CN101724789B - 奥氏体不锈钢中厚板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种奥氏体不锈钢中厚板，其组成质量百分比为：C≤0.04％，Si 0.3～0.9％，Mn 1～2％，S≤0.010％，P≤0.04％，Cr 16～22％，Ni 8～14％，Mo≤4％，N 0.04～0.30％，B 0.0010～0.0030％，添加稀土元素Ce、Dy、Y、Nd中的一种多种，其含量小于0.30％，余量为铁和不可避免杂质；高温铁素体δ含量为1～10％。该奥氏体不锈钢中厚板的制造方法，包括：冶炼；热轧；该合金加热保温后，在再结晶区1250～1050℃进行4～10道次轧制；以20～40℃/s水冷至未再结晶区700～950℃，在此温度区间轧制3～5道次，水冷至室温；在900～1050℃进行低温退火热处理；酸洗后得到强度优良的奥氏体不锈钢中厚板。
Description
技术领域
本发明涉及不锈钢生产领域，特别是涉及具有优良强度的奥氏体不锈钢中厚板及其制造方法。
背景技术
18-8系列奥氏体不锈钢(304、304L、316L等)由于在高温和低温下都具有良好的塑韧性、冷热加工性能和良好的耐腐蚀性能而被广泛用于石油、化工、压力容器、宇航和能源等领域。随着能源的紧张和市场的竞争加剧，越来越多的行业要求设备的轻型化和大型化，这就对不锈钢的强度提出了更多的要求。而在此类应用领域的需求主要为奥氏体不锈钢中厚板。
不显著改变奥氏体不锈钢塑性和耐蚀性而提高强度的途径主要有：对钢种进行氮合金化和细化组织。通过加氮可以在一定程度上解决强度问题，但由于氮在18-8系列奥氏体不锈钢固溶度的限制，其强度提高有限。在此基础上如何继续提高该类钢种的强度，而不明显影响塑性和耐蚀性的途径只有通过细化奥氏体晶粒。但奥氏体不锈钢由于不存在相变，所以不能通过热处理工艺来改变该钢种的微观组织(如细化晶粒)从而达到提高强度的目的。
专利CA1587422A公开的工艺为在室温下通过等径角挤压工艺将奥氏体不锈钢变形后，并经过800～1000℃退火热处理，得到了超细晶粒钢材，明显地提高了奥氏体不锈钢的强度，但由于采用的是冷加工工艺，虽然可以细化奥氏体不锈钢的晶粒，提高其强度，但增加了奥氏体不锈钢的制造成本，限制了产品的规格尺寸，不适合大规模生产，很难生产出强度较高的奥氏体不锈钢中厚板。
由于18-8系列奥氏体不锈钢的再结晶温度一般在950℃以上，目前通用的奥氏体不锈钢中厚板热轧生产工艺为：在1250～980℃范围内进行热轧，轧后水冷至室温，然后进行退火酸洗，其退火温度为1050～1150℃。此温度的选择主要是考虑满足晶间腐蚀性能的要求，而对材料的力学性能没有过多关注。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过细化晶粒来获得优良强度、并具有良好塑韧性和耐腐蚀性能的奥氏体不锈钢中厚板。
本发明通过以下技术方案实现上述目的：
一种奥氏体不锈钢中厚板，其组成质量百分比为：
C≤0.04％，
Si 0.3～0.9％，
Mn 1～2％，
S≤0.010％，
P≤0.04％，
Cr 16～22％，
Ni 8～14％，
Mo≤4％，
N 0.04～0.30％，
B 0.0010～0.0030％，
添加稀土元素Ce、Dy、Y、Nd中的一种多种，其含量小于0.30％，
余量为铁和不可避免杂质，
高温铁素体δ含量为1～10％。
其中，所述的高温铁素体δ含量采用下式计算：Cont(δ)＝3*(Cr+Mo)+4.5*Si—2.8*Ni—1.4*Mn—84*(C+N)—19.8。
本发明还有一个目的是提供一种制造奥氏体不锈钢中厚板的方法，该方法包括如下步骤：
熔炼后浇铸得到的连铸坯，经过加热保温后，在再结晶区1250～1050℃进行4～10道次轧制，第一道次压下量不低于30％，其余压下量为15～30％。其中优选在1240～1290℃，更优选在1270℃加热保温。优选第一道次压下量为30～35％。
以20～40℃/s水冷至未再结晶区700～950℃，在此温度区间轧制3～5道次，累计道次压下量大于40％，水冷至室温；优选累计道次压下量为40～50％。
在900～1050℃进行低温退火热处理；
酸洗后得到强度优良的奥氏体不锈钢中厚板。
本发明通过合理确定镍当量形成元素Ni、Mn、N、C和铬当量形成元素Cr、Mo、Si的含量，以保证其奥氏体组织中的铁素体含量为1～10％；通过添加一种或复合添加微量的晶粒细化元素稀土和晶界强化元素B，然后采用两阶段轧制工艺和特定的热处理工艺，即首先在再结晶区1250～1050℃进行轧制，水冷到未再结晶区700～950℃后再进行第二阶段轧制，最后水冷至室温。经900～1050℃低温退火热处理，酸洗后获得了优良强度的奥氏体不锈钢中厚板。
由于奥氏体中存在过多的铁素体含量会降低其热加工塑性和耐点蚀性能，而少量的铁素体含量有利于提高其力学性能和焊接性能，因此通过控制镍当量和铬当量形成元素，将奥氏体不锈钢中的铁素体含量限定在1～10％。
在本发明中由于采用未再结晶区间轧制和大变形量轧制，因此对材料的热加工塑性提出了很高的要求。而硼可以偏聚在奥氏体不锈钢的晶界而达到强化晶界的目的，从而改善材料的热加工塑性，因此该合金中添加了微量硼元素。
此外稀土元素添加到钢液中，可以增加钢液凝固过程中的形核质点，从而达到细化连铸坯原始铸态组织的目的，原始铸态组织晶粒的细化有利于最终产品晶粒的细化。
对于奥氏体不锈钢的热加工过程中，在再结晶区进行大压下量变形，有利于破坏粗大的柱状晶，从而得到细化的等轴晶；在奥氏体未结晶区域进行变形，再结晶区轧制形成的等轴晶粒能被拉长并碎化成细小晶粒，且坯料内部组织中的位错密度显著提高，这些细小的晶粒和位错源为再结晶热处理提供了大量的形核位置。因此经过较低温度的退火热处理后，会发生完全再结晶，晶粒尺寸显著细化，从而得到细晶粒、优良强度的奥氏体不锈钢中厚板。
具体地，本发明通过成分控制以保证其奥氏体组织中的铁素体含量为1～10％，通过添加一种或复合添加微量的晶粒细化元素稀土，通过添加晶界强化元素B以提高其热塑性。
然后采用特定的热轧和热处理工艺：在再结晶区1250～1050℃进行4～10道次轧制，其中第一道次压下量不低于30％，其余压下量为15～30％。
此温度区间的选择主要是由于轧制温度越高，越有利于获得动态再结晶组织。
在第一阶段轧制变形量的选择中，第一道次采用大于30％的压下量，主要是为了使热变形能够渗透入材料内部，从而沿材料厚度形成均匀的组织，此外大变形量有利于材料的动态再结晶。其他道次变形量若过大，会增加热加工过程中的变形抗力，且难以保证板形，若变形量过小，难以碎化粗大的原始态组织，因此将道次变形量限定为15～30％。
以20～40℃/s水冷至未再结晶区700～950℃，并在此温度区间轧制3～5道次，累计道次压下量大于40％。
此阶段轧制为低温轧制，主要是为了使第一阶段形成的等轴晶被拉长且碎化为更小的晶粒，最后水冷至室温
第二阶段轧制变形量的选择中，要求其累计变形量大于40％，这主要是为了使变形渗透到材料内部，从而获得均匀的热轧态组织，防止表层晶粒不同于厚板中心部位组织。
然后在900～1050℃进行退火热处理，从而得到优良强度的奥氏体不锈钢中厚板。如果退火温度高于1050℃，将会导致材料晶粒长大，从而明显降低本材料的强度，而达不到提高材料强度的目的。
该退火温度低于传统退火温度，主要是因为经过第二阶段轧制，材料中存在大量的小晶粒和位错组织，有利于材料的静态再结晶，从而形成细小的晶粒。
本发明所获得的晶粒细化的奥氏体不锈钢中厚板，既具有良好的强度，还具有良好的塑韧性和耐蚀性。相比于常规产品304，304L、316L、316LN中厚板等，本发明所制备的奥氏体不锈钢中厚板，最终产品屈服强度和抗力强度都得到明显提高，塑性仍维持在较高水平，且材料具有良好的耐点蚀性能。
附图说明
图1为实施例中奥氏体不锈钢中厚板热轧态金相组织，其奥氏体晶粒明显被拉长且碎化成小晶粒。
图2为常规奥氏体不锈钢金相组织，其晶粒比较粗大，其晶粒尺寸为30～50μm。
图3为实施例中奥氏体不锈钢中厚板退火处理后金相组织，其晶粒度明显比较细小，其晶粒尺寸为10～15μm。
具体实施方式
以下通过实施例较详细的解释本发明的特点。
实施例1
根据本发明所述的奥氏体不锈钢成分，采用电炉+AOD熔炼，浇注成连铸坯，在1270℃加热保温后，进行轧制，工艺参数主要为：开轧温度1240℃，终轧温度为1120℃，轧制5道次，道次变形量分别为31％、19％、22％、20％、16％，然后以22℃/s水冷至910℃，再进行4道次轧制，道次变形量分别为22％、15％、10％、5％，终轧温度为770℃，水冷至室温，最终板材厚度为33mm，在1000℃进行退火酸洗。为了对比，对目前通用的304和316LN也进行了冶炼，成分见表1，并采用常规工艺进行了热轧和退火，其热轧温度区间为1250～1020℃，退火温度为1080℃。从表2可以看出，本实施例1制造的奥氏体不锈钢中厚板屈服强度比常规钢种316LN中厚板屈服强度提高115MPa，抗拉强度提高105MPa，且具有良好的塑韧性和耐腐蚀性能。
实施例2
实施钢种成分与实施例1相同，采用电炉+AOD熔炼，浇注成连铸坯，在1270℃加热保温后，进行轧制，轧制工艺参数主要为：开轧温度1235℃，终轧温度为1080℃，轧制6道次，道次变形量分别为35％、20％、26％、20％、16％、15％，然后以25℃/s水冷至870℃，再进行3道次轧制，道次变形量分别为25％、11％、6％，终轧温度为750℃，水冷至室温，板材厚度为27.6mm。最后板材在980℃进行退火酸洗。本实施例2制造的奥氏体不锈钢中厚板屈服强度比常规钢种316LN中厚板屈服强度提高120MPa，抗拉强度提高120MPa，且具有良好的塑韧性和耐腐蚀性能。
实施例3
实施钢种成分与实施例1相同，采用电炉+AOD熔炼，浇注成连铸坯，在1270℃加热保温后，进行轧制，其工艺参数为：开轧温度1235℃，终轧温度为1080℃，轧制7道次，道次变形量分别为33％、25％、26％、23％、20％、15％，然后以28℃/s水冷至850℃，再进行4道次轧制，道次变形量分别为25％、11％、9％、5％，最终板材厚度为22mm，终轧温度为780℃。最后板材在900℃进行退火酸洗。本实施例3制造的奥氏体不锈钢中厚板屈服强度比常规钢种316LN中厚板屈服强度提高140MPa，抗拉强度提高135MPa，且具有良好的塑韧性和耐腐蚀性能。
实施例4
根据本发明所述的奥氏体不锈钢成分，采用电炉+AOD熔炼，浇注成连铸坯，在1250℃加热保温后，进行轧制，工艺参数主要为：开轧温度1215℃，终轧温度为1050℃，轧制6道次，道次变形量分别为35％、20％、25％、20％、23％、15％，然后以20℃/s水冷至750℃，再进行4道次轧制，道次变形量分别为20％、14％、9％、5％，最终板材厚度为20mm，终轧温度为660℃。最后板材在950℃进行退火酸洗。与成分相近的常规304奥氏体不锈钢中厚板对比，本实施例4所制造的奥氏体不锈钢中厚板屈服强度提高145MPa，抗力强度提高200MPa，且具有良好的塑韧性和耐腐蚀性能。
实施例5
根据本发明所述的奥氏体不锈钢成分，采用电炉+AOD熔炼，浇注成连铸坯，在1260℃加热保温后，进行轧制，工艺参数主要为：开轧温度1225℃，终轧温度为1050℃，轧制5道次，道次变形量分别为33％、15％、20％、16％、15％，然后以20℃/s水冷至790℃，再进行3道次轧制，道次变形量分别为20％、14％、9％，最终板材厚度为40mm，终轧温度为730℃。最后板材在930℃进行退火酸洗。与成分相近的常规316L奥氏体不锈钢中厚板对比，本实施例5所制造的奥氏体不锈钢中厚板屈服强度提高120MPa，抗力强度提高110MPa，且具有良好的塑韧性和耐腐蚀性能。
表1和表2分别给出了实施例和对比例中奥氏体不锈钢中厚板的化学成分和力学性能、耐点蚀性能，其中耐点蚀性能按照不锈钢点蚀电位测量方法(国家标准：GB/T17899-1999)进行点蚀电位测试，测试温度为20℃，其溶液为3.5％NaCl。
表2室温力学性能对比
| 钢种 | Rp0.2(MPa) | Rm(MPa) | A50(％) | 耐点蚀电位(v) |
| 实施例1 | 425 | 725 | 50 | 0.715 |
| 实施例2 | 435 | 740 | 48 | 0.700 |
| 实施例3 | 455 | 755 | 47 | 0.710 |
| 实施例4 | 380 | 770 | 48 | 0.315 |
| 实施例5 | 355 | 680 | 52 | 0.589 |
| 304 | 235 | 570 | 59 | 0.304 |
| 316L | 225 | 550 | 60 | 0.605 |
| 316LN | 315 | 620 | 61 | 0.721 |
图1为本发明实施例奥氏体不锈钢中厚板热轧态金相组织。本发明中第二阶段轧制为低温轧制，使第一阶段形成的等轴晶被拉长且碎化为更小的晶粒。从图中可以看出其奥氏体晶粒明显被拉长且碎化成小晶粒。
图2为常规奥氏体不锈钢金相组织，其晶粒比较粗大，其晶粒尺寸为30～50μm。
图3为本发明实施例奥氏体不锈钢中厚板退火处理后的金相组织。本发明的奥氏体不锈钢中厚板因为经过第二阶段轧制，由于是在未结晶区间内轧制，材料的变形会导致存在大量的小晶粒和位错组织，有利于材料的静态再结晶，因此，在经过低于传统退火温度的退火，形成细小的晶粒。其晶粒度明显比较细小，其晶粒尺寸为10～15μm。
以上通过一些实施例对本发明的特点进行了较为详细的说明，但不仅仅限于这些实施例，在不脱离本发明构思的条件下，还可以有更多其他等效实施例。
Claims (5)
1.一种奥氏体不锈钢中厚板，其组成质量百分比为：
C≤0.04％，
Si 0.3～0.9％，
Mn 1～2％，
S≤0.010％，
P≤0.04％，
Cr 16～22％，
Ni 8～14％，
Mo≤4％，
N 0.04～0.30％，
B 0.0010～0.0030％，
添加稀土元素Ce、Dy、Y、Nd中的一种或多种，其含量小于0.30％，余量为铁和不可避免杂质，
高温铁素体δ含量为1～10％，且
所述的高温铁素体δ含量采用下式计算：Cont(δ)＝3*(Cr+Mo)+4.5*Si-2.8*Ni-1.4*Mn-84*(C+N)-19.8。
2.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢中厚板的制造方法，包括如下步骤：
经过熔炼后浇铸得到的连铸坯，经过加热保温后，在再结晶区1250～1050℃进行4～10道次轧制，第一道次压下量不低于30％，其余道次压下量为15～30％；
以20～40℃/s水冷至未再结晶区700～950℃，在此温度区间轧制3～5道次，累计道次压下量大于40％，水冷至室温；
在900～1050℃进行低温退火热处理；
酸洗。
3.如权利要求2所述的奥氏体不锈钢中厚板的制造方法，其特征在于，再结晶区进行的轧制，所述第一道次压下量为30～35％。
4.如权利要求2所述的奥氏体不锈钢中厚板的制造方法，其特征在于，未再结晶区进行的轧制，累计道次压下量大于40小于等于50％。
5.如权利要求2所述的奥氏体不锈钢中厚板的制造方法，其特征在于，所述的加热保温温度为1240～1290℃。
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