拌在出钢浇铸成钢坯之前进行；
(3)热加工锻造：将真空感应冶炼得到的钢坯加热至1080℃保温70min，然后进行锻造得到锻件，在此过程中控制锻造比≥3.5；
(4)热加工轧制：将热加工锻造得到的锻件加热至1080℃保温70min，然后采用2火次轧制得到轧件，此过程中控制轧制总变形量≥40％；
(5)去应力退火：将热加工轧制得到的轧件加热至715℃保温2.5h后进行退火处理，最终制得高强度铁素体不锈钢。
经检测，上述制备的高强度铁素体不锈钢的性能如下：
硬度：70.3HRB；
屈服强度：230MPa；
抗拉强度：327MPa；
磁矫顽力：85A/m。
实施例2
本实施例中高强度铁素体不锈钢的成分及质量分数如表1所示；
本实施例中的高强度铁素体不锈钢采用一下步骤制备而成：
(1)原料配比：将硅铁矿、钒铁矿、硫铁矿、纯金属铬、纯金属铌等根据表1中实施例2的高强度铁素体不锈钢的成分进行配比得到原料；
(2)真空感应冶炼：将上述配比的原料添加至真空感应炉中冶炼，在冶炼过程中需要进行2次搅拌，其中搅拌功率在0～250KW之间周期变化，第2次搅拌在出钢浇铸成钢坯之前进行；
(3)热加工锻造：将真空感应冶炼得到的钢坯加热至1100℃保温75min，然后进行锻造得到锻件，在此过程中控制锻造比≥3；
(4)热加工轧制：将热加工锻造得到的锻件加热至1100℃保温75min，然后采用2火次轧制得到轧件，此过程中控制轧制总变形量≥50％；
(5)去应力退火：将热加工轧制得到的轧件加热至730℃保温3h后进行退火处理，最终制得高强度铁素体不锈钢。
经检测，上述制备的高强度铁素体不锈钢的性能如下：
硬度：70.7HRB；
屈服强度：238MPa；
抗拉强度：332MPa；
磁矫顽力：87A/m。
实施例3
本实施例中高强度铁素体不锈钢的成分及质量分数如表1所示；
本实施例中的高强度铁素体不锈钢采用一下步骤制备而成：
(1)原料配比：将硅铁矿、钒铁矿、硫铁矿、纯金属铬、纯金属铌等根据表1中实施例3的高强度铁素体不锈钢的成分进行配比得到原料；
(2)真空感应冶炼：将上述配比的原料添加至真空感应炉中冶炼，在冶炼过程中需要进行3次搅拌，其中搅拌功率在0～250KW之间周期变化，第3次搅拌在出钢浇铸成钢坯之前进行；
(3)热加工锻造：将真空感应冶炼得到的钢坯加热至1100℃保温80min，然后进行锻造得到锻件，在此过程中控制锻造比≥3；
(4)热加工轧制：将热加工锻造得到的锻件加热至1100℃保温80min，然后采用2火次轧制得到轧件，此过程中控制轧制总变形量≥45％；
(5)去应力退火：将热加工轧制得到的轧件加热至730℃保温3h后进行退火处理，最终制得高强度铁素体不锈钢。
经检测，上述制备的高强度铁素体不锈钢的性能如下：
硬度：71.1HRB；
屈服强度：241MPa；
抗拉强度：335MPa；
磁矫顽力：90A/m。
实施例4
本实施例中高强度铁素体不锈钢的成分及质量分数如表1所示；
本实施例中的高强度铁素体不锈钢采用一下步骤制备而成：
(1)原料配比：将硅铁矿、钒铁矿、硫铁矿、纯金属铬、纯金属铌等根据表1中实施例4的高强度铁素体不锈钢的成分进行配比得到原料；
(2)真空感应冶炼：将上述配比的原料添加至真空感应炉中冶炼，在冶炼过程中需要进行3次搅拌，其中搅拌功率在0～250KW之间周期变化，第3次搅拌在出钢浇铸成钢坯之前进行；
(3)热加工锻造：将真空感应冶炼得到的钢坯加热至1120℃保温80min，然后进行锻造得到锻件，在此过程中控制锻造比≥3；
(4)热加工轧制：将热加工锻造得到的锻件加热至1120℃保温80min，然后采用2火次轧制得到轧件，此过程中控制轧制总变形量≥50％；
(5)去应力退火：将热加工轧制得到的轧件加热至730℃保温3h后进行退火处理，最终制得高强度铁素体不锈钢。
经检测，上述制备的高强度铁素体不锈钢的性能如下：
硬度：72.8HRB；
屈服强度：243MPa；
抗拉强度：338MPa；
磁矫顽力：91A/m。
实施例5
本实施例中高强度铁素体不锈钢的成分及质量分数如表1所示；
本实施例中的高强度铁素体不锈钢采用一下步骤制备而成：
(1)原料配比：将硅铁矿、钒铁矿、硫铁矿、纯金属铬、纯金属铌等根据表1中实施例5的高强度铁素体不锈钢的成分进行配比得到原料；
(2)真空感应冶炼：将上述配比的原料添加至真空感应炉中冶炼，在冶炼过程中需要进行4次搅拌，其中搅拌功率在0～250KW之间周期变化，第4次搅拌在出钢浇铸成钢坯之前进行；
(3)热加工锻造：将真空感应冶炼得到的钢坯加热至1140℃保温80min，然后进行锻造得到锻件，在此过程中控制锻造比≥2.5；
(4)热加工轧制：将热加工锻造得到的锻件加热至1140℃保温80min，然后采用2火次轧制得到轧件，此过程中控制轧制总变形量≥50％；
(5)去应力退火：将热加工轧制得到的轧件加热至750℃保温3h后进行退火处理，最终制得高强度铁素体不锈钢。
经检测，上述制备的高强度铁素体不锈钢的性能如下：
硬度：73.9HRB；
屈服强度：248MPa；
抗拉强度：346MPa；
磁矫顽力：90A/m。
对比例
本对比例为现有技术中牌号为1J116的铁素体不锈钢，其成分及质量分数如表1所示；
经检测，其性能如下：
硬度：65.6HRB；
屈服强度：221MPa；
抗拉强度：317MPa；
磁矫顽力：78A/m。
表1实施例1～5制备的的铁素体不锈钢以及对比例中的铁素体不锈钢的成分(wt％)
Figure BDA0002837966940000101
由图1和图2，明显可以看出，实施例1～5制备的高强度铁素体不锈钢的硬度在70～75HRB之间，屈服强度在230～250MPa之间，抗拉强度为325～350MPa之间，均明显优于对比例中的牌号为1J116的铁素体不锈钢；由图3可知，实施例1～5制备的高强度铁素体不锈钢的磁矫顽力均低于100A/m，能满足铁磁性产品的性能要求。
综上所述，本发明的高强度铁素体不锈钢及其制备方法，通过设计合金成分，加入适量的Nb元素，并采用真空感应冶炼、热加工锻造、热加工轧制、去应力退火制备而成，不仅使得该高强度铁素体不锈钢在具备良好的磁性能的同时具备优异的力学性能，而且能够实现稳定化生产，满足当前国内外航空、航天等领域对于铁素体不锈钢的现实需求。
综上所述，上述实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种高强度铁素体不锈钢，其特征在于，包括按质量百分比计的以下成分：C≤0.03％、Si:0.60～1.20％、Mn≤0.30％、Cr：13.00～20.00％、Ni≤0.50％、S：0.12～0.30％、V：0.3～0.7％、Nb：0.02～0.10％，余量为Fe。
2.如权利要求1所述的高强度铁素体不锈钢，其特征在于，所述高强度铁素体不锈钢包括按质量百分比计的以下成分：C≤0.03％、Si：0.60～1.20％、Mn≤0.30％、Cr：16.00～18.00％、Ni:0.20～0.50％、S:0.12～0.30％、V:0.3～0.7％、Nb:0.02～0.10％，余量为Fe。
3.如权利要求1或2所述的高强度铁素体不锈钢，其特征在于，所述高强度铁素体不锈钢的硬度为70～75HRB，屈服强度为230～250MPa，抗拉强度为325～350MPa。
4.一种高强度铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，原料根据如权利要求1或2所述的高强度铁素体不锈钢的成分进行配比，然后依次经真空感应冶炼、热加工锻造、热加工轧制和去应力退火制得高强度铁素体不锈钢。
5.如权利要求4所述的高强度铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述真空感应冶炼过程中，进行2～4次搅拌，控制搅拌功率在0～250KW之间周期变化。
6.如权利要求4所述的高强度铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述热加工锻造过程中，将所述真空感应冶炼得到的钢坯加热至1060～1140℃保温60～90min，然后进行锻造，控制锻造比≥2。
7.如权利要求4所述的高强度铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述热加工轧制过程中，将所述热加工锻造得到的锻件加热至1060～1140℃保温60～90min，然后进行轧制，控制轧制总变形量≥30％。
8.如权利要求7所述的高强度铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述热加工轧制过程中，所述轧制采用1～2火次轧制。
9.如权利要求4所述的高强度铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述去应力退火过程中，将所述热加工轧制过程中得到的轧件加热至715～770℃保温2～4h，然后进行退火处理。
10.如权利要求4～9任一项所述的高强度铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述高强度铁素体不锈钢的硬度为70～75HRB，屈服强度为230～250MPa，抗拉强度为325～350MPa。
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