CN107904522A - 一种高强度的双相不锈钢合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度的双相不锈钢合金，属于双相不锈钢技术领域，组成包括：C、S、P、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、N、B、Fe和镧铈混合稀土；还公开了该双相不锈钢合金材料的制备方法。本发明具有节镍的优点，还具有良好的铸造、耐腐蚀、加工性及焊接性能，可用于结构暴露于高氯离子或腐蚀性工业环境下用钢，使用融雪剂的道路和桥梁用钢，海洋围墙或防御工事用钢，高速公路桥和路面用钢筋等。

Description

一种高强度的双相不锈钢合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种双相不锈钢合金材料及其制备方法，特别是涉及一种高强度的双相不锈钢合金及其制备方法，属于双相不锈钢技术领域。
背景技术
双相不锈钢因其具有较高的力学性能和优良的耐腐蚀性能，在船舶、制浆造纸和核工业等应用方面都占有一席之地。
双相不锈钢中最主要的合金成分是铬和镍，其中镍是最贵的，为降低生产成本，降低钢中的镍含量，一般采用以氮和锰代替镍的方式。我国是一个镍资源相对匮乏的国家，随着国内不锈钢需求的不断增长，将严重限制我国不锈钢产业的发展，由于双相不锈钢的强度比奥氏体不锈钢要高且重量轻，如果桥梁结构用钢使用双相不锈钢可大幅减轻其重量。
传统的高强度桥梁钢不仅冲击韧性、焊接性、疲劳性等性能不够理想，而且在耐大气、海洋腐蚀等方面表现更差，因此，在进行高等级桥梁用钢开发的时候，不仅要考虑其强度等级，而且要考虑焊接、疲劳、耐腐蚀等性能，随着我国铁路桥梁的发展，我国开始在深山、海洋等恶劣的环境下建桥，这不仅需要钢的强度高、耐腐蚀，而且寿命还要长，因此，开发重量轻、强度高、抗疲劳、耐腐蚀、寿命长的高性能不锈钢材料，已迫在眉睫。
另外，我国的稀土资源丰富，稀土在钢中的微合金化效果已经发挥了越来越重要的作用，研究开发高性能含稀土节镍型的双相不锈钢，作为某些特殊工业领域用钢，如桥梁用钢等，能够节约宝贵的镍资源，同时又能保证不锈钢在苛刻环境下的耐腐蚀要求及强度等力学性能要求，经过大量实验研究，我们开发了一种节镍的高铬高氮含稀土超级双相不锈钢。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种高强度的双相不锈钢合金及其制备方法，用适量的廉价氮和锰稳定双相不锈钢中的奥氏体，达到降低贵重镍用量的目的。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种高强度的双相不锈钢合金，包括如下质量百分比的组成成分：
C≤0.025％；
S≤0.005％；
P≤0.02％；
Si≤2.00％；
Mn：6.00～10.00％；
Cr：30.0～35.0％；
Ni：4.0～6.0％；
Mo：3.0～5.0％；
W：0.2-1.0％；
N：0.3～0.6％；
B：0.01～0.02％；
混合稀土：0.01～0.1％；
Fe余量。
进一步的，所述混合稀土为镧铈混合稀土。
进一步的，所述镧铈混合稀土中，La≤48％，Ce≤45％。
进一步的，所述镧铈混合稀土中还La和Ce的含量总和≥99.7％。
进一步的，所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种。
一种高强度的双相不锈钢合金的制备方法，包括如下步骤：冶炼、铸造、铸锭或铸坯开坯、热轧和固溶处理。
进一步的，具体包括如下步骤：
步骤1：冶炼
采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉加炉外精炼、转炉加炉外精炼中任一种工艺冶炼；
步骤2：铸锭或铸锭开坯
铸锭或铸坯采用锻造开坯或连铸连轧；
步骤3：热轧
铸锭或铸锭开坯后对钢材进行热轧，热轧时坯料加热温度为1150-1250℃，开轧温度为1150-1200℃，终轧温度为950-1050℃；
步骤4：固溶处理
钢材热轧后在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为1050-1150℃，保温30-60min后冷却。
进一步的，所述步骤1中，在冶炼出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1570-1660℃。
进一步的，所述步骤2中，锻造开坯或连铸连轧的加热温度为1150-1300℃，开坯始锻温度为1150-1300℃，终锻温度为950-1050℃。
进一步的，所述步骤4中，冷却方式采用水冷或空冷。
本发明的有益技术效果：按照本发明的高强度的双相不锈钢合金，本发明提供的高强度的双相不锈钢合金，针对现有双相不锈钢在原料成本方面的不足，以氮和锰代替镍元素，稳定奥氏体，节约大量成本，另外，镧铈混合稀土元素固溶在钢中后，能提高富Cr钝化膜的稳定性，提高耐腐蚀性能；稀土元素还能富集在晶界，减少杂质元素在晶界偏聚，增加晶界强度，提高晶界的抗腐蚀能力和力学性能。
本发明合金以氮代镍，生产成本低，按炼钢用铁合金原料成本核算，以镍价格每吨10万元计算，其每吨钢生产成本可比OCr18Ni12Mo2Ti奥氏体不锈钢降低12％左右，节约费用约1200元。此外，由于本发明合金强度高且耐蚀性较好，所以如果以其取代316L和OCr18Ni12Mo2Ti等奥氏体不锈钢将导致工件寿命大幅度提高，由此将带来可观的的经济和社会效益，此外，本发明合金还具有良好的铸造、耐腐蚀、加工性及焊接性能，可用于结构暴露于高氯离子或腐蚀性工业环境下用钢，使用融雪剂的道路和桥梁用钢，海洋围墙或防御工事用钢，高速公路桥和路面用钢筋等。
附图说明
图1为按照本发明的高强度的双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例高温抗拉强度试验结果图；
图2为按照本发明的高强度的双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例高温拉伸性能对比图；
图3为图2按照本发明的高强度的双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例高温拉伸性能对比图续；
图4为按照本发明的高强度的双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例室温力学性能对比图；
图5为按照本发明的高强度的双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例在沸腾温度5％(wt.％)H2SO4水溶液中的均匀腐蚀性能。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本实施例1提供的一种高强度的双相不锈钢合金，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.019％；
S：0.004％；
P：0.016％；
Si：1.75％；
Mn：8.16％；
Cr：31.26％；
Ni：4.35％；
Mo：3.15％；
W：0.38％；
N：0.33％；
B：0.011％；
混合稀土：0.021％；
Fe余量。
进一步的，在本实施例1中，所述混合稀土为镧铈混合稀土；所述镧铈混合稀土中，La≤48％，Ce≤45％；所述镧铈混合稀土中还La和Ce的含量总和≥99.7％；所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种。
本实施例1提供的一种高强度的双相不锈钢合金的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1：冶炼
采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉加炉外精炼、转炉加炉外精炼中任一种工艺冶炼，在冶炼出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1570-1660℃；
步骤2：铸锭或铸锭开坯
铸锭或铸坯采用锻造开坯或连铸连轧，锻造开坯或连铸连轧的加热温度为1150-1300℃，开坯始锻温度为1150-1300℃，终锻温度为950-1050℃；
步骤3：热轧
铸锭或铸锭开坯后对钢材进行热轧，热轧时坯料加热温度为1150-1250℃，开轧温度为1150-1200℃，终轧温度为950-1050℃；
步骤4：固溶处理
钢材热轧后在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为1050-1150℃，保温30-60min后冷却，冷却方式采用水冷或空冷。
实施例2：
本实施例2提供的一种高强度的双相不锈钢合金，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.02％；
S：0.005％；
P：0.017％；
Si：1.36％；
Mn：8.65％；
Cr：32.75％；
Ni：4.66％；
Mo：3.72％；
W：0.72％；
N：0.37％；
B：0.013％；
混合稀土：0.026％；
Fe余量。
进一步的，在本实施例2中，所述混合稀土为镧铈混合稀土；所述镧铈混合稀土中，La≤48％，Ce≤45％；所述镧铈混合稀土中还La和Ce的含量总和≥99.7％；所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种。
本实施例2提供的一种高强度的双相不锈钢合金的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1：冶炼
采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉加炉外精炼、转炉加炉外精炼中任一种工艺冶炼，在冶炼出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1570-1660℃；
步骤2：铸锭或铸锭开坯
铸锭或铸坯采用锻造开坯或连铸连轧，锻造开坯或连铸连轧的加热温度为1150-1300℃，开坯始锻温度为1150-1300℃，终锻温度为950-1050℃；
步骤3：热轧
铸锭或铸锭开坯后对钢材进行热轧，热轧时坯料加热温度为1150-1250℃，开轧温度为1150-1200℃，终轧温度为950-1050℃；
步骤4：固溶处理
钢材热轧后在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为1050-1150℃，保温30-60min后冷却，冷却方式采用水冷或空冷。
实施例3：
本实施例3提供的一种高强度的双相不锈钢合金，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.018％；
S：0.004％；
P：0.018％；
Si：1.48％；
Mn：9.10％；
Cr：33.21％；
Ni：5.35％；
Mo：3.96％；
W：0.65％；
N：0.42％；
B：0.016％；
混合稀土：0.032％；
Fe余量。
进一步的，在本实施例3中，所述混合稀土为镧铈混合稀土；所述镧铈混合稀土中，La≤48％，Ce≤45％；所述镧铈混合稀土中还La和Ce的含量总和≥99.7％；所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种。
本实施例3提供的一种高强度的双相不锈钢合金的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1：冶炼
采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉加炉外精炼、转炉加炉外精炼中任一种工艺冶炼，在冶炼出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1570-1660℃；
步骤2：铸锭或铸锭开坯
铸锭或铸坯采用锻造开坯或连铸连轧，锻造开坯或连铸连轧的加热温度为1150-1300℃，开坯始锻温度为1150-1300℃，终锻温度为950-1050℃；
步骤3：热轧
铸锭或铸锭开坯后对钢材进行热轧，热轧时坯料加热温度为1150-1250℃，开轧温度为1150-1200℃，终轧温度为950-1050℃；
步骤4：固溶处理
钢材热轧后在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为1050-1150℃，保温30-60min后冷却，冷却方式采用水冷或空冷。
实施例4：
本实施例4提供的一种高强度的双相不锈钢合金，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.019％；
S：0.004％；
P：0.015％；
Si：1.15％；
Mn：9.75％；
Cr：34.58％；
Ni：5.68％；
Mo：4.55％；
W：0.88％；
N：0.45％；
B：0.015％；
混合稀土：0.038％；
Fe余量。
进一步的，在本实施例4中，所述混合稀土为镧铈混合稀土；所述镧铈混合稀土中，La≤48％，Ce≤45％；所述镧铈混合稀土中还La和Ce的含量总和≥99.7％；所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种。
本实施例4提供的一种高强度的双相不锈钢合金的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1：冶炼
采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉加炉外精炼、转炉加炉外精炼中任一种工艺冶炼，在冶炼出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1570-1660℃；
步骤2：铸锭或铸锭开坯
铸锭或铸坯采用锻造开坯或连铸连轧，锻造开坯或连铸连轧的加热温度为1150-1300℃，开坯始锻温度为1150-1300℃，终锻温度为950-1050℃；
步骤3：热轧
铸锭或铸锭开坯后对钢材进行热轧，热轧时坯料加热温度为1150-1250℃，开轧温度为1150-1200℃，终轧温度为950-1050℃；
步骤4：固溶处理
钢材热轧后在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为1050-1150℃，保温30-60min后冷却，冷却方式采用水冷或空冷。
实施例5：
本实施例5提供的一种高强度的双相不锈钢合金，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.020％；
S：0.005％；
P：0.018％；
Si：1.10％；
Mn：9.58％；
Cr：34.72％；
Ni：4.72％；
Mo：4.38％；
W：0.57％；
N：0.40％；
B：0.017％；
混合稀土：0.044％；
Fe余量。
进一步的，在本实施例5中，所述混合稀土为镧铈混合稀土；所述镧铈混合稀土中，La≤48％，Ce≤45％；所述镧铈混合稀土中还La和Ce的含量总和≥99.7％；所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种。
本实施例5提供的一种高强度的双相不锈钢合金的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1：冶炼
采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉加炉外精炼、转炉加炉外精炼中任一种工艺冶炼，在冶炼出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1570-1660℃；
步骤2：铸锭或铸锭开坯
铸锭或铸坯采用锻造开坯或连铸连轧，锻造开坯或连铸连轧的加热温度为1150-1300℃，开坯始锻温度为1150-1300℃，终锻温度为950-1050℃；
步骤3：热轧
铸锭或铸锭开坯后对钢材进行热轧，热轧时坯料加热温度为1150-1250℃，开轧温度为1150-1200℃，终轧温度为950-1050℃；
步骤4：固溶处理
钢材热轧后在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为1050-1150℃，保温30-60min后冷却，冷却方式采用水冷或空冷。
对比例1：
对比例1提供的316L，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.034％；
S：0.015％；
P：0.007％；
Si：0.41％；
Mn：1.7％；
Cr：17.45％；
Ni：12.52％；
Mo：2.53％；
Fe余量。
对比例2：
对比例2提供的OCr18Ni12Mo2Ti，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.041％；
S：0.014％；
P：0.010％；
Si：0.63％；
Mn：1.65％；
Cr：18.68％；
Ni：12.54％；
Mo：2.38％；
Fe余量。
对比例3：
对比例3提供的2205双向不锈钢，包括如下质量百分比的组成成分：
C：0.023％；
S：0.006％；
P：0.022％；
Si：0.57％；
Mn：1.20％；
Cr：30.75％；
Ni：6.88％；
Mo：2.94％；
N：0.38％；
B：0.010％；
Fe余量。
在实施例1-5中，出钢浇铸前加入镧铈混合稀土，浇注成型后，经热锻后，再经一定固溶处理，得到最终的高强度的双相不锈钢合金，本发明合金的力学性能试样、腐蚀试验用试样和工业性挂片均直接从锻态坯子上横向取样，经1080℃×40min水冷固溶处理后测试性能。为便于对比，还同时冶炼了UNS32906双相不锈钢、316L和OCr18Ni12Mo2Ti奥氏体不锈钢。对比试验均在相同的冶炼、锻造、热处理和腐蚀试验等条件下进行。
上述实施例所述合金和各对比钢的化学成分、力学性能、耐腐蚀性能和高温抗拉强度实验数据见图1至图6；图1为按照本发明的高强度的双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例高温抗拉强度试验结果图；图2为按照本发明的高强度的双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例高温拉伸性能对比图；图3为图2按照本发明的高强度的双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例高温拉伸性能对比图续；图4为按照本发明的高强度的双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例室温力学性能对比图；图5为按照本发明的高强度的双相不锈钢合金的实施例1-5与对比例在沸腾温度5％(wt.％)H2SO4水溶液中的均匀腐蚀性能。
综上所述，在本实施例中，针对现有双相不锈钢在原料成本方面的不足，以氮和锰代替镍元素，稳定奥氏体，节约大量成本，另外，镧铈混合稀土元素固溶在钢中后，能提高富Cr钝化膜的稳定性，提高耐腐蚀性能；稀土元素还能富集在晶界，减少杂质元素在晶界偏聚，增加晶界强度，提高晶界的抗腐蚀能力和力学性能。
本发明合金以氮代镍，生产成本低，按炼钢用铁合金原料成本核算，以镍价格每吨10万元计算，其每吨钢生产成本可比OCr18Ni12Mo2Ti奥氏体不锈钢降低12％左右，节约费用约1200元。此外，由于本发明合金强度高且耐蚀性较好，所以如果以其取代316L和OCr18Ni12Mo2Ti等奥氏体不锈钢将导致工件寿命大幅度提高，由此将带来可观的的经济和社会效益，此外，本发明合金还具有良好的铸造、耐腐蚀、加工性及焊接性能，可用于结构暴露于高氯离子或腐蚀性工业环境下用钢，使用融雪剂的道路和桥梁用钢，海洋围墙或防御工事用钢，高速公路桥和路面用钢筋等。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高强度的双相不锈钢合金，其特征在于，包括如下质量百分比的组成成分：
C≤0.025％；
S≤0.005％；
P≤0.02％；
Si≤2.00％；
Mn：6.00～10.00％；
Cr：30.0～35.0％；
Ni：4.0～6.0％；
Mo：3.0～5.0％；
W：0.2-1.0％；
N：0.3～0.6％；
B：0.01～0.02％；
混合稀土：0.01～0.1％；
Fe余量。
2.根据权利要求1所述的一种高强度的双相不锈钢合金，其特征在于，所述混合稀土为镧铈混合稀土。
3.根据权利要求2所述的一种高强度的双相不锈钢合金，其特征在于，所述镧铈混合稀土中，La≤48％，Ce≤45％。
4.根据权利要求3所述的一种高强度的双相不锈钢合金，其特征在于，所述镧铈混合稀土中还La和Ce的含量总和≥99.7％。
5.根据权利要求4所述的一种高强度的双相不锈钢合金，其特征在于，所述镧铈混合稀土中还含有镨、钕、钷、钐稀土元素的一种或几种。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述的高强度的双相不锈钢合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：冶炼、铸造、铸锭或铸坯开坯、热轧和固溶处理。
7.根据权利要求6所述的高强度的双相不锈钢合金的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1：冶炼
采用真空感应炉、非真空冶炼、电炉加炉外精炼、转炉加炉外精炼中任一种工艺冶炼；
步骤2：铸锭或铸锭开坯
铸锭或铸坯采用锻造开坯或连铸连轧；
步骤3：热轧
铸锭或铸锭开坯后对钢材进行热轧，热轧时坯料加热温度为1150-1250℃，开轧温度为1150-1200℃，终轧温度为950-1050℃；
步骤4：固溶处理
钢材热轧后在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为1050-1150℃，保温30-60min后冷却。
8.根据权利要求7所述的一种高强度的双相不锈钢合金的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，在冶炼出钢浇铸前加入稀土金属，浇铸温度控制在1570-1660℃。
9.根据权利要求7所述的一种高强度的双相不锈钢合金的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，锻造开坯或连铸连轧的加热温度为1150-1300℃，开坯始锻温度为1150-1300℃，终锻温度为950-1050℃。
10.根据权利要求7所述的一种高强度的双相不锈钢合金的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，冷却方式采用水冷或空冷。
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