CN115433878B - 一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢及其制备方法，属于合金材料技术领域。本发明的奥氏体不锈钢，按质量百分比计包含以下成分：C：0.01％～0.05％，Si：0.1％～0.3％，Mn：0.6％～0.8％，P：0.02％～0.05％，S：0.05％～0.08％，Cr：17％～19％，Ni：8％～10％，Cu：1％～1.5％，Bi：0.08％～0.12％，Ti：0.015％～0.055％，B：0.002％～0.006％，N<0.0075％。本发明通过以Bi部分替代MnS并促使易切削相Bi、MnS及其复合相细小、弥散析出，不仅进一步提高了材料的切削性能，还显著改善了其耐蚀性能；通过降N处理、Ti‑B复合微合金化及优化轧制工艺，有效解决了Bi的脆化晶界，造成材料热轧过程塑性降低和裂纹形成的技术难题。

Description

一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢及其制备方法。
背景技术
我国是世界上最大的不锈钢生产国和消费国，据统计，2021年我国不锈钢总产量达到3063万吨，表观消耗量达到2610万吨，其中奥氏体不锈钢占比超过一半。奥氏体不锈钢是一种典型的难加工材料。随着奥氏体不锈钢用量日益增加，对其产品机械加工自动化、精密化和耐蚀性要求越来越高，开发易切削耐蚀奥氏体不锈钢变得重要而迫切。
目前，常见的易切削奥氏体不锈钢主要为硫系易切削钢。经检索，公布号为CN112609134A、CN113684420A、CN111850407A、CN111621710A和CN105861955A等中国发明专利公开的易切削奥氏体不锈钢中硫含量分别为0.15%~0.25%、0.25%~0.35%、0.15~0.55%、0.25%~0.3%、0.25%~0.35%，部分专利中还含有一定的Se和Te。高硫（0.15%~0.55%）奥氏体不锈钢中硫与锰结合形成的硫化锰夹杂主要在钢液凝固过程中析出，常沿晶界分布形成树枝状、簇状、长条状等Ⅰ类或II类硫化物，这类硫化物在氯离子腐蚀介质中溶解产生的S2-、HS-腐蚀阴离子易破坏钝化膜，诱发基体阳极的腐蚀溶解而形成点蚀，而点蚀的“自催化效应”还会造成蚀孔的深化与扩展，导致材料耐腐蚀性能急剧下降并失效。
同时，高硫易切削不锈钢冶炼、回收熔炼和湿式切削过程产生的大量含S烟气、冷却废液还会严重污染环境。随着国家环保政策的逐渐严苛以及对不锈钢的绿色、高精尖化发展要求，急需开发出新一代超易切削、耐蚀的低硫易切削奥氏体不锈钢。
经检索，中国专利申请号为201611226044.1的申请案公开了一种低硫无毒食品接触用奥氏体易切削不锈钢，其组成的质量百分比：0.03％≤C≤0.07％，0.003％≤S≤0.01％，18.0％≤Cr≤20.0％，8.0％≤Ni≤10.0％，0.06％≤Bi≤0.26％，0.0010％≤Ca≤0.0028％，其余为Fe。该申请案在奥氏体不锈钢中加入无公害、无毒、无致癌的铋和钙元素，替代传统的铅、硒、硫等易切削元素，从而可以避免铅、硒等有毒元素对人体的伤害，同时降低不锈钢中硫的含量，具有良好的易切削性能，又有效地提高了不锈钢的力学性能和耐腐蚀性能，但其材料很难保证具有良好的热加工性能以实现铸-轧一体化工业生产。
发明内容
基于现有硫系易切削奥氏体不锈钢冶炼、机械加工过程对环境污染严重且其切削性能满足不了高效、自动化和精密化加工要求，同时耐蚀性能较差的特点，本发明提供了一种用于制作耐蚀零部件的高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢及其制备方法，本发明的奥氏体不锈钢可在有效降低硫含量，提高耐腐蚀性能的基础上，保证材料的切削性能。
2. 技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢，该奥氏体不锈钢包含如下质量百分比的组分：C：0.01%~0.05%，Si：0.1%~0.3%，Mn：0.6%~0.8%，P：0.02%~0.05%，S：0.05%~0.08%，Cr：17%~19%，Ni：8%~10%，Cu：1%~1.5%，Bi：0.08%~0.12%，Ti：0.015%~0.055%，B：0.002%~0.006%，N<0.0075%。
本发明中主要元素在钢中的作用机理：
C是强烈形成并稳定奥氏体的元素，C含量高易与其它合金元素（如Ti、Nb）以碳、氮化物的形式析出，导致不锈钢强度提高，冲击韧性下降，韧脆转变温度上升。过饱和碳如以碳化物形式析出，易造成临近区域贫铬，导致奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性提高。
Si是铁素体形成元素，添加适量硅可提高不锈钢的抗氧化和抗硫化性能，这与硅在不锈钢表面形成富硅氧化物保护膜有关。但硅含量过高会提高不锈钢的脆性转变温度，降低钢的塑韧性及恶化钢的热加工性能。
Mn是奥氏体形成元素，可与钢中的S结合形成MnS，抑制硫的有害作用，改善奥氏体不锈钢的高温热塑性，但锰添加量过多会使不锈钢的耐腐蚀性能显著下降。
S在钢中易切削元素，与Mn结合生成MnS可提高不锈钢的切削性能，但对钢的耐蚀性能极度有害。
Cr是不锈钢中最重要的元素之一。在奥氏体不锈钢中，铬和镍的交互作用可以形成稳定的奥氏体组织，在单一奥氏体不锈钢中，铬含量对力学性能影响很小。当钢中存在铁素体相或出现σ相时，铬含量提高将引起钢的强度提高，塑韧性下降。
Ni是强烈形成并稳定奥氏体的元素。随着镍含量增加，钢的强度降低而塑性提高；当具有稳定的奥氏体组织时，镍的加入，可进一步改善钢的塑、韧性和耐腐蚀性能。
Cu是扩大奥氏体相区的元素，可以改善不锈钢的耐腐蚀能力，但效果低于Cr、Ni；钢中添加一定量Cu可明显提高材质的切削性能。
Bi在不锈钢中主要起润滑和熔融脆化作用，可明显提高不锈钢的切削性能但不会恶化其耐蚀性能。但是Bi易在晶界偏聚，从而降低钢的热塑性，加剧轧制裂纹的形成。
Ti可在高温下与钢中N结合形成细小的TiN粒子，钉扎晶界，细化奥氏体晶粒，减少Bi在奥氏体晶界的相对偏聚量，从而减轻Bi对钢热塑性的危害。
B是一种较强的晶界偏聚元素，能以更快的扩散速率优先于S、Bi等在奥氏体晶界偏聚，从而减轻Bi对钢热塑性的危害。
N是强烈形成并稳定奥氏体的元素。钢中N含量较高时，N易与Ti结合形成大尺寸TiN，成为裂纹扩展源，导致材料热塑性降低而发生断裂；还易与B结合生成对热塑性有害的BN而使能偏聚于晶界且对钢热塑性有利的固溶B明显减少，恶化钢的热塑性。
本发明的奥氏体不锈钢材料既可实现铸轧一体化大规模、低污染生产，在进行车削和钻孔加工时又具有效率高、零件粗糙度小和车刀寿命长等特性，同时耐大气耐蚀性能显著增强，使用寿命提高，可用于制作加工精度要求高的高耐蚀零部件。
更进一步的，钢中Ti、B、Bi和S的质量百分比满足以下关系式：0.25≤(Ti+5×B)/(Bi+S)≤0.45，以有效避免轧制裂纹产生及实现微合金化的低成本控制。
更进一步的，所述奥氏体不锈钢中存在MnS和Bi-MnS复合易切削相，其中Bi-MnS复合相呈近球形或短棒状，且Bi包裹于MnS表面。
更进一步的，所述MnS和Bi-MnS易切削相的尺寸为1~4μm。
本发明的高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、配料
将与C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Cu、Ti和B元素对应的原料按照高铋节硫型奥氏体不锈钢成分所需进行配料；
步骤二、熔炼与浇注
将步骤一中各原料进行真空冶炼，冶炼完成后进行浇筑，浇注前在铸模底部均匀铺上提前称量好的铋铁合金粉末；
步骤三、轧制
将浇注后的钢锭经轧制加工成盘条；
步骤四、完全奥氏体化处理
将轧后盘条送入均热炉中进行保温，随后出炉水冷至室温；
步骤五、酸洗
将淬火盘条进行酸洗白化、中和及干燥处理，得到不锈钢盘条成品；
步骤六、冷加工：将不锈钢盘条成品进行矫直、冷拉和切割处理，即得到银亮棒以备高精度零部件加工。
更进一步的，步骤一中以工业纯铁、金属硅、金属锰、磷铁、硫铁、镍板、微碳铬铁、电解铜、海绵钛和硼铁为原料进行配料，且工业纯铁、金属锰、镍板和微碳铬铁预先烘烤至270~330℃并保温20min以上，从而可以有效减少后续真空感应熔炼的化钢时间。
更进一步的，步骤二中所用铋铁合金粉末中质量百分比Bi：Fe=1：9~3：7，从而可以有效减轻浇注过程铋的气化烧损并提高铸锭中Bi的均匀性。
更进一步的，步骤二中冶炼时先将炉内抽真空至300Pa后再开始送电升温，待炉料缓慢熔化并升温至1620~1650℃时，进行脱氧处理；接着将钢液进行纯脱气以进一步降低钢中N含量，纯脱气时真空度控制在10Pa以下，钢液温度控制在1620~1650℃；脱气结束后充入高纯氩气将炉内压力复压至1个大气压后在炉内进行顶注法浇注。
更进一步的，步骤三中采用二火成材工艺将浇注后的钢锭加工成盘条，以保证钢锭轧制过程表面温度处于高温塑性温度区间，具体的：首先一火轧成方坯，一火加热炉温度为1200~1220℃，开坯温度为1150~1200℃，终轧温度为950~980℃；二火轧成盘条，二火加热炉温度为1200~1220℃，开轧温度为1180~1200℃，终轧温度为1000~1050℃；同时第二次轧制过程轧材头部禁止喷水冷却，以避免其头部在轧机咬入时发生劈裂而造成轧制终止、轧材报废。
更进一步的，步骤四中奥氏体化处理温度为1020~1050℃，保温时间为50~70min；步骤五中酸洗溶液包含如下体积比的组分：10~15%硝酸、3~5%氢氟酸、80~87%水，酸洗温度控制在25~30℃，酸洗时间为30~45min。通过对酸洗工艺进行优化，从而可以促使不锈钢盘条酸洗去锈及白化同时完成。
综上所述，相比于现有技术，本发明可以取得以下有益效果：
（1）本发明的一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢，通过将Mn、S含量同时降低，并以低熔点易切削相Bi部分替代MnS，从而可以形成一种新型的环保易切削奥氏体不锈钢，该不锈钢与303Cu易切削奥氏体不锈钢相比，环保性、切削性能和耐腐蚀性能均得到显著提升。
（2）本发明的一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢，由于Bi易在晶界偏聚，从而降低钢的热塑性，导致轧制裂纹的形成，而本发明通过降N处理以及Ti-B的复合微合金化，从而可以调控Bi、MnS的析出形态，使易切削相Bi、MnS及其复合相细小、弥散析出，从而可以有效解决Bi含量过高带来的不良影响，使不锈钢获得良好的热加工性能，提升了轧材质量和成材率。
（3）本发明的一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢，适用于制作汽车、高铁、家电及办公装备等行业的高精度零部件，可以有效降低机加工成本、提高生产效率及产品的使用寿命和美观度。
（4）本发明的一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢的制备方法，通过对不锈钢的成分及生产工艺进行优化设计，从而可以对易切削相的组成及形态分布进行调控，有利于在保证所得不锈钢耐蚀性和切削性能的基础上，提高其加工性能，防止裂纹的产生。
附图说明
图1为实施例1的短螺旋+C形车屑形貌；
图2为对比例2的长螺旋状车屑形貌；
图3为对比例1中盘条表面裂纹处的金相组织；
图4为实施例1的银亮棒中析出相扫描电镜形貌及能谱分析结果；
图5为图4中析出相边缘Bi的能谱分析结果；
图6为图4中析出相心部MnS的能谱分析结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
本实施例的一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C：0.012%，Si：0.21%，Mn：0.68%，P：0.032%，S：0.058%，Cr：17.32%，Ni：8.57%，Cu：1.23%，Bi：0.103%，Ti：0.051%，B：0.0022%，N=0.0033%，其余为铁和不可避免的杂质，同时(Ti+5×B)/(Bi+S)=0.385。
本实施例的高铋节硫型奥氏体不锈钢的制备方法，其过程如下：
步骤一、以工业纯铁、金属硅、金属锰、磷铁、硫铁、镍板、微碳铬铁、电解铜、海绵钛和硼铁为原料进行1t冶炼产品配料，随后将上述配料中的工业纯铁、金属锰、镍板和微碳铬铁烘烤至300℃并保温20min；
步骤二、将上述未烘烤和烘烤的配料同时放入真空感应熔炼炉内坩埚中，关闭炉盖抽真空至300Pa后开始送电升温，待炉料缓慢熔化并升温至1645±5℃时，从加料漏斗中往钢水中加入铝粒0.5kg；接着将钢液纯脱气30min，纯脱气时真空度为8±0.5Pa，钢液温度控制在1645±5℃。脱气结束后充入高纯氩气将炉内压力复压至1个大气压后在炉内进行顶注法浇注，浇注前在方形铸模（300mm×400mm）底部均匀铺上提前称量好的15.4kg铋铁合金粉末（Bi：Fe（质量百分比）=1：9）；
步骤三、将上述铸锭脱模后送入1220℃的加热炉内进行均热处理，随后轧成150mm×150mm小方坯，轧制过程开坯温度为1195±5℃，终轧温度为975±5℃；将150mm×150mm小方坯再次送入1220℃的加热炉内进行均热处理，随后轧成直径16.5mm的盘条，轧制过程采用干头轧制，开轧温度为1195±5℃，终轧温度为1045±5℃；
步骤四、轧后盘条送入1050℃的均热炉中保温70min后出炉水冷至室温；
步骤五、将淬火盘条进行酸洗白化、中和及干燥处理，得到不锈钢盘条成品，酸洗溶液为15%硝酸、5%氢氟酸、80%水，酸洗温度为30℃，酸洗时间45min；
步骤六、对不锈钢盘条成品进行矫直、冷拉和切割处理，得到直径16mm的银亮棒以备高精度零部件加工。
实施例2
本实施例的一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C：0.021%，Si：0.14%，Mn：0.77%，P：0.025%，S：0.079%，Cr：17.76%，Ni：8.93%，Cu：1.41%，Bi：0.083%，Ti：0.017%，B：0.0058%，N=0.0062%，其余为铁和不可避免的杂质，同时(Ti+5×B)/(Bi+S)=0.283；其制备方法与实施例1的不同之处在于，各步骤的参数条件如表1所示。
实施例3
本实施例的一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C：0.030%，Si：0.12%，Mn：0.71%，P：0.042%，S：0.063%，Cr：18.12%，Ni：9.21%，Cu：1.32%，Bi：0.096%，Ti：0.035%，B：0.0037%，N=0.0056%，其余为铁和不可避免的杂质，同时(Ti+5×B)/(Bi+S)=0.336；其制备方法与实施例1的不同之处在于，各步骤的参数条件如表1所示。
实施例4
本实施例的一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C：0.041%，Si：0.19%，Mn：0.75%，P：0.038%，S：0.068%，Cr：18.93%，Ni：8.23%，Cu：1.50%，Bi：0.088%，Ti：0.022%，B：0.0043%，N=0.0045%，其余为铁和不可避免的杂质，同时(Ti+5×B)/(Bi+S)=0.279；其制备方法与实施例1的不同之处在于，各步骤的参数条件如表1所示。
实施例5
本实施例的一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C：0.048%，Si：0.28%，Mn：0.62%，P：0.048%，S：0.052%，Cr：18.56%，Ni：9.86%，Cu：1.11%，Bi：0.117%，Ti：0.044%，B：0.0029%，N=0.0071%，其余为铁和不可避免的杂质，同时(Ti+5×B)/(Bi+S)=0.346；其制备方法与实施例1的不同之处在于，各步骤的参数条件如表1所示。
对比例1
本实施例的一种奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C：0.035%，Si：0.24%，Mn：0.75%，P：0.044%，S：0.069%，Cr：18.69%，Ni：9.45%，Cu：1.22%，Bi：0.114%，Ti：0.068%，B：0.0045%，N=0.0114%，其余为铁和不可避免的杂质，同时(Ti+5×B)/(Bi+S)=0.495；其制备方法与实施例1的不同之处在于，各步骤的参数条件如表1所示。
对比例2
本对比例的303Cu易切削不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C：0.033%，Si：0.23%，Mn：2.35%，P：0.037%，S：0.285%，Cr：17.41%，Ni：8.43%，Cu：2.16%，N：0.032%，其余为铁和不可避免的杂质；其制备方法与实施例1的不同之处在于，各步骤的参数条件如表1所示。
表1 本发明各实施例及对比例的银亮棒制备工艺参数
Figure 65648DEST_PATH_IMAGE001
切削性能和耐蚀性能测试
采用数控车床对各实施例和对比例进行30min连续车削实验，刀具材质为硬质合金刀，车床转速为2500r/min，进给速度为0.035mm/min，背吃刀量为单边1.0mm，冷却方式为油冷。采用CHI660E型电化学工作站对各实施例和对比例进行电化学腐蚀实验，腐蚀溶液为质量分数3.5%的NaCl溶液，实验温度25℃。通过肉眼观察各实施例和对比例盘条表面质量。表2为各实施例和对比例银亮棒的切削性能、耐蚀性能及表面质量统计结果。图1和图2分别为实施例1和对比例2银亮棒车削后的短螺旋+C形屑和长螺旋屑形貌。图3为对比例1轧后盘条表面裂纹处的金相组织，可以看出其表面裂纹很长且宽度超过50μm。图4~图6为实施例1银亮棒中析出相扫描电镜形貌及能谱分析结果，可以看出其钢中存在较多1~4μm的MnS和Bi-MnS复合易切削相，其中Bi-MnS复合相呈近球形或短棒状，Bi包裹着MnS。
表2本发明各实施例及对比例1的奥氏体不锈钢银亮棒的切削性能、耐蚀性能及表面质量
Figure 273907DEST_PATH_IMAGE002
通过上表可以看出，实施例1~5所得奥氏体不锈钢银亮棒切削过程的试样表面粗糙度在2.22~2.39之间，切屑均为短螺旋+C形屑，后刀面磨损量在43~49μm之间，腐蚀速率在0.88~1.13μm/a之间，其切削性能和耐蚀性能与对比例1相当，但相比对比例2的303Cu易切削不锈钢明显更好。相比实施例1~5，对比例1的N含量过高（N=0.0114%）且(Ti+5×B)/(Bi+S)大于0.45，其热加工性能明显变差，盘条表面出现明显裂纹，不利于进行工业化生产。

Claims (8)

1.一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢，其特征在于：该奥氏体不锈钢包含如下质量百分比的组分：C：0.01%~0.05%，Si：0.1%~0.3%，Mn：0.6%~0.8%，P：0.02%~0.05%，S：0.05%~0.08%，Cr：17%~19%，Ni：8%~10%，Cu：1%~1.5%，Bi：0.08%~0.12%，Ti：0.015%~0.055%，B：0.002%~0.006%，N<0.0075%；钢中Ti、B、Bi和S的质量百分比满足以下关系式：0.25≤(Ti+5×B)/(Bi+S)≤0.45，所述奥氏体不锈钢中存在MnS和Bi-MnS复合易切削相，其中Bi-MnS复合相呈近球形或短棒状，且Bi包裹于MnS表面。
2.根据权利要求1所述的一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢，其特征在于：所述MnS和Bi-MnS易切削相的长度尺寸为1~4μm。
3.一种如权利要求1或2所述的高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、配料
将与C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Cu、Ti和B元素对应的原料按照高铋节硫型奥氏体不锈钢成分所需进行配料；
步骤二、熔炼与浇注
将步骤一中各原料进行真空冶炼，冶炼完成后进行浇筑，浇注前在铸模底部均匀铺上提前称量好的铋铁合金粉末；
步骤三、轧制
将浇注后的钢锭经轧制加工成盘条；
步骤四、完全奥氏体化处理
将轧后盘条送入均热炉中进行保温，随后出炉水冷至室温；
步骤五、酸洗
将淬火盘条进行酸洗白化、中和及干燥处理，得到不锈钢盘条成品；
步骤六、冷加工：将不锈钢盘条成品进行矫直、冷拉和切割处理，即得到银亮棒以备高精度零部件加工。
4.根据权利要求3所述的高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：步骤一中以工业纯铁、金属硅、金属锰、磷铁、硫铁、镍板、微碳铬铁、电解铜、海绵钛和硼铁为原料进行配料，且工业纯铁、金属锰、镍板和微碳铬铁预先烘烤至270~330℃并保温20min以上。
5.根据权利要求3所述的高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：步骤二中所用铋铁合金粉末中质量百分比Bi：Fe=1：9~3：7。
6.根据权利要求3所述的高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：步骤二中冶炼时先将炉内抽真空至300Pa后再开始送电升温，待炉料缓慢熔化并升温至1620~1650℃时，进行脱氧处理；接着将钢液进行纯脱气以进一步降低钢中N含量，纯脱气时真空度控制在10Pa以下，钢液温度控制在1620~1650℃；脱气结束后充入高纯氩气将炉内压力复压至1个大气压后在炉内进行顶注法浇注。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤三中采用二火成材工艺将浇注后的钢锭加工成盘条：首先一火轧成方坯，一火加热炉温度为1200~1220℃，开坯温度为1150~1200℃，终轧温度为950~980℃；二火轧成盘条，二火加热炉温度为1200~1220℃，开轧温度为1180~1200℃，终轧温度为1000~1050℃。
8.根据权利要求3-6中任一项所述的高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤四中奥氏体化处理温度为1020~1050℃，保温时间为50~70min；步骤五中酸洗溶液包含如下体积比的组分：10~15%硝酸、3~5%氢氟酸、80~87%水，酸洗温度控制在25~30℃，酸洗时间为30~45min。
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