CN1718833A - 一种无低塑性裂纹倾向的1Cr21Ni5Ti双相不锈钢 - Google Patents
一种无低塑性裂纹倾向的1Cr21Ni5Ti双相不锈钢 Download PDFInfo
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Abstract
一种无低塑性裂纹倾向的1Cr21Ni5Ti双相不锈钢，其特征在于钢的化学元素成分(重量％)是：C＝0.09～0.14％、Si≤0.80％、Mn≤0.80％、S≤0.025％、P≤0.035％、Cr＝20.0～22.0％、Ni＝4.80～5.80％、Ti＝0.25～0.50％、Nb＝0.10～0.20％、V＝0.10～0.20％、W≤0.20％、Mo≤0.20％、Al≤0.08％、N≤0.035％，其余为Fe。本发明是对现行标准GJB2294－95成分规范的优化，其特点是：添加毫量的Nb、V元素，中上限控制Ti含量，中下限控制碳含量，从而强化合金中MC碳化物的析出，抑制钢中Cr23C6的析出，避免1Cr21Ni5Ti双相不锈钢的“550℃脆性”，杜绝钢的“低塑性裂纹”倾向。本发明生产的1Cr21Ni5Ti成品棒材，综合性能符合标准要求(550℃脆性检验，实测的ak*≥115 J/cm2；按GB4334.5－L法标准检验，晶间腐蚀试样弯曲180°，均未见低塑性裂纹。)，满足了高标准发动机若干结构件材料的应用要求。
Description
技术领域
本发明涉及冶金行业不锈钢的成分设计，尤其是指双相不锈钢的成分设计。
背景技术
不锈钢是常见的合金钢，一般可分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和双相不锈钢。典型的双相不锈钢是在它的固溶组织中奥氏体相和铁素体相约各占50％左右，一般较少相的含量最少也需要达到约30％。双相不锈钢不仅具有铁素体不锈钢的优良韧性和焊接性，还兼有奥氏体不锈钢的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能，它良好的抗点蚀和抗应力腐蚀性能，能在酸性介质，尤其是在高氯离子环境和高应力腐蚀条件下长期使用，广泛应用于石油、海洋和化工等领域。
1Cr21Ni5Ti是常见的双相不锈钢，现行标准GJB2294-95规定的化学元素成分重量％是：C＝0.09～0.14％、Si≤0.80％、Mn≤0.80％、S≤0.025％、P≤0.035％、Cr＝20.0～22.0％、Ni＝4.80～5.80％、Ti＝0.25～0.50％，其余为Fe；其屈服强度可以达到1Cr18Ni8不锈钢屈服强度的两倍，可作为火箭发动机及航空发动机若干结构件的材料应用。
晶间腐蚀试验是火箭发动机及航空发动机若干结构件材料规定的重要测试内容(测试标准是GB4334.5；测晶间腐蚀试样弯曲至90度或180度时，弯曲处是否出现裂纹。)。生产实践中发现：现行标准GJB2294-95生产的1Cr21Ni5Ti不锈钢，晶间腐蚀试验时，650℃敏化处理(该材料部件在应用时不可避免经历550~650℃温度范围，包括部件高温钎焊时，较大部件固溶处理时，其部件的冷却过程都要经过这一温度区间。)的试样弯曲处频繁出现“低塑性裂纹”(裂纹优先产生于试样的最大弯曲处。弯曲裂纹可分为晶间腐蚀裂纹和非晶间腐蚀裂纹：晶间腐蚀裂纹是GB4334.5测试标准不允许出现的裂纹；空白试验发现的非晶间腐蚀的穿晶裂纹，则称之为“低塑性裂纹”)。
对比现行标准生产的1Cr21Ni5Ti不锈钢成分数据及晶间腐蚀检测数据(表1，强烈碳化物形成元素及铝元素的含量对“低塑性裂纹”的影响)，我们发现：频繁出现的1Cr21Ni5Ti不锈钢“低塑性裂纹”与钛含量密切相关。当Ti含量处于规范中上限时，晶间腐蚀试样弯曲90度，未见裂纹存在；弯曲至180度，只有轻微裂纹存在。当Ti含量处于规范中限时，晶间腐蚀试样弯曲90度，即可见裂纹存在；弯曲至180度，则裂纹严重。进一步研究发现：“1Cr21Ni5Ti不锈钢的低塑性裂纹”主要系550～650℃敏化处理导致其变形塑性大幅度降低所致。图1为固溶态1Cr21Ni5Ti不锈钢650℃不同敏化处理时间对室温拉伸性能的影响曲线，从图可见，伴随敏化处理时间的延长，σb变化甚小，σ0.2与δ5在敏化处理的10分钟内，就发生很大的变化，其中σ0.2强度上升约100Mpa，而δ5则下降约50％，进一步延长敏化处理时间，则σ0.2与δ5变化不大。这是因为，就本质而言，晶间腐蚀规定的650℃敏化处理相当于时效处理，当该不锈钢钛含量较低时，经650℃敏化处理后，该不锈钢的晶内晶界大量析出M23C6碳化物，导致奥氏体相组织合金元素明显贫化，奥氏体的马氏体转变点(Ms)明显升高，冷却时产生奥氏体→马氏体转变，过量马氏体的存在使得1Cr21Ni5Ti不锈钢的塑性显著降低。研究表明：奥氏体→马氏体转变难以完全避免，但是，马氏体组织出现的数量多少，则是决定是否产生弯曲裂纹的主要因素；也就是说，剩余的未转变的奥氏体量愈多，则不产生弯曲裂纹的可能性愈大。当剩余奥氏体相含量小于4％时，就会产生“低塑性裂纹”；当剩余奥氏体相含量不小于8％时，则不会产生弯曲裂纹。
根据上述的数据分析和理论研究，科技工作者认为：尽量减少合金在450～800℃温度区间的Cr23C6的析出(一方面应在技术条件允许范围内按中下限控制合金中的碳含量，另一方面应强化合金中MC碳化物的析出，从而抑制合金Cr23C6的析出)，是解决“低塑性裂纹”问题的关键。有关科研人员曾经尝试：将1Cr21Ni5Ti不锈钢的钛含量提高到0.50％至0.60％，抑制或减少钢中的Cr23C6析出，避免“低塑性裂纹”倾向的产生，效果显著；但是，这项技术措施有二大不足：(1)钢中的钛含量控制困难。这是因为：一方面，钛元素为易烧损元素，只有在真空熔炼条件下，才能获得较高的收得率；在非真空熔炼状态下钛的烧损可高达50％以上，钛含量越高，越容易烧损，且烧损率难以稳定。另一方面，电渣重熔(非真空熔炼)是该不锈钢熔炼的常备工艺，导致该不锈钢电渣锭头尾钛含量偏差甚大(在电渣重熔工艺状态下，则往往电渣锭尾部烧损大，头部烧损较小)，难以达到该不锈钢钛含量的合理控制要求。(2)较高的钛含量可能导致该不锈钢产生550℃脆性。有关研究(双相不锈钢，原子能出版社，1979出版，前苏联ИЯ·索科尔尔著，李丕钟、王欣坛译)认为：钛含量较高的双相不锈钢在550℃加热时，铁素体内会形成脆性金属间化合物相，可能导致双相不锈钢550℃脆化效应，并在应用中有所反映；现行标准GJB2294-95规定的Ti含量成分重量％：Ti＝0.25～0.50％，正是基于该不锈钢存在550℃脆性倾向对Ti含量控制作出的苛刻要求。
综上所述：频繁出现的1Cr21Ni5Ti不锈钢(按现行GJB2294-95标准生产)“低塑性裂纹”，已成为火箭发动机及航空发动机若干结构件材料应用的一个重要隐患。
发明内容
本发明设计一种无低塑性裂纹倾向的1Cr21Ni5Ti双相不锈钢，它是对现行标准GJB2294-95成分规范的优化、补充，其特点是：在技术条件允许范围内按中上限控制钢中的Ti含量，按中下限控制钢中的碳含量；同时，在钢中添加毫量的Nb元素、V元素(可稳定地实现其良好含量控制的要求。这是因为：Nb与V元素的熔点较高，冶炼收得率甚高；其中Nb的冶炼收得率高达95％以上)。从而强化合金中MC碳化物的析出，抑制钢中Cr23C6的析出，避免1Cr21Ni5Ti双相不锈钢的“550℃脆性”，杜绝钢的“低塑性裂纹”倾向，满足火箭发动机及航空发动机若干结构件材料的应用要求。
本发明提供的无低塑性裂纹倾向的1Cr21Ni5Ti双相不锈钢，其特征在于钢的化学元素成分(重量％)是：C＝0.09～0.14％、Si≤0.80％、Mn≤0.80％、S≤0.025％、P≤0.035％、Cr＝20.0～22.0％、Ni＝4.80～5.80％、Ti＝0.25～0.50％、Nb＝0.10～0.20％、V＝0.10～0.20％、W≤0.20％、Mo≤0.20％、Al≤0.08％、N≤0.035％，其余为Fe。
上述钢的最佳化学元素成分(重量％)是：C＝0.09～0.12％、Si≤0.80％、Mn≤0.80％、S≤0.020％、P≤0.035％、Cr＝20.0～22.0％、Ni＝5.20～5.80％、Ti＝0.35～0.50％、Nb＝0.10～0.20％、V＝0.10～0.20％、W≤0.20％、Mo≤0.20％、Al ≤0.08％、N≤0.035％，其余为Fe。
上述无低塑性裂纹倾向的1Cr21Ni5Ti双相不锈钢，钢的Nb元素成分(重量％)是：0.14～0.20％。
上述无低塑性裂纹倾向的1Cr21Ni5Ti双相不锈钢，钢的V元素成分(重量％)是：0.14～0.20％。
上述无低塑性裂纹倾向的1Cr21Ni5Ti双相不锈钢，重要元素的作用如下：
C和N：C含量为现行标准规定的0.09～0.14％，在技术条件允许范围内按中下限控制钢中的碳含量；此外钢中还会含有约0.02％的N元素，N与Ti结合倾向比C与Ti的结合更为强烈，TiN的形成还会消耗0.08％的Ti，现行标准对Ti含量的限制，其Ti成分含量规范为0.25～0.50％，其含量难以满足与C及N元素充分结合之要求，过剩的C含量将导致合金处于450~800℃温度区间时Cr23C6显著析出，难以避免“低塑性裂纹”的隐患。
Ti：Ti含量为现行标准规定的0.25～0.50％，在技术条件允许范围内按中上限控制钢中的Ti含量，减少合金中的Cr23C6的析出，避免“低塑性裂纹”的产生；
Ni：Ni含量为现行标准规定的4.80～5.80％，在技术条件允许范围内按中上限控制钢中的Ni含量＝5.20～5.80％；
Nb和V：钢中较高的钛含量可导致该双相钢中铁素体的脆化，导致550℃脆性倾向；毫量添加Nb与V元素，实现该不锈钢强烈MC碳化物形成元素多元化，有利于避免钛含量较高时引起的550℃脆化倾向，其中Nb元素在钢中扩散速度缓慢，时效反应速度较慢，而V元素除能强烈VC碳化物外，未发现其他时效强化相的形成倾向，从而可使该不锈钢合理发挥强烈碳化物形成元素的作用，同时兼顾避免该不锈钢产生“低塑性裂纹”与550℃脆性。
本发明具有下列优点：
1、工业化规模生产，可操作性强；
2、成品钢无低塑性裂纹倾向和550℃脆性倾向；
3、钢的综合性能达到良性平衡，满足使用要求。
附图说明：
图1是固溶1Cr21Ni5Ti不锈钢650℃敏化处理时间
对室温拉伸性能的影响曲线图
具体实施方案
某钢铁公司实施本发明专利，采用VIM(真空感应炉)+VAR(真空自耗炉)熔炼工艺生产两个炉号的1Cr21Ni5Ti不锈钢(化学成分见表2)：347-0021炉号的VIM熔炼真空度为0.01～0.001mmHg，343-0383炉号的VIM熔炼真空度为0.001mmHg；两个炉号的Nb与V元素按中限含量0.15％加入，成品棒材成分含量分别为0.15％与0.14％，收得率分别达到了100％与93％；钛含量均按0.48％加入，炉号347-0021的钛含量为0.37％(处于要求的中限)，炉号343-0383的钛含量为0.44％(处于要求的中上限)。研究分析误差的影响，可以认为：Nb、V元素基本无烧损，有利于Nb、V毫量化的有效控制；钛含量的中限、中上限控制，在实际生产中也便于实现。
本发明生产的1Cr21Ni5Ti成品棒材，综合性能符合标准要求(见表3)：550℃脆性检验，实测的ak*＝115～181J/cm2≥40J/cm2，ak*值富裕充分；晶间腐蚀试样按GB4334.5(L法)标准检验，其试样弯曲180°，均未见低塑性裂纹。采用本发明生产的1Cr21Ni5Ti综合性能良好。使用部门反映：本发明生产的无低塑性裂纹倾向的1Cr21Ni5Ti双相不锈钢，在避免1Cr21Ni5Ti不锈钢产生“低塑性裂纹”的同时，又可避免出现550℃脆性倾向，综合性能达到良性平衡，解决了火箭发动机及航空发动机若干结构件材料应用的重要隐患，实现了历史性突破。
强烈碳化物形成元素及铝元素的含量对“低塑性裂纹”的影响 表1
1Cr21Ni5Ti双相不锈钢化学成分规范，重量％ 表2
| 元素 | C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | Ti |
| 本发明 | 0.09/0.14 | ≤0.80 | ≤0.80 | ≤0.020 | ≤0.035 | 20.0/22.0 | 5.20/5.80 | 0.25/0.50 |
| GJB2294-95 | 0.09/0.14 | ≤0.80 | ≤0.80 | ≤0.025 | ≤0.035 | 20.0/22.0 | 4.80/5.80 | 0.25/0.50 |
| 347-0021 | 0.10 | 0.55 | 0.55 | 0.026 | 0.007 | 21.50 | 5.62 | 0.37 |
| 343-0383 | 0.10 | 0.56 | 0.70 | 0.025 | 0.005 | 21.15 | 5.63 | 0.44 |
| 元素 | Al | N | Cu | W | Mo | V | Nb | |
| 本发明 | ≤0.08 | ≤0.035 | ≤0.30 | ≤0.20 | ≤0.20 | 0.10/0.20 | 0.10/0.20 | |
| GJB2294-95 | 无 | 无 | 无 | 无 | 无 | 无 | 无 | |
| 347-0021 | 0.07 | 0.016 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.14 | 0.15 | |
| 343-0383 | 0.07 | 0.018 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.14 | 0.15 |
按本发明实施生产的1Cr21Ni5Ti棒材的综合性能 表3
| 炉号 | 规格mm | σ0.2MPa | σbMPa | δ5％ | ψ％ | akJ/cm2 | σbHMPa | σbH/σb | ak*J/cm2 | 晶间腐蚀(弯曲90°) |
| 343-0383 | φ60 | 460460 | 690690 | 4040 | 69.569.5 | 263270 | 955975 | 1.381.41 | 128158 | 无裂纹 |
| 347-0021 | φ90 | 410405 | 735735 | 3233 | 6565 | 192195 | 10401050 | 1.411.43 | 165120 | 无裂纹 |
| 343-0383 | φ100 | 405405 | 695685 | 3838 | 65.068.0 | 197195 | 980980 | 1.411.43 | 169115 | 无裂纹 |
| 347-0021 | φ100 | 405415 | 720730 | 3332 | 66.064.0 | 202197 | 10301040 | 1.431.42 | 169115 | 无裂纹 |
| 343-0383 | φ120 | 425420 | 690700 | 3837 | 67.068.0 | 190182 | 970980 | 1.411.39 | 181180 | 无裂纹 |
| 用户使用要求 | ≥350 | ≥650 | ≥20 | ≥45 | ≥79 | / | ≥1 | ≥40 | 弯曲90°无裂纹 | |
| 现行国标GJB2294-95 | ≥345 | ≥590 | ≥20 | ≥40 | ≥59 | / | ≥1 | ≥30 | 无规定或协商解决 | |
| 注：ak*为550℃脆性检验，要求试样经固溶+550℃×1小时炉冷(100℃/h)至300℃空冷脆化处理后的ak应≥40J/cm2。 | ||||||||||
Claims (4)
1、一种无低塑性裂纹倾向的1Cr21Ni5Ti双相不锈钢，其特征在于钢的化学元素成分(重量％)是：C＝0.09～0.14％、Si≤0.80％、Mn≤0.80％、S≤0.025％、P≤0.035％、Cr＝20.0～22.0％、Ni＝4.80～5.80％、Ti＝0.25～0.50％、Nb＝0.10～0.20％、V＝0.10～0.20％、W≤0.20％、Mo≤0.20％、Al≤0.08％、N≤0.035％，其余为Fe。
2、根据权利要求1所述的无低塑性裂纹倾向的1Cr21Ni5Ti双相不锈钢，其特征在于钢的化学元素成分(重量％)控制范围是：C＝0.09～0.12％、Si≤0.80％、Mn≤0.80％、S≤0.020％、P≤0.035％、Cr＝20.0～22.0％、Ni＝5.20～5.80％、Ti＝0.35～0.50％、Nb＝0.10～0.20％、V＝0.10～0.20％、W≤0.20％、Mo≤0.20％、Al≤0.08％、N≤0.035％，其余为Fe。
3、根据权利要求1或2所述的无低塑性裂纹倾向的1Cr21Ni5Ti双相不锈钢，其特征在于钢的Nb元素成分(重量％)控制范围是：0.14～0.20％。
4、根据权利要求1或2所述的无低塑性裂纹倾向的1Cr21Ni5Ti双相不锈钢，其特征在于钢的V元素成分(重量％)控制范围是：0.14～0.20％。
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