CN115141986A

CN115141986A - 一种超低温结构用奥氏体钢及其制备工艺

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Publication number: CN115141986A
Application number: CN202110351155.XA
Authority: CN
Inventors: 徐斌; 翟汝宗; 张洪林; 孙明月; 李殿中
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2022-10-04
Anticipated expiration: 2041-03-31
Also published as: CN115141986B

Abstract

本发明属于低温钢领域，具体涉及一种超低温结构用奥氏体钢及其制备工艺。本发明钢具有完全奥氏体结构，经超导成相热处理后晶界无第二相析出或晶界析出相呈不连续沿晶分布，晶界析出相平均有效宽度小于50nm，且晶界析出相占奥氏体钢总量的质量百分含量＜0.3％。本发明通过优化固溶热处理温度，均匀组织，并通过控制晶界析出相的析出量及析出形貌，最终避免热处理后晶间析出相的大量生成，从而有效保证了其时效后的低温力学性能，在超低温(4.2K)下具有高强、高塑和无磁性的优良性能。

Description

一种超低温结构用奥氏体钢及其制备工艺

技术领域

本发明属于低温钢领域，具体涉及一种超低温结构用奥氏体钢及其制备工艺。

背景技术

中国核聚变工程起始于20世纪50年代，为实现可控核聚变，当前研究的主流承载设备为“托卡马克”环形装置，托卡马克包含大量的超导线圈结构，该结构通过导入超高电流形成超高磁场控制等离子的运动，进而实现核聚变反应，产生能量。超导线圈结构由内部超导材料和外部包套材料组成，内部超导材料Nb₃Sn需经过超导成相热处理(650℃时效热处理)才能形成超导组织，作为其支撑结构的外部包套材料与内部超导材料捆绑在一起，因此也必须经过该成相热处理，该热处理过程极大的降低了业界主流奥氏体不锈钢的强塑性。同时，超导线圈服役环境严苛，因此对其外部包套材料也提出了超低温下(4.2K)高强度、高塑性，且无磁性的要求。

发明内容

基于此，为满足超导线圈包套材料的性能要求，本发明的目的在于提供一种超低温结构用奥氏体钢及其制备工艺，在超低温(4.2K)下经过Nb₃Sn超导成相热处理后，其组织均匀，具有较高的强塑性且无磁性。该结构用钢经时效后在-269℃拉伸，其屈服强度＞1400MPa，抗拉强度＞1800MPa，延伸率＞20％。

本发明的技术方案为：

一种超低温结构用奥氏体钢，奥氏体钢具有完全奥氏体结构，经超导成相热处理后晶界无第二相析出或晶界析出相呈不连续沿晶分布，晶界析出相平均有效宽度小于50nm，且晶界析出相占奥氏体钢总量的质量百分含量＜0.3％。

所述的超低温结构用奥氏体钢，奥氏体钢中C、N、Cr、Mn的含量控制应满足下式：

{α[C]+β[N]}·{[Cr]+3Mn}＜50

其中：C、N、Cr、Mn的含量以质量分数计，α、β为修正系数，α取值范围为30～40，β取值范围为2～6。

所述的超低温结构用奥氏体钢，超导成相热处理为650℃时效热处理，奥氏体钢经过650℃时效处理后的性能指标如下：

在室温下拉伸，奥氏体钢的屈服强度＞400MPa，抗拉强度＞700MPa，延伸率＞40％；

在-196℃拉伸，奥氏体钢的屈服强度＞1000MPa，抗拉强度＞1500MPa，延伸率＞35％；

在-269℃拉伸，奥氏体钢的屈服强度＞1400MPa，抗拉强度＞1800MPa，延伸率＞20％。

所述的超低温结构用奥氏体钢，以质量百分含量计，奥氏体钢由以下成分组成：C＜0.02％；Cr:18～25％；Ni:10～15％；Mn:1～10％；Mo:1～2.5％；Si:<1.0％；N:0.25～0.45％；Nb:＜0.19％；V:0.03～0.4％；S＜0.005％；P＜0.005％；Fe:余量。

所述的超低温结构用奥氏体钢，奥氏体钢中，C＜0.015％；和/或N含量为0.3～0.4％。

所述的超低温结构用奥氏体钢，奥氏体钢的磁导率＜1.035。

所述的超低温结构用奥氏体钢的制备工艺，包括下述步骤：

(1)冶炼：按照奥氏体钢的成分进行熔炼得到铸锭，且保证熔炼完成后奥氏体钢中的N含量为0.25～0.45wt％；

(2)锻造：将铸锭进行锻造处理，锻造处理的温度为850℃～1200℃；

(3)固溶热处理：将锻造处理后的铸锭进行固溶热处理，固溶热处理温度为1050℃～1120℃；

(4)时效处理：将固溶热处理及冷却处理后的钢锭进行650℃保温30～200h时效热处理，即得到奥氏体钢。

所述的超低温结构用奥氏体钢的制备工艺，步骤(1)得到的铸锭组织中无一次液析MX相析出或MX相平均直径＜2μm；所加入的成分中C、N、Nb、V含量控制应满足下式：

{X[Nb]+[V]}·{[C]+[N]}＜0.34

其中：C、N、Nb、V含量以质量分数计，X为修正系数，X取值范围为2～5。

所述的超低温结构用奥氏体钢的制备工艺，熔炼在真空感应炉进行，熔炼过程中保证氮分压为0.5～0.8个标准大气压。

所述的超低温结构用奥氏体钢的制备工艺，当熔炼温度为1450～1520℃时，持续通入氮气18～25分钟。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明通过控制钢中C、N、Cr、Mn元素含量，得到了一种完全奥氏体钢，经超导成相热处理后(即650℃时效热处理)，该奥氏体钢晶界无析出相或者晶界析出相呈不连续沿晶分布，所述析出相的平均有效宽度小于50nm，所述析出相在奥氏体钢基体中的质量百分含量＜0.3％，通过合理的成分配置避免铸锭组织及后续热处理遗留的磁性δ铁素体，从而保证其无磁性。

2、本发明通过优化固溶热处理温度，均匀组织，并通过控制晶界析出相的析出量及析出形貌，最终避免热处理后晶间析出相的大量生成，从而有效保证了其时效后的低温力学性能，在超低温(4.2K)下具有高强、高塑和无磁性的优良性能。

附图说明

图1为实施例1固溶后光学显微镜下完全奥氏体组织图。

图2为实施例1时效100h后扫描电子显微组织图。

图3为对比例1时效100h后扫描电子显微组织图。

图4为实施例1时效200h后透射电镜下晶界结构图

图5为对比例1时效200h后透射电镜下晶界结构图。

图6为实施例2时效200h后透射电镜下晶界结构图。

具体实施方式

本发明下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。实施例中所用到的各种常用化学试剂，均为市售产品。

除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不用于限制本发明。

本发明的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤。

在本发明中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本发明提供一种超低温结构用奥氏体钢，其具有完全奥氏体结构，经650℃时效热处理晶界无第二相析出或晶界析出相呈不连续沿晶分布，晶界所述析出相平均有效宽度小于50nm，且所述析出相总量＜0.3％(质量百分含量)。由于本发明的奥氏体钢具有完全奥氏体结构，且经时效热处理后晶界无第二相析出或者晶界析出相较少，晶界析出相不连续沿晶分布，由于综合控制了析出相主要组成元素，因此其析出量较少，进一步的，本发明的晶界析出相为Cr的微细碳氮化物。

进一步的，本发明的所述奥氏体钢中C、N、Cr、Mn的含量控制应满足下式：

{α[C]+β[N]}·{[Cr]+3Mn}＜50

其中：C、N、Cr、Mn的含量以质量分数(不带％号)计，α、β为修正系数，α取值范围为30～40，β取值范围为2～6。为了实现上述的无晶界析出相或者晶界析出相较少的目的，本发明限定了C、N、Cr、Mn的含量。氮为最重要的低温固溶强化元素，并形成微细的合金碳氮化物抑制晶粒的长大，并起到一定的沉淀强化效果，但是过高的氮将使其在熔炼过程中形成粗大的一次氮化物，并增加了其成形难度；Mn可以抑制奥氏体的分解，可以降低生产成本，且提高钢中氮的溶解度，保证钢的强度，但Mn加入过多，会大大降低钢的抗腐蚀性，尤其是抗点蚀和晶间腐蚀的能力，除此之外，增加Mn含量还会降低钢熔点、增加热加工难度。Cr是钢获得耐腐蚀性能的最重要元素，Cr能够提高N元素的固溶度，但Cr同时是主要的铁素体形成元素，过高的Cr将导致材料中出现铁素体相，不能保证其低温下的完全奥氏体组织，此外较高的Cr会加速在生产过程及时效过程中碳化物的析出，从而显著降低低温下力学性能。本发明综合考虑了上述各元素在钢中的作用，结合本发明的目的，对C、N、Cr、Mn的含量进行了限定。

进一步的，本发明的奥氏体钢经过650℃时效后，在室温下拉伸，屈服强度＞400MPa，抗拉强度＞700MPa，延伸率＞40％；在-196℃拉伸，所述奥氏体钢的屈服强度＞1000MPa，抗拉强度＞1500MPa，延伸率＞35％；在-269℃拉伸，所述奥氏体钢的屈服强度＞1400MPa，抗拉强度＞1800MPa，延伸率＞20％。

具体的，以质量百分含量计，奥氏体钢由以下成分组成：C＜0.02％；Cr:18～25％；Ni:10～15％；Mn:1～10％；Mo:1～2.5％；Si:<1.0％；N:0.25～0.45％；Nb:＜0.19％；V:0.03～0.4％；S＜0.005％；P＜0.005％；Fe:余量。

进一步的，所述奥氏体钢中C＜0.015％；和/或N含量为0.3～0.4％。

进一步的，本发明的奥氏体钢的磁导率＜1.035。

上述的超低温结构用奥氏体钢的制备工艺，其包括下述步骤：

(1)冶炼：按照上述成分进行熔炼得到铸锭，且保证熔炼完成后奥氏体钢中的N含量为0.25～0.45wt％；

(2)锻造：将铸锭进行锻造处理，所述锻造处理的温度为850℃～1200℃；

(3)固溶热处理：将锻造处理后的钢锭进行固溶热处理，所述固溶热处理温度为1050℃～1120℃；固溶热处理之后也需进行冷却处理，冷却方式为水冷或空冷；

(4)时效处理：将固溶热处理及冷却处理后的钢锭进行650℃保温30～200h时效热处理，即可得到所述奥氏体钢。

进一步的，步骤(1)得到的铸锭组织中无一次液析MX相析出或MX相平均直径＜2μm；所加入的成分中C、N、Nb、V含量控制应满足下式：

{X[Nb]+[V]}·{[C]+[N]}＜0.34

其中：C、N、Nb、V含量以质量分数(不带％号)计，X为修正系数，X取值范围为2～5。

在真空感应炉冶炼过程中，可以通过加入氮化物(如：Cr₂N等)和通入氮气相结合的方法控制氮含量。较佳的一个实施方式是：熔炼过程中加入Cr₂N，待其完全熔化后通入氮气，之后加入Mn元素，并保证熔炼温度为1450～1520℃(优选为1500℃)时，持续通入氮分压为0.5～0.8个标准大气压的氮气，且通入氮气的时间为18～25分钟，以保证其达到平衡态。

下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。

实施例1

本实施例中，超低温结构用奥氏体钢的制备工艺，包括下述步骤：

(1)冶炼：按照上述成分进行熔炼得到铸锭，熔炼过程中保证N含量为0.25～0.45wt％；具体成分如下(wt％，S 0.003，P 0.004，Fe余量)：

C	N	Cr	Ni	Mn	Mo	Nb	V	Si
									0.011	0.33	20.97	13.6	4.81	2	0.11	0.23	0.4

(3)固溶热处理：将锻造处理后的铸锭进行固溶热处理，所述固溶热处理温度为1050℃～1120℃(本实施例为1065℃)，固溶热处理之后再进行水冷处理；

(4)时效处理：将固溶热处理及冷却处理后的钢锭进行650℃保温30～200h时效热处理即可得到所述奥氏体钢。

图1为实施例1得到的奥氏体钢的光学显微镜下的组织结构图。通过图1可以看出本实施例制备的奥氏体钢为完全奥氏体钢且晶间无析出相。

图2为实施例1时效100h后的扫描电子显微组织图。通过图2可以看出本实施例钢晶界未见明显粗大析出相。通过测定，本实施例中晶界析出相在基体中的质量百分含量为0.21％。

本实施例中超低温结构用奥氏体钢在外界磁场强度为5T，测试温度4.2K时，其磁导率为1.015。

对比例1

对比例1的具体成分组分如下(wt％，S 0.004，P 0.003，Fe余量)：

C	N	Cr	Ni	Mn	Mo	Nb	V	Si
									0.034	0.33	20.86	14.3	4.81	2	0.13	0.23	0.4

图3为对比例1时效100h后的扫描电子显微组织图。从图3中可以明显看出，钢中M₂₃C₆沿晶广泛析出。通过测定，该对比例中晶界析出相在基体中的质量百分含量为0.65％。

图4为实施例1的时效200h后透射电镜下晶界结构图。从图4中明显可以看出，晶界析出相平均有效宽度＜50nm。

图5为对比例1的时效200h后透射电镜下晶界结构图。从图4中明显可以看出，钢中M₂₃C₆沿晶界大量连续析出，且平均有效宽度＞200nm。

实施例2

本实施例的制备工艺同实施例1。

具体成分如下(wt％，S 0.002，P 0.003，Fe余量)：

C	N	Cr	Ni	Mn	Mo	Nb	V	Si
									0.015	0.40	20.36	14.78	4.81	2	0.09	0.20	0.41

图6为实施例2时效200h后的扫描电子显微组织图。如图所示，图6中的晶界析出相呈不连续析出。

析出相在基体中的质量百分含量的测定方法如下：

将实施例2的试样砂纸磨光，采用10％盐酸甲醇对其进行电解萃取，电解参数为恒定0.2A电流，电解前将试样精确称重，质量为A；电解后将电解残渣沉淀、离心、过滤、烘干后称重，获取的残渣质量为B，则Cr的氮化物在基体当中的质量分数可表示为：100％×B/A.

通过测定，本实施例中析出相在基体中的质量百分含量为0.075％。

表1为实施例2和对比例1固溶并时效200h的性能测试对比如下。

从表1中可以明显看出本发明得到的奥氏体钢在超低温下的强度和塑性更加优良。

实施例3

(1)冶炼：按照上述成分进行熔炼得到铸锭，熔炼过程中保证N含量为0.25～0.45wt％；精炼后期加入Cr₂N，熔炼过程中通入氮气，然后加入Mn。熔炼后的铸锭的具体成分如下(wt％，S 0.003，P 0.002，Fe余量)：

C	N	Cr	Ni	Mn	Mo	Nb	V	Si
									0.007	0.25	19.03	12.56	8.02	1.51	0.17	0.15	0.8

(3)固溶热处理：将锻造处理后的铸锭进行固溶热处理，所述固溶热处理温度为1050℃～1120℃(本实施例为1080℃)，固溶热处理之后再进行水冷处理；

本实施例中晶界析出相宽度约为15nm，通过测定，本实施例中析出相在基体中的质量百分含量为0.22％。

实施例4

(1)冶炼：按照上述成分进行熔炼得到铸锭，熔炼过程中保证氮分压为0.5～0.8个标准大气压(本实施例为0.6个标准大气压)；精炼后期加入Cr₂N，熔炼过程中通入氮气，然后加入Mn。且当熔炼温度为1450～1520℃(本实施例为1500℃)时，持续通入氮气18～25分钟(本实施例为20分钟)以保证其达到平衡态。

熔炼后的铸锭的具体成分如下(wt％，S 0.0015，P 0.0027，Fe余量)：

C	N	Cr	Ni	Mn	Mo	Nb	V	Si
									0.011	0.33	23.06	14.9	2.81	2.3	0.13	0.08	0.4

(3)固溶热处理：将锻造处理后的铸锭进行固溶热处理，所述固溶热处理温度为1050℃～1120℃(本实施例为1120℃)，固溶热处理之后再进行水冷处理；

本实施例中晶界析出相宽度约为30nm，通过测定，本实施例中析出相在基体中的质量百分含量为0.19％。

实施例5

(1)冶炼：按照上述成分进行熔炼得到铸锭，熔炼过程中保证氮分压为0.5～0.8个标准大气压(本实施例为0.7个标准大气压)；精炼后期加入Cr₂N，熔炼过程中通入氮气，然后加入Mn。且当熔炼温度为1450～1520℃(本实施例为1480℃)时，持续通入氮气18～25分钟(本实施例为22分钟)以保证其达到平衡态。

熔炼后的铸锭的具体成分如下(wt％，S 0.0032，P 0.0018，Fe余量)：

C	N	Cr	Ni	Mn	Mo	Nb	V	Si
									0.010	0.44	18.53	10.9	3.85	2	0.13	0.19	0.4

(3)固溶热处理：将锻造处理后的铸锭进行固溶热处理，所述固溶热处理温度为1050℃～1120℃(本实施例为1060℃)，固溶热处理之后再进行水冷处理；

本实施例中晶界析出相宽度约为22nm，通过测定，本实施例中析出相在基体中的质量百分含量为0.15％。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对以上实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种超低温结构用奥氏体钢，其特征在于，奥氏体钢具有完全奥氏体结构，经超导成相热处理后晶界无第二相析出或晶界析出相呈不连续沿晶分布，晶界析出相平均有效宽度小于50nm，且晶界析出相占奥氏体钢总量的质量百分含量＜0.3％。

2.根据权利要求1所述的超低温结构用奥氏体钢，其特征在于，奥氏体钢中C、N、Cr、Mn的含量控制应满足下式：

{α[C]+β[N]}·{[Cr]+3Mn}＜50

3.根据权利要求1所述的超低温结构用奥氏体钢，其特征在于，超导成相热处理为650℃时效热处理，奥氏体钢经过650℃时效处理后的性能指标如下：

4.根据权利要求1至3任意一项所述的超低温结构用奥氏体钢，其特征在于，以质量百分含量计，奥氏体钢由以下成分组成：C＜0.02％；Cr:18～25％；Ni:10～15％；Mn:1～10％；Mo:1～2.5％；Si:<1.0％；N:0.25～0.45％；Nb:＜0.19％；V:0.03～0.4％；S＜0.005％；P＜0.005％；Fe:余量。

5.根据权利要求4所述的超低温结构用奥氏体钢，其特征在于，奥氏体钢中，C＜0.015％；和/或N含量为0.3～0.4％。

6.根据权利要求4所述的超低温结构用奥氏体钢，其特征在于，奥氏体钢的磁导率＜1.035。

7.一种权利要求1至6任意一项所述的超低温结构用奥氏体钢的制备工艺，其特征在于，包括下述步骤：

8.根据权利要求7所述的超低温结构用奥氏体钢的制备工艺，其特征在于，步骤(1)得到的铸锭组织中无一次液析MX相析出或MX相平均直径＜2μm；所加入的成分中C、N、Nb、V含量控制应满足下式：

{X[Nb]+[V]}·{[C]+[N]}＜0.34

9.根据权利要求8所述的超低温结构用奥氏体钢的制备工艺，其特征在于，熔炼在真空感应炉进行，熔炼过程中保证氮分压为0.5～0.8个标准大气压。

10.根据权利要求9所述的超低温结构用奥氏体钢的制备工艺，其特征在于，当熔炼温度为1450～1520℃时，持续通入氮气18～25分钟。