CN115595420B - 一种高强韧含铜不锈钢及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料热处理技术领域，具体为一种高强韧含铜不锈钢及其生产工艺，通过采用热轧、固溶、冷轧和退火的生产工艺，生产得到的不锈钢中马氏体和奥氏体并存，同时纳米级析出相的强化可在不损害其塑性的基础上显著提高不锈钢的强度，最终生产的不锈钢的屈服强度≥880MPa，抗拉强度≥1050MPa，延伸率≥30%，冲击功≥50J，本发明的不锈钢可满足后续生活器具的成型，便于大规模工业生产。

Description

一种高强韧含铜不锈钢及其生产工艺
技术领域
本发明涉及金属材料热处理技术领域，具体为一种高强韧含铜不锈钢及其生产工艺。
背景技术
奥氏体不锈钢中铜元素的加入可以提高钢的强度、耐腐蚀性和冷加工性。此外，不锈钢中铜元素的加入最显著的特点就是其优异的抗菌性。近年来随着人们经济和生活水平的不断提高，在医疗卫生和家庭卫生设备市场上对具有抗菌性能不锈钢产品得需求越来越多，这加大了抗菌不锈钢的市场需求。目前广大的学者集中开发各种抗菌器具和对各种器具表面抗菌处理。然而这些器具大多需要通过冷成型的方式来加工。而现有的研究忽略了加工成器具前的含铜不锈钢板材的材料性能，这会给不锈钢板后续加工成器具带来很大困难。因此，开发高强韧不锈钢板是满足后序成型的重要前提。此外为了使抗菌不锈钢产品更多的应用生活，降低抗菌不锈钢的成本也只至关重要的。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种高强韧含铜不锈钢及其生产工艺。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种高强韧含铜不锈钢的生产工艺，包括如下步骤：
S1.热轧
铸坯在1240-1270℃均匀化5-6h后立即热轧得到板材；
S2.固溶
板材进行固溶处理，固溶处理的温度为1050-1100℃，保温时间为0.5-2h，保温结束后立即冷却，随后去除表面氧化皮；
S3.冷轧
固溶处理后的板材进行多道次冷轧得到冷轧板，冷轧总压下量为65-75%；
S4.退火
冷轧板进行退火，随后空冷至室温；退火温度为600-650℃，退火时间为10-180min。
作为本发明所述的一种高强韧含铜不锈钢的生产工艺的优选方案，其中：所述步骤S1之前，还包括：
S0.冶炼
原料采用真空感应炉熔炼后浇铸得到铸锭，铸锭空冷至室温后进行冒口切除和表面扒皮。
作为本发明所述的一种高强韧含铜不锈钢的生产工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，开轧温度≥1150℃，终轧温度≥950℃。
作为本发明所述的一种高强韧含铜不锈钢的生产工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，单道次热轧压下量＜30%，总压下量保证在60%以上。
作为本发明所述的一种高强韧含铜不锈钢的生产工艺的优选方案，其中：所述步骤S2中，所述冷却采用油冷或水冷。
作为本发明所述的一种高强韧含铜不锈钢的生产工艺的优选方案，其中：所述步骤S3中，进行5-8道次冷轧。
作为本发明所述的一种高强韧含铜不锈钢的生产工艺的优选方案，其中：所述步骤S4中，退火时间为60-180min。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种高强韧含铜不锈钢，采用上述生产工艺生产得到。
作为本发明所述的一种高强韧含铜不锈钢的优选方案，其中：所述不锈钢的屈服强度≥880MPa，抗拉强度≥1050MPa，延伸率≥30%，冲击功≥50J。
作为本发明所述的一种高强韧含铜不锈钢的优选方案，其中：按重量百分比计，其组成为：C≤0.06，Si 0.3-1，Mn 0.5-1，Cr 17-20，Ni 5-7，Mo 0.5-1，Nb 0.08-0.15， Cu 2-3.5，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种高强韧含铜不锈钢及其生产工艺，通过采用热轧、固溶、冷轧和退火的生产工艺，生产得到的不锈钢中马氏体和奥氏体并存，同时退火过程析出的纳米级富铜相可在不损害其塑性的基础上显著提高不锈钢的强度，最终生产的不锈钢的屈服强度≥880MPa，抗拉强度≥1050MPa，延伸率≥30%，冲击功≥50J，本发明的不锈钢可满足后续生活器具的成型，便于大规模工业生产。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种高强韧含铜不锈钢及其生产工艺，生产的不锈钢的屈服强度≥880MPa，抗拉强度≥1050MPa，延伸率≥30%，冲击功≥50J，本发明的不锈钢可满足后续生活器具的成型，便于大规模工业生产；通过采用热轧、固溶、冷轧和退火的生产工艺，生产得到的不锈钢中马氏体和奥氏体并存，同时退火期间析出的纳米级富铜相可在不损害其塑性的基础上显著提高不锈钢的强度。
本发明高强韧含铜不锈钢的组成为（wt%）：C≤0.06，Si 0.3-1，Mn 0.5-1，Cr 17-20，Ni 5-7，Mo 0.5-1，Nb 0.08-0.15，Cu 2-3.5，余量为Fe和不可避免的杂质。
C：C元素可以通过形成间隙固溶体达到固溶强化的目的，从而提高钢的强度。然而在焊接或受热的条件下，C元素的存在会在晶界处析出Cr23C6，造成奥氏体晶界附近基体贫Cr，从而大大降低其耐晶间腐蚀性。因而需控制C元素在钢中的含量。
Si：硅元素的加入能够降低合金的层错能，促进孪晶的形成，从而改善合金的力学性能。硅是一种重要的耐蚀元素。硅的加入可显著提高钢的抗氧化性和耐高温腐蚀性，但含量过高对韧性不利，因此奥氏体钢中应控制其含量。
Mn：奥氏体的稳定元素，可降低材料的层错能提高材料的形变强化能力。Mn元素的加入可以使钢在后续冷加工过程中达到加工强化的效果。此外Mn与S具有较强的亲和力，易形成MnS从而降低S在钢中的有害作用。
Cr：Cr在不锈钢中起决定性作用，Cr是目前使钢钝化并赋予良好耐蚀性和不锈钢唯一有工业使用价值的元素。铬的加入能极大的提高材料的耐腐蚀性。
Ni：有利于钢韧性的提高。Ni为奥氏体稳定化元素，对强度和塑性的匹配有积极的作用。Ni含量越高，可保证不锈钢更强的奥氏体结构。但Ni元素是较贵的合金元素之一，降低Ni的含量可显著降低成本。
Mo：钼的加入和提高钝化效果，从而提高不锈钢的耐腐蚀性。但Mo是较强的铁素体形成元素，且易形成laves相、σ相等有害相，因此应加以控制。
Nb：铌的主要作用是细化钢的晶粒并提高钢的耐晶间腐蚀性。奥氏体不锈钢中铌的加入可细化晶粒并通过析出含铌第二相来起到沉淀强化的效果。当Nb超过0.15%时，会导致析出物的粗化而使性能恶化。因此，本发明将Nb的 含量控制在0.08-0.15%。
Cu: Cu的加入有利于提高钢的强度、耐磨性等，还可以提高材料的抗菌性能。此外，含Cu相的沉淀有利于提高生物医学应用所需的抗菌性能。但过量的铜易发生铜脆现象，恶化材料的加工性能，过低的Cu含量会减弱不锈钢的抗菌效果。因此综合考虑Cu含量百分比应控制在2%-3.5%之间，以确保在成型性、耐腐蚀性和抗菌性能之间存在平衡。
所述高强韧含铜不锈钢的生产工艺，包括如下步骤：
S0.冶炼
原料采用真空感应炉熔炼后浇铸得到铸锭，铸锭空冷至室温后进行冒口切除和表面扒皮；合金元素均以高纯度纯金属原料的形式加入；
S1.热轧
铸坯在1240-1270℃均匀化5-6h后立即热轧得到板材；开轧温度≥1150℃，终轧温度≥950℃；为了避免发生铜脆和表面产生微裂纹，单道次热轧压下量小于30%。总压下量保证在60%以上，以保证铸态组织的全部碎化；之所以控制热轧单道次在30%以下，是因为本发明合金具有较高的Cu含量，大的压下量易导致不锈钢铜脆、起皮、边裂等缺陷。同时压下量的控制可有效控制板坯温度和变形的均匀性。具体地，所述均匀化温度可以为例如但不限于1240℃、1250℃、1260℃、1270℃中的任意一者或者任意两者之间的范围；所述均匀化温度可以为例如但不限于5h、5h10min、5h20min、5h30min、5h40min、5h50min、6h中的任意一者或者任意两者之间的范围；所述开轧温度可以为例如但不限于1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃、1200℃中的任意一者或者任意两者之间的范围；所述终轧温度可以为例如但不限于950℃、960℃、970℃、980℃、990℃、1000℃中的任意一者或者任意两者之间的范围；所述单道次热轧压下量可以为例如但不限于25%、20%、15%、10%中的任意一者或者任意两者之间的范围；所述总压下量可以为例如但不限于60%、62%、65%中的任意一者或者任意两者之间的范围。
S2.固溶
板材进行固溶处理，固溶处理的温度为1050-1100℃，保温时间为0.5-2h，保温结束后立即油冷或水冷，随后去除表面氧化皮；具体地，所述固溶处理的温度可以为例如但不限于1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1100℃中的任意一者或者任意两者之间的范围；保温时间可以为例如但不限于0.5h、1h、1.5h、2h中的任意一者或者任意两者之间的范围。
S3.冷轧
固溶处理后的板材进行5-8道次冷轧得到冷轧板，冷轧总压下量为65-75%；具体地，所述冷轧总压下量可以为例如但不限于65%、68%、70%、72%、75%中的任意一者或者任意两者之间的范围；
S4.退火
冷轧板进行退火，随后空冷至室温；退火温度为600-650℃，退火时间为10-180min。在有效消除冷轧后残余应力的基础上，进一步细化了晶粒，促进纳米级富铜相的析出。该工艺下保证不锈钢同时具有马氏体和奥氏体两种相，可在不损害延伸率的基础上提高强度。且结合本发明较高Cu含量及该退火工艺下具体有优异的析出动力学，可析出纳米级沉淀从而达到较优的析出强化效应和抗菌效果。具体地，所述退火温度可以为例如但不限于600℃、610℃、620℃、630℃、640℃、650℃中的任意一者或者任意两者之间的范围；所述退火时间可以为例如但不限于10min、30min、60min、90min、120min、150min、180min中的任意一者或者任意两者之间的范围。
与现有的奥氏体不锈钢相比，本发明降低了贵重元素Ni的含量，且通过采用热轧、固溶、冷轧和退火的生产工艺，生产得到的不锈钢中马氏体和奥氏体并存，同时纳米级析出相的强化可在不损害其塑性的基础上显著提高不锈钢的强度。
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
根据本发明的不锈钢成分范围使用25kg真空感应熔炼炉冶炼了三炉本发明的不同含量的不锈钢（编号为A、B、C），熔炼后的钢水浇注成方锭，采用手持式光谱仪测得其化学成分如表1所示。
表1 不锈钢化学组成（wt%）
Figure DEST_PATH_IMAGE001
针对本发明不同组成的不锈钢（编号为A、B、C），分别采用如下工艺生产，具体生产工艺见表2：
表2 各实施例工艺参数
Figure 508694DEST_PATH_IMAGE002
根据GB/T228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》和GB/T229-2020标准《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》的规定分别制备出标准拉伸试样和室温冲击试样，然后进行室温力学检测。所测得各实施例的屈服强度、抗拉强度、延伸率和冲击功分别如表3所示。
表3 各实施例性能
Figure DEST_PATH_IMAGE003
从各实施例可以看出，与现有的奥氏体不锈钢相比，本发明降低了贵重元素Ni的含量，且通过采用热轧、固溶、冷轧和退火的生产工艺，生产得到的不锈钢中马氏体和奥氏体并存，同时纳米级析出相的强化可在不损害其塑性的基础上显著提高不锈钢的强度，最终生产的不锈钢的屈服强度≥880MPa，抗拉强度≥1050MPa，延伸率≥30%，冲击功≥50J，本发明的不锈钢可满足后续生活器具的成型，便于大规模工业生产。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种高强韧含铜不锈钢的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1.热轧
铸坯在1240-1270℃均匀化5-6h后立即热轧得到板材；单道次热轧压下量＜30%，总压下量保证在60%以上；
S2.固溶
板材进行固溶处理，固溶处理的温度为1080-1100℃，保温时间为0.5-2h，保温结束后立即冷却，随后去除表面氧化皮；
S3.冷轧
固溶处理后的板材进行多道次冷轧得到冷轧板，冷轧总压下量为65-75%；
S4.退火
冷轧板进行退火，随后空冷至室温；退火温度为600-650℃，退火时间为120-180min；
所述不锈钢，按重量百分比计，其组成为：C≤0.06，Si 0.3-1，Mn 0.5-1，Cr 17-20，Ni5-6.5，Mo 0.5-1，Nb 0.08-0.15，Cu 2-3.5，余量为Fe和不可避免的杂质；所述不锈钢的屈服强度≥880MPa，抗拉强度≥1050MPa，延伸率≥30%，冲击功≥50J。
2.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述步骤S1之前，还包括：S0.冶炼
原料采用真空感应炉熔炼后浇铸得到铸锭，铸锭空冷至室温后进行冒口切除和表面扒皮。
3.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于，所述步骤S1中，开轧温度≥1150℃，终轧温度≥950℃。
4.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于，所述步骤S2中，所述冷却采用油冷或水冷。
5.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于，所述步骤S3中，进行5-8道次冷轧。
6.一种高强韧含铜不锈钢，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的生产工艺生产得到。
7.根据权利要求6所述的不锈钢，其特征在于，所述不锈钢的屈服强度≥880MPa，抗拉强度≥1050MPa，延伸率≥30%，冲击功≥50J。
8.根据权利要求6所述的不锈钢，其特征在于，按重量百分比计，其组成为：C≤0.06，Si0.3-1，Mn 0.5-1，Cr 17-20，Ni 5-6.5，Mo 0.5-1，Nb 0.08-0.15， Cu 2-3.5，余量为Fe和不可避免的杂质。
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