CN117026068B - 一种熔模精密铸造铁素体不锈钢及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料铸造技术领域，涉及一种熔模精密铸造铁素体不锈钢及其制备方法和应用，在熔模铸造时进行机械振动得到铸态熔模精密铁素体不锈钢；对铸态熔模精密铁素体不锈钢进行回火处理得到性能良好的熔模精密铁素体不锈钢，所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的组织由铁素体和钛铌析出物组成，其晶粒为等轴状，晶粒平均尺寸为0.65~0.78mm，抗拉强度为470~510MPa，硬度为170~178HV，延伸率为15~25%，能够满足家电领域和能源工业领域用钢的发展趋势的要求。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料铸造技术领域，具体为一种熔模精密铸造铁素体不锈钢及其制备方法和应用。
背景技术
我国生产不锈钢所需的镍资源相对短缺，为了有效缓解国内镍资源紧张的局面，降低企业生产成本，不含镍或少含镍的节约型铁素体不锈钢得到很多关注。铁素体不锈钢具有热导率高、热膨胀系数低、耐应力腐蚀和抗高温氧化等优点，已经广泛应用在家用电器、汽车部件、建筑工业、五金制品和化工设备等领域。目前，国内外的常用铁素体不锈钢是通过轧制和锻造工艺制造的，但是铁素体不锈钢在轧制、深冲等加工过程中容易出现起皱甚至裂纹等缺陷。为了降低铁素体不锈钢在轧制和锻压工艺中的生产成本和机加工切削量，并提高出品率，可以采用近净成形的熔模精密铸造工艺生产此类铁素体不锈钢。但是，熔模精密铸造工艺是热型浇铸，铸件的晶粒尺寸较大。若出现粗大的柱状晶，由于柱状晶呈各向异性，当冲击载荷垂直于柱状晶时，铸件在使用过程中会过早的断裂，韧性较差。若出现粗大的等轴晶，在外力作用下塑性变形不能分散到更多的晶粒内进行，晶粒越粗大，晶界面积越小，越利于裂纹扩展，进而降低铸件的韧性和强度。
发明内容
为解决熔模精密铸件晶粒尺寸较大的问题，本发明的主要目的是提出一种熔模精密铸造铁素体不锈钢及其制备方法和应用。
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：
一种熔模精密铸造铁素体不锈钢的制备方法，所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的组织由铁素体和钛铌析出物组成；包括如下步骤：
S1.进行熔模铸造，在浇铸过程中进行机械振动，得到铸态熔模精密铁素体不锈钢；熔模铸造浇铸温度为1570~1585℃，模壳温度为1100~1120℃；机械振动的具体工艺参数为：振动频率为5~50Hz，振动幅度为1~4mm，振动时间为3~5min。
S2.对铸态熔模精密铁素体不锈钢进行回火处理得到性能良好的熔模精密铁素体不锈钢，回火温度为830~860℃，回火时间为1.5~3.0h。
作为本发明所述的一种熔模精密铸造铁素体不锈钢的制备方法的优选方案，其中：所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的钛、铌元素含量，按重量百分比计，Ti为0.10~0.20wt.%，Nb为0.40~0.55 wt.%。
作为本发明所述的一种熔模精密铸造铁素体不锈钢的制备方法的优选方案，其中：所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的化学成分按重量百分比计，包括：C≤0.03 wt.%，Si≤1.00 wt.%，Mn≤1.00 wt.%，Cr 17.50~18.50 wt.%，Ti 0.10~0.20 wt.%，Nb 0.40~0.55wt.%，余量为Fe和不可避免的杂质。
作为本发明所述的一种熔模精密铸造铁素体不锈钢的制备方法的优选方案，其中：所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的晶粒为等轴状，晶粒平均尺寸为0.65~0.78mm。
作为本发明所述的一种熔模精密铸造铁素体不锈钢的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，机械振动采用铸型垂直振动工艺。
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：一种熔模精密铸造铁素体不锈钢，采用上述熔模精密铸造铁素体不锈钢的制备方法制备得到。
作为本发明所述的一种熔模精密铸造铁素体不锈钢的优选方案，其中：所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的抗拉强度为470~510MPa。
作为本发明所述的一种熔模精密铸造铁素体不锈钢的优选方案，其中：所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的硬度为170~178HV。
作为本发明所述的一种熔模精密铸造铁素体不锈钢的优选方案，其中：所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的延伸率为15~25%。
一种上述的熔模精密铸造铁素体不锈钢在家电、能源工业领域的应用。
本发明的有益效果如下：本发明提出一种熔模精密铸造铁素体不锈钢及其制备方法和应用，在熔模铸造时进行机械振动得到铸态熔模精密铁素体不锈钢；对铸态熔模精密铁素体不锈钢进行回火处理得到性能良好的熔模精密铁素体不锈钢，所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的组织由铁素体和钛铌析出物组成，其晶粒为等轴状，晶粒平均尺寸为0.65~0.78mm，抗拉强度为470~510MPa，硬度为170~178HV，延伸率为15~25%，能够满足家电领域和能源工业领域用钢的发展趋势的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明熔模精密铸造铁素体不锈钢TEM图。
图2为本发明实施例1的熔模精密铸造铁素体不锈钢的OM图。
图3为本发明实施例1的熔模精密铸造铁素体不锈钢的LSCM图。
图4为本发明对比例1的不锈钢的OM图。
图5为本发明对比例1的不锈钢的LSCM图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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。
本发明的主要目的是提出一种熔模精密铸造铁素体不锈钢及其制备方法和应用，采用熔模精密铸造工艺制备铁素体不锈钢时，可采用化学添加法和振动法改善凝固组织。
化学添加法包括添加细化剂（也称孕育剂）和添加变质剂两种方法。添加细化剂是通过增加外来晶核使晶粒细化；添加变质剂是通过加入变质剂合金来实现晶粒细化。化学晶粒细化法基本不改变金属或合金的化学成分，能够保证金属或合金液在凝固前，熔体中已经存在大量的形核质点，这些形核质点均匀分散在熔体中使形核率大大提高，从而达到细化晶粒的目的。该法效果稳定、作用快、操作方便、适应性强，是目前最普遍的细化方法。钛、铌元素能显著提高铁素体不锈钢的等轴晶比例。加钛后形成的TiN和TiC颗粒熔点很高，十分稳定，有效地抑制了晶界迁移和晶粒相互吞并的长大过程，并在凝固开始前稳定的存在于钢液中，可以作为非均匀形核的核心，促进等轴晶的增长。加铌后，由于固溶的铌对晶界的拖曳作用和析出物Nb(C,N)的钉扎作用，抑制了晶粒的长大粗化，保持了细晶粒组织。
振动法是在金属液凝固过程中对铸型施加一定频率和振幅的振动，借助液相和固相间的相对运动来破碎枝晶，增加液相内的结晶核心，从而细化晶粒。在机械振动中，常见的是将金属液和铸型一起放在振动台上振动，使铸型与待凝固合金同时受激振动。在浇铸及凝固过程中施加合理的振动工艺，不仅可以有效地减少铸件气孔，降低裂纹、缩孔、缩松倾向，改善铸件品质，而且改善了系统的热传导能力，使柱状晶生长方向性减弱，等轴晶提前出现，晶粒得以细化。
振动频率和振动幅度都会影响金属液的对流，可以用振动加速度来定义机械振动的强度，振动加速度用公式（1）表示：
a = 0.002 ×× d × g (1)
式中：a为振动加速度（m/s2）；f为振动频率（Hz）；d为振动幅度（mm，峰-峰值）；g为重力加速度（9.8m/s2）。
本发明中机械振动加速度值为0~20g，任意组合的振动频率和振动幅度均满足条件0＜a≤20g。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：一种熔模精密铸造铁素体不锈钢的制备方法，所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的组织由铁素体和钛铌析出物组成（如图1所示）；所述制备方法包括如下步骤：
S1.进行熔模铸造，在浇铸过程中进行机械振动，得到铸态熔模精密铁素体不锈钢；熔模铸造浇铸温度为1570~1585℃，模壳温度为1100~1120℃；机械振动的具体工艺参数为：振动频率为5~50Hz，振动幅度为1~4mm，振动时间为3~5min。
S2.对铸态熔模精密铁素体不锈钢进行回火处理得到性能良好的熔模精密铁素体不锈钢，回火温度为830~860℃，回火时间为1.5~3.0h。
优选的，所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的化学成分按重量百分比计，包括：C ≤0.03 wt.%，Si ≤1.00 wt.%，Mn ≤1.00 wt.%，Cr 17.50~18.50 wt.%，Ti 0.10~0.20wt.%，Nb 0.40~0.55 wt.%，余量为Fe和不可避免的杂质。具体的，熔模精密铸造铁素体不锈钢的Ti含量可以为0.10wt.%、0.11 wt.%、0.12 wt.%、0.13 wt.%、0.14 wt.%、0.15 wt.%、0.16 wt.%、0.17 wt.%、0.18 wt.%、0.19 wt.%、0.20 wt.%中的任意一者或任意两者之间的范围；Nb含量可以为0.40 wt.%、0.41 wt.%、0.42 wt.%、0.43 wt.%、0.44 wt.%、0.45 wt.%、0.46 wt.%、0.47 wt.%、0.48 wt.%、0.49 wt.%、0.50 wt.%、0.50 wt.%、0.51 wt.%、0.52wt.%、0.53 wt.%、0.54wt.%、0.55 wt.%中的任意一者或任意两者之间的范围；Cr含量可以为17.50 wt.%、17.60 wt.%、17.70 wt.%、17.80 wt.%、17.90 wt.%、18.00 wt.%、18.10wt.%、18.20 wt.%、18.30 wt.%、18.40 wt.%、18.50 wt.%中的任意一者或任意两者之间的范围。
优选的，所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的晶粒为等轴状，晶粒平均尺寸为0.65~0.78mm。具体的，晶粒平均尺寸可以为0.65mm、0.66mm、0.67mm、0.68mm、0.69mm、0.70mm、0.71mm、0.72mm、0.73mm、0.74mm、0.75mm、0.76mm、0.77mm、0.78mm中的任意一者或任意两者之间的范围。
具体的，熔模铸造浇铸温度可以为1570℃、1575℃、1580℃、1585℃中的任意一者或任意两者之间的范围；模壳温度可以为1100℃、1105℃、1110℃、1115℃、1120℃中的任意一者或任意两者之间的范围。
优选的，所述步骤S1中，机械振动采用铸型垂直振动工艺。振动频率可以为5Hz、10Hz、15Hz、20Hz、25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz、50Hz中的任意一者或任意两者之间的范围；振动幅度可以为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm中的任意一者或任意两者之间的范围；振动时间可以为3.0min、3.5min、4.0min、4.5min、5.0min中的任意一者或任意两者之间的范围。
具体的，所述步骤S2中，回火温度可以为830℃、835℃、840℃、845℃、850℃、855℃、860℃中的任意一者或任意两者之间的范围，回火时间可以为1.5h、2.0h、2.5h、3.0h中的任意一者或任意两者之间的范围。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：一种熔模精密铸造铁素体不锈钢，采用上述熔模精密铸造铁素体不锈钢的制备方法制备得到，所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的抗拉强度为470~510MPa，硬度为170~178HV，延伸率为15~25%。
一种上述的熔模精密铸造铁素体不锈钢在家电、能源工业领域的应用。
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
各实施例采用的熔模精密铸造铁素体不锈钢的化学成分如表1所示。
表1 各实施例熔模精密铸造铁素体不锈钢的化学成分（wt.%）
实施例1
本实施例提供一种熔模精密铸造铁素体不锈钢的制备方法，包括如下步骤：S1.进行熔模铸造，在浇铸过程中进行机械振动，得到铸态熔模精密铁素体不锈钢；浇铸温度为1572℃，模壳温度为1109℃；机械振动为铸型垂直振动，具体工艺参数为：振动频率为5Hz，振动幅度为4mm，振动时间为5.0min。
S2.对铸态熔模精密铁素体不锈钢进行回火处理得到性能良好的熔模精密铁素体不锈钢（OM图和LSCM图分别如图2、图3所示），回火温度为850℃，回火时间为2.0h。
本实施例制备的熔模精密铸造铁素体不锈钢由铁素体和钛铌析出物组成，晶粒平均尺寸为0.65mm，抗拉强度为509MPa，硬度为177HV，延伸率为23%。
实施例2
本实施例提供一种熔模精密铸造铁素体不锈钢的制备方法，包括如下步骤：S1.进行熔模铸造，在浇铸过程中进行机械振动，得到铸态熔模精密铁素体不锈钢；浇铸温度为1570℃，模壳温度为1120℃；机械振动为铸型垂直振动，具体工艺参数为：振动频率为10Hz，振动幅度为3mm，振动时间为4.5min。
S2.对铸态熔模精密铁素体不锈钢进行回火处理得到性能良好的熔模精密铁素体不锈钢，回火温度为830℃，回火时间为1.5h。
本实施例制备的熔模精密铸造铁素体不锈钢由铁素体和钛铌析出物组成，晶粒平均尺寸为0.68mm，抗拉强度为505MPa，硬度为174HV，延伸率为21%。
实施例3
本实施例提供一种熔模精密铸造铁素体不锈钢的制备方法，包括如下步骤：S1.进行熔模铸造，在浇铸过程中进行机械振动，得到铸态熔模精密铁素体不锈钢；浇铸温度为1578℃，模壳温度为1110℃；机械振动为铸型垂直振动，具体工艺参数为：振动频率为35Hz，振动幅度为3mm，振动时间为4.0min。
S2.对铸态熔模精密铁素体不锈钢进行回火处理得到性能良好的熔模精密铁素体不锈钢，回火温度为860℃，回火时间为3.0h。
本实施例制备的熔模精密铸造铁素体不锈钢由铁素体和钛铌析出物组成，晶粒平均尺寸为0.74mm，抗拉强度为484MPa，硬度为172HV，延伸率为20%。
实施例4
本实施例提供一种熔模精密铸造铁素体不锈钢的制备方法，包括如下步骤：S1.进行熔模铸造，在浇铸过程中进行机械振动，得到铸态熔模精密铁素体不锈钢；浇铸温度为1573℃，模壳温度为1100℃；机械振动为铸型垂直振动，具体工艺参数为：振动频率为50Hz，振动幅度为2mm，振动时间为4.0min。
S2.对铸态熔模精密铁素体不锈钢进行回火处理得到性能良好的熔模精密铁素体不锈钢，回火温度为850℃，回火时间为2.0h。
本实施例制备的熔模精密铸造铁素体不锈钢由铁素体和钛铌析出物组成，晶粒平均尺寸为0.73mm，抗拉强度为505MPa，硬度为176HV，延伸率为18%。
实施例5
本实施例提供一种熔模精密铸造铁素体不锈钢的制备方法，包括如下步骤：S1.进行熔模铸造，在浇铸过程中进行机械振动，得到铸态熔模精密铁素体不锈钢；浇铸温度为1585℃，模壳温度为1110℃；机械振动为铸型垂直振动，具体工艺参数为：振动频率为50Hz，振动幅度为1mm，振动时间为3.0min。
S2.对铸态熔模精密铁素体不锈钢进行回火处理得到性能良好的熔模精密铁素体不锈钢，回火温度为850℃，回火时间为2.0h。
本实施例制备的熔模精密铸造铁素体不锈钢由铁素体和钛铌析出物组成，晶粒平均尺寸为0.78mm，抗拉强度为473MPa，硬度为170HV，延伸率为16%。
对比例1
本对比例提供一种不锈钢的制备方法，其与实施例1的不同之处在于，熔模铸造工艺不同，浇铸温度为1589℃，模壳温度为1230℃。
本对比例制备得到的熔模精密铸造铁素体不锈钢的OM图和LSCM图分别如图4、图5所示。本对比例制备的不锈钢晶粒有部分柱状晶且等轴晶尺寸较大，晶粒平均尺寸为1.18mm，抗拉强度为457MPa，硬度为174HV，延伸率为23%。
对比例2
本对比例提供一种不锈钢的制备方法，其与实施例1的不同之处在于，熔模铸造工艺不同，浇铸温度为1594℃，模壳温度为1230℃；且不施加机械振动。
本对比例制备的不锈钢的晶粒平均尺寸为1.35mm，抗拉强度为448MPa，硬度为173HV，延伸率为19%。
对比例3
本对比例提供一种不锈钢的制备方法，其与实施例5的不同之处在于，不锈钢不含Ti，且熔模铸造工艺不同，浇铸温度为1591℃，模壳温度为1170℃。
本对比例制备的不锈钢的晶粒平均尺寸为1.43mm，抗拉强度为412MPa，硬度为165HV，延伸率为20%。
对比例4
本对比例提供一种不锈钢的制备方法，其与实施例1的不同之处在于，不锈钢不含Ti，熔模铸造工艺不同，浇铸温度为1588℃，模壳温度为1160℃；且不施加机械振动。
本对比例制备的不锈钢的晶粒平均尺寸为1.49mm，抗拉强度为390MPa，硬度为164HV，延伸率为22%。
对比例5
本对比例提供一种不锈钢的制备方法，其与实施例1的不同之处在于，不锈钢不含Ti和Nb；熔模铸造工艺不同，浇铸温度为1600℃，模壳温度为1211℃；且不施加机械振动。
本对比例制备的不锈钢的晶粒平均尺寸为1.56mm，抗拉强度为365MPa，硬度为165HV，延伸率为22%。
由本发明各实施例和对比例可以看出，本发明熔模精密铸造铁素体不锈钢显微组织均为铁素体和钛铌析出物，对比例1的不锈钢晶粒有部分柱状晶且等轴晶尺寸较大，实施例1的熔模精密铸造铁素体不锈钢的晶粒相对于对比例1的晶粒更细小，晶粒为等轴状。钢液中加入钛和铌之后，高温难熔的TiN便在温度较高的钢液中优先形成并稳定存在，而当钢液温度稍低时，NbC会在先析出的TiN上析出，形成(Ti,Nb)(C,N)析出物，促进铁素体中的异质形核。在未施加机械振动时，钢液在凝固过程中会形成粗大的铁素体枝晶，且这些枝晶会相互连结组成晶体骨架，所以铁素体晶粒往往达到1~2mm。如果在浇铸及凝固过程中对熔模精密铸造模壳施加垂直机械振动，会使生长过程中的铁素体枝晶臂产生弹性应力和应变，而此时形成的铁素体枝晶臂的强度和延展性都很低，因此，当振动产生的应力应变值超过此时铁素体晶体的临界强度时，这些枝晶臂就可能被折断，碎裂成小晶粒，增加了铁素体晶粒的数量。同时，钢液粘性会在流体层之间造成运动速度的差异，这种钢液内部的相对运动速度差异对铁素体枝晶臂产生冲刷作用，而机械振动的施加将加剧这种差异，对铁素体枝晶臂产生的冲刷作用更强烈，也有可能使得生长中的铁素体枝晶臂被剪切折断，折断的枝晶臂也增加了铁素体晶粒数量。熔模铸造工艺不合适（对比例1-5），不施加机械振动（对比例2、4、5）或者不进行合金化（对比例3、4、5），均无法获得本发明所述性能的熔模精密铸造铁素体不锈钢。
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 (3)
1.一种熔模精密铸造铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的化学成分按重量百分比计，包括：C≤0.03 wt.%，Si≤1.00 wt.%，Mn≤1.00wt.%，Cr 17.50~18.50 wt.%，Ti 0.10~0.20 wt.%，Nb 0.40~0.55 wt.%，余量为Fe和不可避免的杂质；所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的组织由铁素体和钛铌析出物组成，所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的晶粒为等轴状，晶粒平均尺寸为0.65~0.78mm；所述熔模精密铸造铁素体不锈钢的抗拉强度为470~510MPa，硬度为170~178HV，延伸率为15~25%；包括如下步骤：
S1.进行熔模铸造，在浇铸过程中进行机械振动，得到铸态熔模精密铁素体不锈钢；熔模铸造浇铸温度为1570~1585℃，模壳温度为1100~1120℃；机械振动采用铸型垂直振动工艺，机械振动的具体工艺参数为：振动频率为5~50Hz，振动幅度为1~4mm，振动时间为3~5min；
S2.对铸态熔模精密铁素体不锈钢进行回火处理得到性能良好的熔模精密铁素体不锈钢，回火温度为830~860℃，回火时间为1.5~3.0h。
2.一种熔模精密铸造铁素体不锈钢，其特征在于，采用权利要求1所述的熔模精密铸造铁素体不锈钢的制备方法制备得到。
3.一种权利要求2所述的熔模精密铸造铁素体不锈钢在家电、能源工业领域的应用。
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