CN117488199A - 一种耐蚀合金钢的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐蚀合金钢的制备方法，合金钢中的元素组成及重量份数为：C：0.10～0.25%，Mn：0.5～1.0%，Si：0.2～0.5%，Cr：0.8～1.2%，Mo：0.10‑0.15%，Ni：0.40‑0.65%，V：0.01‑0.08%，Ti:0.01～0.08%，Sn:0.1～0.2%，B:0.008‑0.01%，余量为铁；其制备方法包括：熔炼铸锭、奥氏体化、开坯热锻、热轧、大变形轧制以及回火。本发明的耐蚀合金钢的制备方法，通过控制钢中添加的元素种类和含量并改进制备方法，在保证不锈钢力学稳定性的基础上达到优异的耐腐蚀性能，合金钢的平均屈服强度可以达到1080MPa左右，平均抗拉强度达到1350Mpa左右；适当提高合金钢中Sn的含量，Sn和Cr、Mo的协同作用会促进致密的保护锈层的形成，添加少量的B可以达到替换部分贵重元素Ni、Cr、Mo的作用，降合金钢的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及特种不锈钢及其加工技术领域，特别涉及一种耐蚀合金钢的制备方法。
背景技术
合金钢是在钢中除了铁、碳以外，加入其他的合金元素；根据添加元素的不同，以及控制元素的含量并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能的合金钢以适应不同的应用场景。当合金元素总含量在5%以下时称为低合金钢，由于其合金成分少、制造成本低、制备工艺简单的特点；另外，合金钢具有良好的强度、冲击韧性，优异的可焊性，是目前重要的工程结构材料之一，被广泛用作桥梁、储罐、舰艇、船舶、石油和天然气管道等。
海洋工程建筑业作为海洋经济的重要组成部分，其发展前景广阔，将极大地促进与之配套的海洋建筑结构用钢筋的繁荣和发展。合金钢同样在舰艇、船舶等行业具有广泛的应用前景。海洋建筑工程用钢筋材料主要用于沿海、近海、远海等海洋工程建设，其服役环境十分恶劣。高氯离子浓度、高温、高湿、浪涌、飞溅、海洋生物多等因素都对钢筋材料的耐腐蚀和力学性能提出了严峻的考验。钢在海洋环境下极易被锈蚀，导致结构性能退化，严重缩短了钢结构件的服役寿命。
因此，对于在海洋工程中应用的不锈钢材料，除了力学性能外，优异的耐蚀性也是非常重要的应用要求。在钢中加入少量的耐蚀性元素如 Cu、Cr、Ni、Mo、Al 等可以提高钢材的耐蚀性能。在外界腐蚀环境的作用下，耐蚀性元素发生化学反应，会在钢表面形成一层致密且黏结性良好的腐蚀产物层，主要构成为 α-FeOOH、β-FeOOH、γ-FeOOH、Fe3O4以及一些非晶态物质，其中，α-FeOOH的耐蚀等级最高。另外，近年来有研究发现锡（Sn） 作为一种低成本元素可以有效改善钢的耐蚀性，使得合金钢的锈层在污染大气的环境中不被侵蚀性离子破坏，延长使用寿命。但是，在钢冶炼过程中，锡通常被认为是钢中的有害杂质元素，它影响钢材质量，尤其是连铸坯质量，使钢产生热脆性、回火脆性，产生裂纹和断裂，影响钢的焊接性能，是钢铁“五害”之一。钢中晶粒的尺寸大小与锡的偏析有关，锡的偏析阻碍了晶粒的长大。锡含量越高，晶粒析出量越大，有效阻碍晶粒的长大，晶粒越小，铁损越少。因此，对于应用于海洋工程的合金钢，既要使制备的合金钢具有优异的力学性能，又要兼顾使其具有优异的耐蚀性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐蚀合金钢的制备方法，通过控制钢中添加的元素种类和含量并改进传统的合金钢的制备方法，可以在保证不锈钢力学稳定性的基础上达到优异的耐腐蚀性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种耐蚀合金钢的制备方法，所述的耐蚀合金钢中的元素组成及重量份数为：
C：0.10～0.25%，Mn：0.5～1.0%，Si：0.2～0.5%，Cr：0.8～1.2%，Mo：0.10-0.15%，Ni：0.40-0.65%，V：0.01-0.08%，Ti:0.01～0.08%，Sn:0.1～0.2%，B:0.008-0.01%，余量为铁；所述的耐蚀合金钢的制备方法包括如下步骤：
S1：熔炼铸锭：根据所述的合金钢中的各组分的质量百分比含量配料，采用真空感应炉熔炼后浇铸成铸锭；
S2：奥氏体化：将铸锭加热至1200～1250℃，保温2.5～4h完成组织奥氏体化，等温冷却至室温；
S3：开坯热锻：铸锭坯料加热至1170℃～1230℃，保温2～3h；然后热锻，终锻温度不低于1150℃；
S4：多道次热轧：将坯料加热至1100～1200℃，保温1 .0h～2 .0h后出炉经7～10道次连续热轧，开轧温度在1050～1180℃，终轧温度不低于900℃；轧后水淬至室温。
优选的，所述的耐蚀合金钢，其元素组成及重量份数为：C：0.12%，Mn：0.5%，Si：0.4%，Cr：1.0%，Mo：0.10%，Ni：0.40%，V：0.03%，Ti:0.03%，Sn:0.15%，B:0.008%，余量为铁。
再优选的，所述的耐蚀合金钢，其元素组成及重量份数为：C：0.15%，Mn：0.6%，Si：0.3%，Cr：1.2%，Mo：0.12%，Ni：0.5%，V：0.03%，Ti:0.03%，Sn:0.18%，B:0.008%，余量为铁。
再优选的，在步骤S4后还包括步骤S5：大变形轧制，轧制变形量不低于75%。
再优选的，在步骤S5后还包括步骤S6：将材料加热至900℃，保温15～25min后水淬；然后在180～200℃回火30～60min。
再优选的，所述的耐蚀合金钢，其元素组成及重量份数为：C：0.12%，Mn：0.5%，Si：0.4%，Cr：1.0%，Mo：0.10%，Ni：0.40%，V：0.03%，Ti:0.03%，Sn:0.15%，B:0.008%，余量为铁。
再优选的，所述的耐蚀合金钢，其元素组成及重量份数为：C：0.15%，Mn：0.6%，Si：0.3%，Cr：1.2%，Mo：0.12%，Ni：0.5%，V：0.03%，Ti:0.03%，Sn:0.18%，B:0.008%，余量为铁。
在一优选的实施方式中，一种耐蚀合金钢的制备方法，所述的耐蚀合金钢中的元素组成及重量份数为：
C：0.16%，Mn：0.8%，Si：0.25%，Cr：1.0%，Mo：0.10%，Ni：0.405%，V：0.03%，Ti:0.02%，Sn:0.18%，B:0.009%，余量为铁；所述的耐蚀合金钢的制备方法如下：
S1：熔炼铸锭：根据所述的合金钢中的各组分的质量百分比含量配料，采用真空感应炉熔炼后浇铸成铸锭；
S2：奥氏体化：将铸锭加热至1200℃，保温3h完成组织奥氏体化，等温冷却至室温；
S3：开坯热锻：铸锭坯料加热至1190℃，保温2.5h；然后热锻，终锻温度不低于1150℃；
S4：多道次热轧：将坯料加热至1150℃，保温1.5h后出炉经10道次连续热轧，开轧温度在1060℃，终轧温度900℃；轧后水淬至室温；
S5：大变形轧制，轧制变形量不低于80%；以及，
S6：将材料加热至900℃，保温20min后水淬；然后在200℃回火45min。
再优选的，所述的合金钢的平均屈服强度在1080MPa左右，平均抗拉强度在1350Mpa左右。
本发明的耐蚀合金钢的制备方法，通过控制钢中添加的元素种类和含量并改进传统的合金钢的制备方法，可以在保证不锈钢力学稳定性的基础上达到优异的耐腐蚀性能，合金钢的平均屈服强度可以达到1080MPa左右，平均抗拉强度达到1350Mpa左右；在保持优异的力学性能的基础上，适当提高合金钢中Sn的含量，Sn和Cr、Mo的协同作用会促进致密的保护锈层的形成，添加少量的B可以达到替换部分贵重元素Ni、Cr、Mo的作用，降合金钢的生产成本。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明提出一种耐蚀合金钢的制备方法，所述的耐蚀合金钢中的元素组成及重量份数为：
C：0.10～0.25%，Mn：0.5～1.0%，Si：0.2～0.5%，Cr：0.8～1.2%，Mo：0.10-0.15%，Ni：0.40-0.65%，V：0.01-0.08%，Ti:0.01～0.08%，Sn:0.1～0.2%，B:0.008-0.01%，余量为铁。
对于合金元素在双相不锈钢中的作用，经实验证明如下：
C元素是增强双相钢韧性最重要的固溶强化元素及提高奥氏体淬透性元素，另外C在热处理过程中与微合金Ti元素形成碳氮化物，细化晶粒及强化铁素体；另考虑到需要避免C含量过高使材料的焊接性能恶化并形成带状组织恶化成形性能，故本发明的合金钢中C含量控制在0.12～0.25%。
Si元素可以有效促进C元素向奥氏体富集，提高奥氏体淬透性的同时净化铁素体相，改善延伸率，但Si含量过高时会在热轧加热过程形成氧化铁皮难以祛除；另外，在Si含量较高的合金钢中，Sn的偏析可以阻碍晶粒长大，细化晶粒；故本发明的合金钢中Si含量控制在0.2～0.5%。
Mn元素也是稳定奥氏体的重要元素之一，但Mn含量过高容易引起组织偏析，易导致成形开裂，恶化钢的综合性能，同时还会在退火过程中向表面富集，因此Mn含量不宜过高，本发明的合金钢中Mn的含量控制在0.5～1.0%。
Sn元素可以提高钢的韧性、切削性和耐磨性，同时也可以提高钢材的耐腐蚀性能和耐久性；但是Sn含量过高会使钢产生热脆性、回火脆性，产生裂纹和断裂，影响钢的焊接性能；故本发明的合金钢中Sn的含量控制在0.1～0.2%。
Ti元素作为微合金元素，可以与C结合生成纳米析出相，起到细化晶粒及析出强化的作用，对改善组织形态、提高屈服强度有着显著的作用，但含量过高又会对延伸率造成不利影响，故本发明的合金钢中Ti含量需控制在0.01～0.08%。
Mo元素同样可以提高奥氏体淬透性，还可以对高硅含量的钢在热轧加热时界面元素的富集具有抑制作用，形成Mo元素富集带，抑制Si元素向铁皮侧的扩散，抑制了不可祛除红磷缺陷的形成；故本发明的合金钢中Mo的含量控制在0.1～0.15%。
Cr元素是提高不锈钢耐腐蚀性能的重要元素，在钢中添加Cr可以引起腐蚀产物发生非晶态的转化，形成更加稳定的锈层，不仅提高锈层的保护性，同时赋予锈层具有阳离子的选择性，进而提高耐蚀性能。本发明的合金钢中Cr的含量控制在0.8～1.2%。
Ni元素也是提高钢耐腐蚀性能的有效元素之一，在钢中添加合金元素Ni可使钢的自腐蚀电位朝向更正的方向改变；添加Ni可以使得锈层中生成存在于尖晶石型氧化物中稳定的NiFe2O4相，促使尖晶石向细小且致密的结构转变，从而提高了锈层的稳定性，达到耐腐蚀的效果。本发明的合金钢中Ni的含量控制在0.4～0.65%。
V元素可以改善不锈钢的抗晶间腐蚀的性能，少量的钒可使晶粒细化、韧性增大；经适当的热处理使碳化物弥散析出时，可提高钢的高温持久强度和蠕变抗力；钒含量较高会导致聚集的碳化物出现，使强度降低，碳化物在晶内析出会降低室温韧性。本发明的合金钢中V的含量控制在0.01～0.08%。
B元素在钢中的主要作用是增加钢的淬透性，从而节约其他较稀贵的金属，如镍、铬、钼等，降低成本；但是硼具有促进回火脆性的倾向，不能完全替代Mo；，需要保持一定的Mo含量；另外，由于硼的作用随钢中碳的含量的增加而减弱，所以一般在含C量较低的钢中使用。
本发明的耐蚀合金钢的制备方法如下：
S1：熔炼铸锭：根据所述的合金钢中的各组分的质量百分比含量配料，采用真空感应炉熔炼后浇铸成铸锭；
S2：奥氏体化：将铸锭加热至1200～1250℃，保温2.5～4h完成组织奥氏体化，等温冷却至室温；
S3：开坯热锻：铸锭坯料加热至1170℃～1230℃，保温2～3h；然后热锻，终锻温度不低于1150℃；
S4：多道次热轧：将坯料加热至1100～1200℃，保温1 .0h～2 .0h后出炉经7～10道次连续热轧，开轧温度在1050～1180℃，终轧温度不低于900℃；轧后水淬至室温。
在一优选的实施方式中，在步骤S4后还包括步骤S5：大变形轧制，轧制变形量不低于75%；通过大变形轧制可已达到细化组织的效果。
再优选的，在步骤S5后还包括步骤S6：将材料加热至900℃，保温15～25min后水淬；然后在180～200℃回火30～60min。通过这样的热处理工艺可以改善合金钢的力学性能。
优选的，所述的耐蚀合金钢，其元素组成及重量份数为：C：0.12%，Mn：0.5%，Si：0.4%，Cr：1.0%，Mo：0.10%，Ni：0.40%，V：0.03%，Ti:0.03%，Sn:0.15%，B:0.008%，余量为铁。
再优选的，所述的耐蚀合金钢，其元素组成及重量份数为：C：0.15%，Mn：0.6%，Si：0.3%，Cr：1.2%，Mo：0.12%，Ni：0.5%，V：0.03%，Ti:0.03%，Sn:0.18%，B:0.008%，余量为铁。
再优选的，在步骤S3后还包括步骤S4：大变形轧制，轧制变形量不低于75%。
再优选的，在步骤S4后还包括步骤S5：将材料加热至900℃，保温15～25min后水淬；然后在180～200℃回火30～60min。
在一优选的实施方式中，一种耐蚀合金钢的制备方法，所述的耐蚀合金钢中的元素组成及重量份数为：
C：0.16%，Mn：0.8%，Si：0.25%，Cr：1.0%，Mo：0.10%，Ni：0.405%，V：0.03%，Ti:0.02%，Sn:0.18%，B:0.009%，余量为铁；所述的耐蚀合金钢的制备方法如下：
S1：熔炼铸锭：根据所述的合金钢中的各组分的质量百分比含量配料，采用真空感应炉熔炼后浇铸成铸锭；
S2：奥氏体化：将铸锭加热至1200℃，保温3h完成组织奥氏体化，等温冷却至室温；
S3：开坯热锻：铸锭坯料加热至1190℃，保温2.5h；然后热锻，终锻温度不低于1150℃；
S4：多道次热轧：将坯料加热至1150℃，保温1.5h后出炉经10道次连续热轧，开轧温度在1060℃，终轧温度900℃；轧后水淬至室温；
S5：大变形轧制，轧制变形量不低于80%；以及，
S6：将材料加热至900℃，保温20min后水淬；然后在200℃回火45min。
经测试，制得的合金钢的平均屈服强度在1080MPa左右，平均抗拉强度在1350Mpa左右，当钢中的Sn含量超过0.2%时，在低温下的韧性会出现明显下降。
对制得的合金钢根据GB/T19746-2018进行耐腐蚀性能测试，对浸泡腐蚀后的合金钢的锈层进行分析，当合金钢中的Sn含量越高时，其锈层厚度明显增加，而且锈层呈现两层结构，外锈层与外界环境直接接触、较为疏松多孔，而内锈层与钢基体相连紧密贴合、较为致密，能够有效阻挡侵蚀性离子侵入，从而减缓腐蚀，提高试验钢的耐蚀性，而且随着腐蚀时间越长，内锈层的厚度也会随之变厚，提高耐蚀性能；当合金钢中的Sn含量低于0.08%时，内锈层的厚度会显著减薄，耐蚀性较差，而且随着腐蚀时间越长，内锈层的厚度无明显变化，即合金钢的耐蚀性无明显提升。
对腐蚀后的合金钢中的锈层进行分析，当合金钢中的Sn含量较大时，紧贴基体部位的内锈层中Cr明显富集，Cl在锈层中均匀分布，说明Cr参与了锈层的生成，Cr在锈层中的富集有利于将锈层组织细化，促进耐蚀等级较高的α-FeOOH 和 γ-FeOOH 的生成，形成超细组织，有助于提高合金钢的耐蚀性；而且在内锈层中也可以看到Sn的富集现象，表明含Sn的腐蚀产物也是内锈层的重要组成部分，Sn和Cr、Mo的协同作用会促进保护锈层的形成。当合金钢中的Sn含量少时，Sn和Cr在内锈层中的富集不明显，故表现出较差的耐蚀性能。
本发明的耐蚀合金钢的制备方法，通过控制钢中添加的元素种类和含量并改进传统的合金钢的制备方法，可以在保证不锈钢力学稳定性的基础上达到优异的耐腐蚀性能，合金钢的平均屈服强度可以达到1080MPa左右，平均抗拉强度达到1350Mpa左右；在保持优异的力学性能的基础上，适当提高合金钢中Sn的含量，Sn和Cr、Mo的协同作用会促进致密的保护锈层的形成，添加少量的B可以达到替换部分贵重元素Ni、Cr、Mo的作用，降合金钢的生产成本。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种耐蚀合金钢的制备方法，其特征在于，所述的合金钢中的元素组成及重量份数为：
C：0.10～0.25%，Mn：0.5～1.0%，Si：0.2～0.5%，Cr：0.8～1.2%，Mo：0.10-0.15%，Ni：0.40-0.65%，V：0.01-0.08%，Ti:0.01～0.08%，Sn:0.1～0.2%，B:0.008-0.01%，余量为铁；所述的合金钢的制备方法包括如下步骤：
S1：熔炼铸锭：根据所述的合金钢中的各组分的质量百分比含量配料，采用真空感应炉熔炼后浇铸成铸锭；
S2：奥氏体化：将铸锭加热至1200～1250℃，保温2.5～4h完成组织奥氏体化，等温冷却至室温；
S3：开坯热锻：铸锭坯料加热至1170℃～1230℃，保温2～3h；然后热锻，终锻温度不低于1150℃；
S4：多道次热轧：将坯料加热至1100～1200℃，保温1 .0h～2 .0h后出炉经7～10道次连续热轧，开轧温度在1050～1180℃，终轧温度不低于900℃；轧后水淬至室温。
2.如权利要求1所述的一种耐蚀合金钢的制备方法，其特征在于，在步骤S4后还包括步骤S5：大变形轧制，轧制变形量不低于75%。
3.如权利要求2所述的一种耐蚀合金钢的制备方法，其特征在于，在步骤S5后还包括步骤S6：将材料加热至900℃，保温15～25min后水淬；然后在180～200℃回火30～60min。
4.如权利要求1所述的一种耐蚀合金钢的制备方法，其特征在于，所述的耐蚀合金钢，其元素组成及重量份数为：C：0.12%，Mn：0.5%，Si：0.4%，Cr：1.0%，Mo：0.10%，Ni：0.40%，V：0.03%，Ti:0.03%，Sn:0.15%，B:0.008%，余量为铁。
5.如权利要求1所述的一种耐蚀合金钢的制备方法，其特征在于，所述的耐蚀合金钢，其元素组成及重量份数为：C：0.15%，Mn：0.6%，Si：0.3%，Cr：1.2%，Mo：0.12%，Ni：0.5%，V：0.03%，Ti:0.03%，Sn:0.18%，B:0.008%，余量为铁。
6.一种耐蚀合金钢的制备方法，其特征在于，所述的耐蚀合金钢中的元素组成及重量份数为：
C：0.16%，Mn：0.8%，Si：0.25%，Cr：1.0%，Mo：0.10%，Ni：0.405%，V：0.03%，Ti:0.02%，Sn:0.18%，B:0.009%，余量为铁；所述的耐蚀合金钢的制备方法如下：
S1：熔炼铸锭：根据所述的合金钢中的各组分的质量百分比含量配料，采用真空感应炉熔炼后浇铸成铸锭；
S2：奥氏体化：将铸锭加热至1200℃，保温3h完成组织奥氏体化，等温冷却至室温；
S3：开坯热锻：铸锭坯料加热至1190℃，保温2.5h；然后热锻，终锻温度不低于1150℃；
S4：多道次热轧：将坯料加热至1150℃，保温1.5h后出炉经10道次连续热轧，开轧温度在1060℃，终轧温度900℃；轧后水淬至室温；
S5：大变形轧制，轧制变形量不低于80%；以及，
S6：将材料加热至900℃，保温20min后水淬；然后在200℃回火45min。
7.如权利要求6所述的一种耐蚀合金钢的制备方法，其特征在于，制得的所述合金钢的平均屈服强度在1080MPa左右，平均抗拉强度在1350Mpa左右。
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