CN116287974A - 一种耐酸性均匀腐蚀优良的奥氏体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及不锈钢技术领域，一种耐酸性均匀腐蚀的奥氏体不锈钢，重量百分含量计的化学成分为：C：≤0.03％，Si：≤0.5％，Mn：1.0％~1.4％，P：≤0.04％，S：≤0.008％，Cr：18~19％，Ni：8~8.3％，N：0.025~0.05%，Cu：0.3~0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供了该不锈钢的制造方法，包括：冶炼→板坯连铸→热连轧→热线酸洗→冷轧→退火酸洗→检验包装入库。通过控制不锈钢的成分及生产工艺，在不明显增加生产成本的前提下，使其在酸性溶液中表现出极低的均匀腐蚀速率，甚至较现有技术中的同类奥氏体不锈钢降低95%以上，大幅提升了不锈钢的耐酸性均匀腐蚀性能，从而满足特定酸性溶液环境中的服役需求。

Description

一种耐酸性均匀腐蚀优良的奥氏体不锈钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及不锈钢技术领域，特别涉及一种耐酸性均匀腐蚀优良的奥氏体不锈钢及其制造方法。
背景技术
奥氏体不锈钢因其良好的力学性能和经济性而成为应用最为广泛的不锈钢。它广泛地用于餐具、汽车、医疗器具、建筑等行业，涉及国计民生的方方面面。
不锈钢的均匀腐蚀是指其接触腐蚀介质的整个表面发生腐蚀而导致均匀减薄的现象。奥氏体不锈钢在使用过程中，尤其是接触酸性溶液（如管道酸洗清理、发酵液储存）时，经常有均匀腐蚀失效案例；不锈钢在新的领域推广应用时，耐酸性均匀腐蚀性能是不锈钢耐蚀性的重要性能指标之一，也是设计部门最为关注的参数之一。但奥氏体不锈钢耐酸性均匀腐蚀性能一般，限制了其在许多行业的推广和应用。
现阶段针对上述耐酸性均匀腐蚀问题采取的主要应对方法有三种，一是选用更高耐蚀级别的不锈钢，但这必然导致合金成本和建造成本的增加；二是采用厚规格材料以提供足够的腐蚀余量，但这会导致部件的增重以及成本的增加；三是在钢板表面涂覆耐蚀性涂料，但这种方法也存在成本高、工期长、工序多、需额外的定期维护的问题。上述方法均有成本显著增加的问题，不利于不锈钢材料的推广和使用。
因此，急需研制一种耐均匀腐蚀性能优良的奥氏体不锈钢，使其在不明显增加成本的基础上能够满足服役条件的需求。
本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种耐酸性均匀腐蚀性能优良的奥氏体不锈钢及其制造方法，在不明显增加成本的基础上显著提升其耐酸性均匀腐蚀性能，使其能够满足酸性环境服役的特定要求。
发明内容
本发明的目的就是针对上述问题，提供一种耐酸性均匀腐蚀优良的奥氏体不锈钢及其制造方法。
本发明的目的是这样实现的：一种耐酸性均匀腐蚀优良的奥氏体不锈钢及其制造方法，耐酸性均匀腐蚀优良的奥氏体不锈钢的化学成分重量百分含量为：C：≤0.03％，Si：≤0 .5％，Mn：1.0％~1.4％，P：≤0.04％，S：≤0.008％，Cr：18~19％，Ni：8~8.3％，N：0.025~0.05%，Cu：0.3~0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。
一种耐酸性均匀腐蚀优良的奥氏体不锈钢及其制造方法，包括以下步骤：步骤一：通过电炉→AOD冶炼→LF精炼制备上述化学成分的钢液，随后通过板坯连铸和热连轧，得到热轧钢卷；步骤二：不锈钢热轧卷经破麟、抛丸后进行酸洗处理，热线酸洗采用硫酸酸洗+混酸酸洗的方式；硫酸酸洗采用硫酸浓度为250-280g/l，酸温控制为70-90℃；混酸酸洗采用硝酸+氢氟酸，硝酸浓度控制为120-150g/l，氢氟酸浓度控制为15-35g/l，酸温控制为40-50℃；步骤三：冷轧轧制成0.5-2.0mm厚的卷板，随后在1120-1140℃进行退火处理，退火后的冷轧板经中性盐电解+混酸酸洗的方式去除表面氧化皮，中性盐电解采用10-15%的硫酸钠溶液，电解电流密度为10-15A/dm2，温度80-85℃；混酸酸洗采用硝酸+氢氟酸，硝酸浓度控制为120-140g/l，氢氟酸浓度控制为10-20g/l，酸温控制为40-50℃；步骤四：不锈钢卷经清洗、烘干、平整机组后检验包装入库。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种耐酸性均匀腐蚀优良的奥氏体不锈钢及其制造方法。通过控制不锈钢的成分及生产工艺，在不明显增加生产成本且不影响其加工性的前提下，大幅提升了不锈钢的耐酸性均匀腐蚀性能，使其满足特定酸性溶液环境中的服役需求。
由本发明的不锈钢制成的不锈钢冷轧板，按照GB 4334.6 - 2015 《不锈钢5%硫酸腐蚀试验方法》方法进行奥氏体不锈钢的均匀腐蚀速率检测，结果显示，其均匀腐蚀速率可低至9.5 g/(m2·h)，相对于现有技术中的同类钢板，腐蚀速率可显著降低，甚至可降低95%以上。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1是典型奥氏体不锈钢（原始态）经均匀腐蚀试验后的样品形貌图（a.4#）。
图2是典型奥氏体不锈钢（原始态）经均匀腐蚀试验后的样品形貌图（b.9#）。
图 3是典型奥氏体不锈钢（打磨态）经均匀腐蚀试验后的样品形貌图（a.4#）。
图 4是典型奥氏体不锈钢（打磨态）经均匀腐蚀试验后的样品形貌图（b.9#）。
图5是典型奥氏体不锈钢在5%硫酸溶液中的Tafel曲线（a）。
图6是典型奥氏体不锈钢在5%硫酸溶液中的Tafel曲线对应的Evens图（b）。
具体实施方式
本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：设计一种耐酸性均匀腐蚀性能优良的奥氏体不锈钢，其化学成分（重量百分含量）为：C：≤0.03％，Si：≤0 .5％，Mn：1.0％~1.4％，P：≤0.04％，S：≤0.008％，Cr：18~19％，Ni：8~8.3％，N：0.025~0.05%，Cu：0.3~0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。
在上述化学成分中，C在奥氏体不锈钢中是强奥氏体形成元素，通过固溶强化可显著提高其强度。但C含量过高会显著降低不锈钢的耐蚀性能，包括点蚀和晶间腐蚀。因此C元素的含量应不大于0.03%。优选地，C：0.01%~0.02%。
Si元素在不锈钢中常作为脱氧元素添加，但Si元素会促进钢中的铁素体和金属间相(如σ相)的形成，从而影响钢的性能。因此本发明中的Si元素控制在≤0.5％。优选地，Si：0.4%~0.5%。
Mn是一种奥氏体形成和稳定元素，一定程度上可替代镍。但Mn对不锈钢的耐蚀性的影响基本都是负面的，原因在于Mn和S形成的MnS夹杂极易在腐蚀环境下溶解和脱落，成为点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等的源头。因此，本发明中的Mn：1.0％~1.4％。优选地，Mn：1.0％~1.1％。
P、S等杂质元素在奥氏体中的溶解度低，随着凝固的进行在钢液中逐渐富集，最后偏聚在奥氏体柱状晶晶界，降低奥氏体不锈钢晶界的结合力，降低其热加工性能。不锈钢钢中的P、S元素分别控制为不大于0.04和0.008。
Cr在不锈钢表面可迅速形成含Cr2O3的钝化膜，从而保证了其在使用环境中的耐蚀性。本发明属于中铬级别不锈钢，铬含量保持在18%~19%。
Ni是主要的奥氏体化元素，其主要作用是形成并稳定奥氏体，使不锈钢获得良好的强度、塑性和韧性。但镍是贵重金属材料，其储量有限，并且使用量日益增大，使其价格不断上升。本发明中Ni含量保持在8~8.3％。
Cu可以增加奥氏体不锈钢的延展性和抗裂纹性，并且本发明发现，奥氏体不锈钢中的添加适量Cu元素可以显著降低其在酸性溶液中的腐蚀速率。因此，本发明中Cu：0.3~0.5％。优选地，Cu：0.35%~0.5%。
一种耐酸性均匀腐蚀性能优良的奥氏体不锈钢，化学成分（重量百分含量）为：C：≤0.03％，Si：≤0.5％，Mn：1.0％~1.4％，P：≤0.04％，S：≤0.008％，Cr：18~19％，Ni：8~8.3％，N：0.025~0.05%，Cu：0.3~0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。具体的：C：0.01%~0.02％，Si：0.4%~0.5％，Mn：1.0％~1.1％，P：≤0.04％，S：≤0.008％，Cr：18~19％，Ni：8~8.3％，N：0.025~0.05%，Cu：0.35~0.5％。
本发明提供一种耐酸性均匀腐蚀性能优良的奥氏体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：冶炼→板坯连铸→热连轧→热线酸洗→冷轧→退火酸洗→检验包装入库。通过控制不锈钢的成分及生产工艺，在不明显增加生产成本的前提下，使其在酸性溶液中表现出极低的均匀腐蚀速率，甚至较现有技术中的同类奥氏体不锈钢降低95%以上，大幅提升了不锈钢的耐酸性均匀腐蚀性能，从而满足特定酸性溶液环境中的服役需求。具体步骤如下：1.通过电炉→AOD冶炼→LF精炼制备上述化学成分的钢液，随后通过板坯连铸和热连轧，得到热轧钢卷。2.不锈钢热轧卷经破麟、抛丸后进行酸洗处理，热线酸洗采用硫酸酸洗+混酸酸洗的方式。其中，硫酸酸洗采用硫酸浓度为250-280g/l，酸温控制为70-90℃；混酸酸洗采用硝酸+氢氟酸，硝酸浓度控制为120-150g/l，氢氟酸浓度控制为15-35g/l，酸温控制为40-50℃。3.冷轧轧制成0.5-2.0mm厚的卷板，随后在1120-1140℃进行退火处理。退火后的冷轧板经中性盐电解+混酸酸洗的方式去除表面氧化皮。中性盐电解采用10-15%（质量分数）的硫酸钠溶液，电解电流密度为10-15A/dm2，温度80-85℃；混酸酸洗采用硝酸+氢氟酸，硝酸浓度控制为120-140g/l，氢氟酸浓度控制为10-20g/l，酸温控制为40-50℃。4.不锈钢卷经清洗、烘干、平整机组后检验包装入库。
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
表1示出根据本发明的奥氏体不锈钢的7个对比例及5个实施例的化学成分。同时列出了12种试验钢各自的均匀腐蚀速率测试结果。
步骤一：通过电炉→AOD冶炼→LF精炼制备具有表1所示化学成分的奥氏体不锈钢，包括对比例1至7以及根据本发明的实施例8至12。
步骤二：通过板坯连铸和热连轧，得到热轧钢卷。
步骤三：不锈钢热轧卷经破麟、抛丸后进行酸洗处理，酸洗采用硫酸酸洗+混酸酸洗的方式。其中，硫酸酸洗采用硫酸浓度为250g/l，酸温控制为80℃；混酸酸洗采用硝酸+氢氟酸，硝酸浓度控制为140g/l，氢氟酸浓度控制为20g/l，酸温控制为45℃。
步骤四：冷轧轧制成1.5mm厚的卷板，随后在1120℃进行退火处理。退火后的冷轧板经中性盐电解+混酸酸洗的方式去除表面氧化皮。中性盐电解采用15%（质量分数）的硫酸钠溶液，电解电流密度为15A/dm2，温度85℃；混酸酸洗采用硝酸+氢氟酸，硝酸浓度控制为140g/l，氢氟酸浓度控制为15g/l，酸温控制为50℃。
步骤五：不锈钢卷经清洗、烘干、平整机组后制备成不锈钢冷轧板成品。
步骤六：线切割制备20×30mm的腐蚀浸泡样品，利用水磨砂纸打磨样品四周以消除线切割影响区。分别制备原始2B表面样品和打磨至2000#砂纸样品，按照GB 4334.6 -2015 《不锈钢5%硫酸腐蚀试验方法》方法进行奥氏体不锈钢的均匀腐蚀速率检测，检测结果如表1所示，浸泡后的样品表面形貌如图1、2、3、4所示。
步骤七：线切割制备10×10mm的电化学测试样品，利用水磨砂纸打磨样品四周以消除线切割影响区。在试样非工作面焊接铜导线后，浇筑环氧树脂硬化成型；将试样工作面采用 2000#砂纸打磨后作为电化学测试中的工作电极。电化学实验均采用三电极测量体系。其中，不锈钢试样为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，文中所有电位是相对于SCE而言。
选用浓硫酸和去离子水配置5%（质量分数）的硫酸溶液，实验温度采用恒温水浴锅控制为30℃，测试时首先将工作电极在开路电位（OCP）下稳定10 min，以形成稳定的测试体系，然后进行动电位极化测量。动电位极化曲线（Tafel曲线）的电位扫描范围为±300mV（vs. OCP），扫描速率为20mV/min。Tafel曲线及其对应的Evens图如图5和6所示。
Figure 645317DEST_PATH_IMAGE001
实施例中的奥氏体不锈钢样品均匀腐蚀速率为9.5~44.5 g/(m2·h)，对比例中的奥氏体不锈钢样品均匀腐蚀速率为138.0~224.3 g/(m2·h)，相对于现有技术中的同类钢板，腐蚀速率可显著降低，甚至可降低95%以上。说明经合金成分调整后的奥氏体不锈钢耐酸性均匀腐蚀性能得到了显著提升。均匀腐蚀浸泡后的样品形貌同样表明，实施例中的奥氏体不锈钢样品腐蚀程度远低于对比例样品。
Tafel曲线和Evens图表明，实施例中的奥氏体不锈钢样品的阴阳极交换电流密度明显低于对比例，从而显著降低了其均匀腐蚀速率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明所保护范围的结构特征并不限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (2)

1.一种耐酸性均匀腐蚀优良的奥氏体不锈钢及其制造方法，其特征在于：耐酸性均匀腐蚀优良的奥氏体不锈钢的化学成分重量百分含量为：C：≤0.03％，Si：≤0 .5％，Mn：1.0％~1.4％，P：≤0.04％，S：≤0.008％，Cr：18~19％，Ni：8~8.3％，N：0.025~0.05%，Cu：0.3~0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种耐酸性均匀腐蚀优良的奥氏体不锈钢及其制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：通过电炉→AOD冶炼→LF精炼制备上述化学成分的钢液，随后通过板坯连铸和热连轧，得到热轧钢卷；
步骤二：不锈钢热轧卷经破麟、抛丸后进行酸洗处理，热线酸洗采用硫酸酸洗+混酸酸洗的方式；硫酸酸洗采用硫酸浓度为250-280g/l，酸温控制为70-90℃；混酸酸洗采用硝酸+氢氟酸，硝酸浓度控制为120-150g/l，氢氟酸浓度控制为15-35g/l，酸温控制为40-50℃；
步骤三：冷轧轧制成0.5-2.0mm厚的卷板，随后在1120-1140℃进行退火处理，退火后的冷轧板经中性盐电解+混酸酸洗的方式去除表面氧化皮，中性盐电解采用10-15%的硫酸钠溶液，电解电流密度为10-15A/dm2，温度80-85℃；混酸酸洗采用硝酸+氢氟酸，硝酸浓度控制为120-140g/l，氢氟酸浓度控制为10-20g/l，酸温控制为40-50℃；
步骤四：不锈钢卷经清洗、烘干、平整机组后检验包装入库。
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