CN117305700A - 一种高强度奥氏体-铁素体型不锈钢及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度奥氏体‑铁素体型不锈钢及其制备工艺，包括以下质量百分比组分：C≤0.03%，Si 0.38‑0.80%，Mn≤1.00%，P≤0.03%，S≤0.015%，Cr 24.0‑26.0%，Ni 6.5‑8.5%，Mo 3.0‑4.0%，W 0.50‑3.50%，N 0.24‑0.32%，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明将钢中Si含量控制在0.54%左右，以提高钢材的屈服强度；加入2.5%的铁素体形成及改性元素钨W，控制和平衡钢中的相比例，提升强度。采用“感应真空脱气炉冶炼+气氛保护电渣炉重熔”工艺，提高钢锭质量，为提高钢材强度奠定基础。

Description

一种高强度奥氏体-铁素体型不锈钢及其制备工艺
技术领域
本发明涉及奥氏体-铁素体不锈钢技术领域，具体涉及一种高强度奥氏体-铁素体型不锈钢及其制备工艺。
背景技术
双相不锈钢，指铁素体与奥氏体各约占50％。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。
O22Cr25Ni7Mo4N是奥氏体-铁素体型超级双相不锈钢，它是耐局部腐蚀最好的钢，特别是耐点蚀最好，并具有高轻度、耐氯化物应力腐蚀、可焊接的特点，适用于海洋、石化、炼油、真空制盐、烟气脱硫等腐蚀性环境恶劣的领域。
但O22Cr25Ni7Mo4N这种不锈钢主要的缺点是强度较低，固溶处理后其屈服强度在550MPa左右，抗拉强度在800MPa左右，难以满足日益提高的不锈钢强度需求。并且(1)冶炼过程Si元素的收得率不太稳定，要将钢中Si含量准确控制在0.54％左右具有一定难度；(2)冶炼过程W元素的收得率波动相对较大，且W元素熔点高、比重大，在钢液中难以快速熔化和均匀分布，要将钢中W含量准确、均匀控制在2.5％左右具有较大难度；(3)低温时效工艺的主要难点是将轴锻件的奥氏体、铁素体双相组织的比例分别稳定、准确控制在50％左右。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度奥氏体-铁素体型不锈钢及其制备工艺，以解决现有技术中O22Cr25Ni7Mo4N强度较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种高强度奥氏体-铁素体型不锈钢，包括以下质量百分比组分：C≤0.03％，Si 0.38-0.80％，Mn≤1.00％，P≤0.03％，S≤0.015％，Cr 24.0-26.0％，Ni6.5-8.5％，Mo 3.0-4.0％，W 0.50-3.50％，N 0.24-0.32％，其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步的，包括以下质量百分比组分：C≤0.025％，Si 0.55％，Mn 0.50％，P≤0.03％，S≤0.003％，Cr 24.5％，Ni 7％，Mo 3.2％，W 2.00％，N 0.28％，其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步的，所述高强度奥氏体-铁素体型不锈钢的抗拉强度≥839MPa，屈服强度≥632MPa，断后伸长率≥30％，硬度≤295HB。
一种高强度奥氏体-铁素体型不锈钢的制备工艺，包括以下步骤：
S1、根据奥氏体-铁素体型不锈钢组分准备原料；
S2、感应真空脱气炉冶炼：熔化、预脱氧、真空处理、终脱氧、浇注出钢；
S3、保护气氛电渣炉重熔：配制渣料、重熔、缓冷后脱模，得到电渣重熔锭；
S4、进行镦粗、拔长、摔圆锻造；
S6、进行热处理：固溶处理和时效处理；
S7、机械加工得到不锈钢成品。
进一步的，所述感应真空脱气炉冶炼具体为：
(1)炉料除氮化铬外一次装入；
(2)边熔化，边造渣，防止钢液祼露；
(3)扩散脱氧剂采用Al-CaO剂，边熔化边加入，每炉总用量40Kg左右；
(4)全熔，温度1610℃，喂铝线5m/t，取样全分析；
(5)取样后，扒渣，喂J-Ca线3m/t；
(6)抽真空，真空度≤100Pa，保持≥15分钟；
(7)破空后取样全分析，加J－Ce 1kg/t，喂J-Ca线3m/t，加入氮化铬，充入N2；
(8)出钢温度1600℃±10℃，出钢随钢流加入Ni-Mg1kg/t；
(9)镇静时间≥5min；浇注前模内充氩气。
进一步的，所述保护气氛电渣炉重熔具体为：
(1)电极切割帽口以后，用砂轮清理表面，除掉玻璃水及氧化层，再焊假电极；
(2)不锈钢车屑做引弧剂，须经≥500℃，2h烘烤，用本钢底垫，经≥500℃，2h烘烤；
(3)渣料：二元预熔渣115kg，MgO 5Kg；经≥700℃，6h烘烤，渣中加铝粉20g/t，冶炼过程中不加脱氧剂；
(4)起弧前充氮，30％流量，5分钟；
(5)化渣按基本化渣工艺；
(6)熔炼电流按对应结晶器工艺；
(7)充填≥60分钟，余尾留量≥80kg；
(8)冷却150分钟，罩冷≥24h，空冷。
进一步的，所述锻造具体为：
(1)电渣锭加热经850℃均温，均温时间大于1.5小时；
(2)电渣锭经过镦粗，镦粗比≥2.5；
(3)加热工艺：加热温度1160℃，开锻温度≥1050℃，停锻温度≥900℃；
(4)锤上加热温度1150℃；
(5)锻后空冷进行粗车。
进一步的，所述固溶处理为以升温速率80℃/h升温至600℃，并在此温度保温120min；以升温速率100℃/h升温至1050℃，并在此温度保温600min；然后水冷至400℃以下；然后空冷至常温。
进一步的，所述时效处理为以升温速率75-85℃/h升温至580±10℃，并在此温度保温900min；然后空冷至常温。
基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：
(1)本发明提供的奥氏体-铁素体型不锈钢，采用“感应真空脱气炉冶炼+气氛保护电渣炉重熔”工艺，提高钢锭质量，为提高钢材强度奠定基础；通过感应真空脱气炉采用氮气增氮，提高奥氏体的稳定性、平衡双相不锈钢中的相比例，提高强度。
(2)本发明提供的奥氏体-铁素体型不锈钢，将钢中Si含量控制在0.54％左右，以提高钢材的屈服强度；加入2.5％的铁素体形成及改性元素钨W，控制和平衡钢中的相比例，提升强度。
(3)本发明提供的奥氏体-铁素体型不锈钢，采用“高温固溶工艺+低温时效”热处理，通过固溶强化和时效强化进一步提高钢材的强度，热处理过程中缩短转移时间至10S以内，同时斜入或水平入水，以确保固溶效果良好。
(4)本发明提供的奥氏体-铁素体型不锈钢，有效提高了钢材强度，在大气温度和零下低温下都有较高的机械强度和良好的延展性，在海洋环境中良好的抗磨蚀、腐蚀和空蚀性，并且还可用于酸性介质工作环境中。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。
原料说明：
纯铁：采用的是江油市长祥特殊钢制造有限公司生产的纯铁；
FeCr：采用的是广汉力拓冶金炉料公司生产的FeCr55C25，含Cr56％；
Ni板：采用的是金川集团股份有限公司生产的Ni板，2#Ni；
J-Mo：采用金钼股份生产的金属钼；
J-NCr：采用中特合金公司生产的氮化铬；
J-W：采用厦门钨业生产的金属钨；
Fe-Si：采用广汉兴凯越公司生产的硅铁。
在实施例1-实施例2中制备高强度奥氏体-铁素体型不锈钢，其化学成份(以质量百分比计)如表1所示，其原料配料(按重量份计)如表2所示：
表1
表2
实施例1 实施例2
纯铁(kg) 520 530
0Cr13Ni8Mo2Al废钢(kg) 860 850
0Cr17废钢(kg) 1500 1500
0Cr17Ni12Mo2废钢(kg) 1450 1430
FeCr55C03(kg) 1842 1851
J－Mo(kg) 188 187
Ni板(kg) 269 271
NCr(kg) 242 240
J-W(kg) 160 158
Fe-Si(kg) 11 11
Mg-Ni(kg) 6 6
实施例1
①按化学成份的质量百分比进行配料，配得原料；
②感应真空脱气炉冶炼
B1、将步骤①中配得的原料加入感应真空脱气炉进行熔化，感应真空脱气炉冶炼熔化速率为40kg/min，同时加入石灰、萤石粉进行造渣，避免钢液裸露；
B2、在原料熔化的同时加入扩散脱氧剂；扩散脱氧剂在能看见熔池后加入，每30min加入5kg；
所述扩散脱氧剂为Al-CaO剂；其中，CaO与Al的重量比为80：20；所述扩散脱氧剂按6.6kg/t向钢液中加入；
B3、当熔炼炉内温度升温至1606℃，原料全熔成钢液后，取样全分析，并按实施例1的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢中的化学成份调配钢液中的化学成份；
B4、当取样全分析的结果达到表1中实施例1的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢中的化学成份后，进行扒渣；
B5、扒渣完成后，喂铝线、喂J-Ca线进行预脱氧；
喂入的铝线与钢液的质量比为0.9：1000；喂入的J-Ca线与钢液的质量比0.1-0.115:1000；
B6、待铝线和J-Ca线喂线完成后，关闭熔炼炉进行抽真空，使钢液在真空度≤100Pa、温度为1611℃进行真空处理20min；
B7、钢液真空处理完成后进行破空处理，破空处理后取样全分析；验证B3中化学成份调整的准确性，如钢液中的化学成份与实施例1的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢中的化学成份不符，则再次调整至与实施例1的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢中的化学成份相符；
B8、终脱氧：将钢液升温至1611℃，然后向钢液中加入铈，同时喂J-Ca线，并且在出钢前加入镍镁合金，终脱氧保证氧含量≦30ppm；
所述铈按1kg/t向钢液中加入；所述J-Ca线按0.105kg/t向钢液中加入；所述镍镁合金按1kg/t向钢液中加入；
B9、终脱氧后出钢，出钢温度控制在1610℃，出钢后通过钢锭模浇注法浇铸成电极棒，得到电渣重熔用的重熔电极棒；
浇铸前，出钢的钢液先进行镇静，镇静时间≥5min；且在浇注前，在钢锭模内先充入氩气，充入氩气的压力为0.2Mpa，时间为2min；
③电渣重熔获得钢锭；
C1、配置渣料：渣料各组分按重量份包括：二元预熔渣115份；氧化镁5份；铝粉0.3份；
C2、将渣料加热至熔融状态后倒入结晶器，将步骤②得到的重熔电极棒缓慢插入熔融状态下的渣料中，在起弧前充入氩气，起弧时控制电流为9000A，电压为41V，时间为60min；通电起弧进行重熔，重熔时控制电流为10200A，电压为39V，时间为150min；重熔后进行充填，充填时控制电流为9000A，电压为36V，时间为30min；
将重熔电极棒插入熔融状态下的渣料中前，将重熔电极切割帽口(钢液的冷却过程中会收缩，帽口是指为防止收缩产生孔洞而设置的集中缩孔区)后，对重熔电极棒进行烘烤，所述烘烤是在温度大于500℃烘烤2h；所述起弧前充入氩气，是向结晶器内充入氩气5min，比例阀开度为30％；所述电渣重熔获得钢锭时是通过不锈钢车屑引弧，用本钢种锯切的底垫(底垫为切帽口后，在电极上再切20-40mm的片)，经≥500℃，2h烘烤；
C3、电渣重熔充填后，将钢锭缓冷后脱模，得到电渣重熔锭；
所述钢锭缓冷为：先自然冷却150min，然后罩冷≥24h，最后空冷至≦50℃；
④锻造圆钢
D1、将步骤③得到的电渣重熔锭两端平头，切净底垫及缩孔；加热经850℃均温，均温时间大于1.5小时，加热温度1160℃；电渣重熔锭进行镦粗、拔长、摔圆锻造，锻造后进行空冷，得圆钢；
⑤圆钢粗车
将步骤④空冷后的圆钢两端平头，粗加工、探伤合格后送热处理；
⑥热处理
F1、固溶处理
以升温速率80℃/h升温至600℃，并在此温度保温120min；以升温速率100℃/h升温至1050℃，并在此温度保温600min；然后水冷至400℃以下；然后空冷至常温；
F2、时效处理
以升温速率75-85℃/h升温至580±10℃，并在此温度保温900min；然后空冷至常温。
⑦机械加工
采用卧式车床精车后即得不锈钢成品。
实施例2
①按化学成份的质量百分比进行配料，配得原料；
②感应真空脱气炉冶炼
B1、将步骤①中配得的原料加入感应真空脱气炉进行熔化，感应真空脱气炉冶炼熔化速率为40kg/min，同时加入石灰、萤石粉进行造渣，避免钢液裸露；
B2、在原料熔化的同时加入扩散脱氧剂；扩散脱氧剂在能看见熔池后加入，每25min加入4kg；
所述扩散脱氧剂为Al-CaO剂；其中，CaO与Al的重量比为80：20；所述扩散脱氧剂按6.4kg/t向钢液中加入；
B3、当熔炼炉内温度升温至1580℃，原料全熔成钢液后，取样全分析，并按实施例2的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢中的化学成份调配钢液中的化学成份；
B4、当取样全分析的结果达到实施例2的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢中的化学成份后，进行扒渣；
B5、扒渣完成后，喂铝线、喂J-Ca线进行预脱氧；
喂入的铝线与钢液的质量比为1：1000；喂入的J-Ca线与钢液的质量比0.1:1000；
B6、待铝线和J-Ca线喂线完成后，关闭熔炼炉进行抽真空，使钢液在真空度≤100Pa、温度为1580℃进行真空处理20min；
B7、钢液真空处理完成后进行破空处理，破空处理后取样全分析；验证B3中化学成份调整的准确性，如钢液中的化学成份与实施例2的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢中的化学成份不符，则再次调整至与实施例2的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢中的化学成份相符；
B8、终脱氧：将钢液升温至1600℃，然后向钢液中加入铈，同时喂J-Ca线，并且在出钢前加入镍镁合金，终脱氧保证氧含量≦30ppm；
所述铈按0.8kg/t向钢液中加入；所述J-Ca线按0.1kg/t向钢液中加入；所述镍镁合金按1.2kg/t向钢液中加入；
B9、终脱氧后出钢，出钢温度控制在1600℃，出钢后通过钢锭模浇注法浇铸成电极棒，得到电渣重熔用的重熔电极棒；
浇铸前，出钢的钢液先进行镇静，镇静时间≥5min；且在浇注前，在钢锭模内先充入氩气，充入氩气的压力为0.2Mpa，时间为2min；
③电渣重熔获得钢锭；
C1、配置渣料：渣料各组分按重量份包括：二元预熔渣110份；氧化镁6份；铝粉0.4份；
C2、将渣料加热至熔融状态后倒入结晶器，将步骤②得到的重熔电极棒缓慢插入熔融状态下的渣料中，在起弧前充入氩气，起弧时控制电流为10000A，电压为40V，时间为50min；通电起弧进行重熔，重熔时控制电流为10500A，电压为41V，时间为150min；重熔后进行充填，充填时控制电流为10000A，电压为37V，时间为20min；
将重熔电极棒插入熔融状态下的渣料中前，将重熔电极切割帽口(钢液的冷却过程中会收缩，帽口是指为防止收缩产生孔洞而设置的集中缩孔区)后，对重熔电极棒进行烘烤，所述烘烤是在温度大于500℃烘烤2h；所述起弧前充入氩气，是向结晶器内充入氩气5min，比例阀开度为30％；所述电渣重熔获得钢锭时是通过不锈钢车屑引弧，用本钢种锯切的底垫，经≥500℃，2h烘烤；
C3、电渣重熔充填后，将钢锭缓冷后脱模，得到电渣重熔锭；
所述钢锭缓冷为：先自然冷却150min，然后罩冷≥24h，最后空冷至≦50℃；
④锻造圆钢
D1、将步骤③得到的电渣重熔锭两端平头，切净底垫及缩孔；加热经850℃均温，均温时间大于1.5小时，加热温度1160℃；电渣重熔锭进行镦粗、拔长、摔圆锻造，锻造后进行空冷，得圆钢；
⑤圆钢粗车
将步骤④空冷后的圆钢两端平头，粗加工、探伤合格后送热处理；
⑥热处理
F1、固溶处理
以升温速率75℃/h升温至580℃，并在此温度保温130min；以升温速率95℃/h升温至1040℃，并在此温度保温620min；然后水冷至400℃以下；然后空冷至常温；
F2、时效处理
以升温速率75-85℃/h升温至580±10℃，并在此温度保温900min；然后空冷至常温。
⑦机械加工
采用卧式车床精车后即得不锈钢成品。
性能检测：
(1)将实施例1-2制备的不锈钢材料进行性能检测，检测结果如表3所示：
表3
抗拉强度MPa 屈服强度MPa 断后伸长率％ 硬度HB
实施例1 854 642 33.0 289
实施例2 839 632 35.5 285
性能要求 ≥800 ≥550 ≥25 ≤310
(2)按照实施例1的配方和制备方法，在不同时间和不同的真空熔炼炉进行熔炼，制备出的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢的性能参数如表4所示：
表4
最后应说明的是：
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1. 一种高强度奥氏体-铁素体型不锈钢，其特征在于，包括以下质量百分比组分：C≤0.03%，Si 0.38-0.80%，Mn≤1.00%，P≤0.03%，S≤0.015%，Cr 24.0-26.0%，Ni 6.5-8.5%，Mo3.0-4.0%，W 0.50-3.50%，N 0.24-0.32%，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢，其特征在于，包括以下质量百分比组分：C≤0.025%，Si 0.55%，Mn 0.50%，P≤0.03%，S ≤0.003%，Cr 24.5%，Ni 7%，Mo3.2%，W 2.00%， N 0.28%，其余为Fe和不可避免的杂质。
3. 根据权利要求1所述的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢，其特征在于，所述高强度奥氏体-铁素体型不锈钢的抗拉强度≥839 MPa，屈服强度≥632 MPa，断后伸长率≥30%，硬度≤295HB。
4.一种高强度奥氏体-铁素体型不锈钢的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据奥氏体-铁素体型不锈钢组分准备原料；
S2、感应真空脱气炉冶炼：熔化、预脱氧、真空处理、终脱氧、浇注出钢；
S3、保护气氛电渣炉重熔：配制渣料、重熔、缓冷后脱模，得到电渣重熔锭；
S4、进行镦粗、拔长、摔圆锻造；
S5、进行热处理：固溶处理和时效处理；
S6、机械加工得到不锈钢成品。
5.根据权利要求4所述的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢的制备工艺，其特征在于，所述S2中熔化时升温至1600-1650℃原料全熔成钢液，抽真空时，使钢液在真空度≤100Pa、温度为1611℃进行真空处理20min，浇注前进行充保护气和镇静。
6.根据权利要求4所述的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢的制备工艺，其特征在于，所述S3中渣料各组分按重量份包括二元预熔渣115份；氧化镁5份；铝粉0.3份；所述缓冷为：先自然冷却150min，然后罩冷≥24h，最后空冷至≦50℃。
7.根据权利要求4所述的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢的制备工艺，其特征在于，进行锻造前进行加热经850℃均温，均温时间大于1.5小时。
8.根据权利要求4所述的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢的制备工艺，其特征在于，所述S5中固溶处理为以升温速率80℃/h升温至600℃，并在此温度保温120min；以升温速率100℃/h升温至1050℃，并在此温度保温600min；然后水冷至400℃以下；然后空冷至常温。
9.根据权利要求4所述的高强度奥氏体-铁素体型不锈钢的制备工艺，其特征在于，所述S5中时效处理为以升温速率75-85℃/h升温至580±10℃，并在此温度保温900min；然后空冷至常温。
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