CN110499455B - 一种时效硬化奥氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时效硬化奥氏体不锈钢，以重量百分百计，包含0.04～0.12的碳、0.8～1.6的硅、1.5～2.5的锰、18.0～23.0的铬、8.0～12.0的镍、0.5～1.5的钼、≤0.50的铜、0.15～0.25的氮、≤0.80的铌、≤0.80的钴，并且0.3≤铌+钴≤1.0，余量为铁和不可避免的杂质。本发明还公开了该不锈钢的制备方法。通过化学成分设计和制造过程控制，获得具有高强度、无磁性和良好的耐腐蚀性能的奥氏体不锈钢硬态线材，可应用于加工制造高性能不锈钢弹簧等线材用途，其抗拉强度达到1600MPa以上，PREN值≥23以上。

Description

一种时效硬化奥氏体不锈钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及不锈钢，更具体地是指一种时效硬化奥氏体不锈钢及其制备方法。

背景技术

不锈钢弹簧等硬态材料广泛使用于电子、家电、工业和民用等产品，其使用状态一般为冷加工状态，比经热处理(固溶处理或退火处理等)后的相同材料强度和硬度更高，因此适用于需要高强度和高硬度的使用领域。

不锈钢弹簧等硬态材料常用钢种有301、302和304等300系不锈钢，该类不锈钢综合性能较好、生产工艺成熟，应用比较广泛。固溶后的301、302和304塑韧性良好并且是无磁的，但该类不锈钢冷变形后会产生大量的马氏体，导致其塑韧性和耐蚀性变差，疲劳性能也下降，并且产生磁性，甚至容易出现延迟性断裂，因此限制了该类钢种的使用范围。一些化工机械和电子行业等工作环境比较苛刻的领域，要求耐腐蚀、无磁等综合性能更加优良的材料。

申请号为200610023520.X公开了一种高强度和抗点蚀不锈钢及其制备方法，其组成成分的重量百分比为：C：0.02～0.06％，Mn：≤1.5％，Si：≤1.5％，S：≤0.03％，P：≤0.04％，Cr：23～26％，Ni：12～16％，Mo：1.25～1.8％，N：0.18～0.25％，其余为铁和不可避免的杂质，可应用在较高温度(300℃)和较高压力(9.0MPa)的腐蚀环境下，但其成本较高且未涉及硬态高强度和无磁性。

申请号为201280065481.3涉及一种可以使用为高强度弹簧用钢材的亚稳定奥氏体系不锈钢的成分控制及制造工艺，其化学成分以重量％计：包含0.05～0.15的C、0.05～0.09％的N、15～18的Cr、6～8的Ni、超过1.0％且到1.5％为止的Si、0.5～0.9的Mo、0.4～1.2的Mn、1.5％以下的Cu，其余包含Fe及其他不可避免的杂质，且Md30温度满足25～30℃范围，其通过δ铁素体相的固溶强化使得在80％冷轧压下率下拉伸强度为2200Mpa以上而硬度在570Hv以上，但该专利不锈钢耐蚀性较差和冷变形有磁性。

JP2014513854公开了一种具有高弹性极限应力和优异韧性的高强度非磁性奥氏体不锈钢材料，其成分及重量百分比为：C：≤0.12％，Si：0.30～3.0％，Mn：2.0～9.0％，Ni：7.0～15.0％，Cr：11.0～20.0％，N：≤0.30％，以及≤3.0％的Mo或≤1.0％的V或≤1.0％的Nb或≤1.0％的Ti的至少一种，B：＜0.010％，其余为Fe及不可避免的杂质，并且镍当量在19.0以上，d^-1/2在0.40以上(其中d(μm)代表奥氏体平均晶粒度)，冷变形50％以上时磁导率μ低于1.0100以下，但该不锈钢耐腐蚀性偏低且成本较高。

JP20110042775发明了一种无磁高强度和高屈服点的奥氏体不锈钢，其成分及重量百分比为：0.005-0.08％的C，0.15-1.00％的Si,0.30-2.00％Mn，≤0.035％的P，≤0.015％的S，0.005～0.040％的sol.Al，8.00-10.50％的Ni，18.00～20.00％的Cr，0～4.0％的Cu，其余为Fe及不可避免的杂质，可应用于需要磁导率小于1.02和维氏硬度介于250-500的模具材料上，但该专利不锈钢强度和耐蚀性仍然偏低。

以上奥氏体不锈钢相关专利涉及高强、高耐蚀、无磁等奥氏体不锈钢的相关方面性能，但其均存在某些方面的不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种时效硬化奥氏体不锈钢及其制备方法，能够使得该奥氏体不锈钢硬态线材具有高强度，高抗拉强度、无磁性和良好的耐腐蚀性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一方面，一种时效硬化奥氏体不锈钢，按重量百分比，包含：

0.04～0.12的碳、0.8～1.6的硅、1.5～2.5的锰、18.0～23.0的铬、8.0～12.0的镍、0.5～1.5的钼、≤0.50的铜、0.15～0.25的氮、≤0.80的铌、≤0.80的钴，并且0.3≤铌+钴≤1.0，余量为铁和不可避免的杂质。

另一方面，一种时效硬化奥氏体不锈钢的制备方法，包括：

A.依次由电炉、氩氧脱碳炉、钢包精炼炉进行冶炼，在冶炼后浇铸得到连铸方坯；

B.将连铸方坯放入步进式加热炉中加热，在线材轧制机组上热轧成所需规格的线材，通过固溶处理、酸洗后得到奥氏体不锈钢热轧盘条；

C.将热轧盘条冷拔至不同直径并退火得到冷拔线材，以获得高强度硬态线材。

在步骤A中，所述的连铸控制过热度小于50℃，连铸拉速控制在1.2～2.0m/min。

在步骤B中，所述的热轧过程温度控制在950～1250℃。

在步骤B中，所述的固溶处理温度控制在1020～1120℃。

在步骤C中，所述的冷拔至变形量75％以上并在400～600℃时效。

采用本发明的时效硬化奥氏体不锈钢及其制备方法，通过化学成分设计和制造过程控制，获得具有高强度、无磁性和良好的耐腐蚀性能的奥氏体不锈钢硬态线材，可应用于加工制造高性能不锈钢弹簧等线材用途，其抗拉强度达到1600MPa以上，PREN值≥23以上。

具体实施方式

本发明的时效硬化奥氏体不锈钢，以按重量百分比，包含：0.04～0.12的碳、0.8～1.6的硅、1.5～2.5的锰、18.0～23.0的铬、8.0～12.0的镍、0.5～1.5的钼、≤0.50的铜、0.15～0.25的氮、≤0.80的铌、≤0.80的钴，并且0.3≤铌+钴≤1.0，余量为铁和不可避免的杂质。其中，

碳：是强奥氏体形成元素，能提高钢的强度，显著降低Md30/50温度，有效抑制冷变形过程中磁性马氏体产生。当碳含量过高时，会导致腐蚀性能显著下降，以及强度太高塑性太差造成冷加工困难。因此碳含量优先在0.04～0.12％。

硅：是铁素体形成元素，在熔炼过程中还能作为脱氧剂。奥氏体钢中含一定量的硅有助于提高抗氧化性能和耐酸腐蚀性能，但加入过多，硅会加速金属间相的析出，则会使加工和韧性劣化，因此硅的加入控制在0.8～1.6％为好。

锰：是弱奥氏体元素，起到稳定奥氏体的作用，锰成本较低，可以利用锰一定程度上取代镍，此外锰的添加可以显著提高氮的溶解度，且降低Md30/50温度。锰对不锈钢的耐腐蚀性的影响基本上都是负面的，为兼顾材料的成本和耐腐蚀性能，锰含量应控制在1.5～2.5％之间。

铬：改善耐蚀性的重要元素，能提高不锈钢在氧化性酸中耐蚀性，提高其在氯化物溶液中的耐应力腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀能力。过低时耐蚀性较差，但铬含量过高，会增大铁素体及金属间化合物析出倾向，因此优选为18.0～23.0％。

镍：作为强烈的形成和扩大奥氏体区的元素，可以提高奥氏体组织的稳定性和提高热加工性能，能够提高钢的冲击韧性，降低钢的韧-脆转变温度，但镍的价格较高，因此优选镍含量应控制在8.0～12.0％之间。

钼：为铁素体形成元素，可改善合金耐蚀性，尤其是在与铬复合作用的情况下，其耐点蚀当量是铬的3.3倍，但考虑价格因素不宜多加，因此优选控制在0.5～1.5％之间。

氮：是强奥氏体形成元素，氮的奥氏体形成能力远高于镍，显著降低Md30/50温度，其取代Ni可显著降低成本，其次，氮与铬钼协同作用可以显著提高奥氏体相的耐腐蚀性能，尤其是耐点腐蚀性能和耐缝隙腐蚀性能，但是氮也是很强的固溶强化元素，过高的氮将显著提高双相不锈钢的强度与硬度，增大氮化物形成的风险，降低材料的韧性和耐蚀性，对冷加工造成不利影响，因此优选控制在0.15～0.25％之间。

铜：是奥氏体形成元素，能够改善成形性及提高还原性酸中耐蚀性。过高的铜不利于热加工，因此优选控制在≤0.50％。

铌：与C、N具有很强的化合作用，作为钢中的稳定化元素改善钢的耐腐蚀性能，另外弥散强化和细化晶粒来提高材料力学性能。过高对塑性不利且成本较高，因此优选控制在≤0.80％。

钴：是奥氏体形成元素，可以提高钢的耐磨性、强度和抗氧化性，过高成本较高。因此本发明钢中钴含量控制在≤0.80％。

本发明与现有技术的成分对比如表1所示：

表1(wt.％)

与现有技术相比，本发明的不锈钢具有以下特点和积极效果：

氮和碳是强奥氏体形成元素，本发明将碳和氮含量控制在合理范围之内，分别为0.04～0.12％和0.15～0.25％，一方面起到稳定奥氏体的作用，显著降低Md30/50温度，有效抑制冷变形过程中磁性马氏体产生，另一方面合理的碳氮含量又不明显降低材料的塑韧性；另外，将锰含量控制在1.5～2.5％和镍含量控制在8.0～12.0％，有利于进一步稳定奥氏体，使得大量冷变形下仍能保持无磁性，同时保证良好的加工性能；另外控制较高的铬和钼含量，分别为18.0～23.0％和0.5～1.5％，以及适量的硅，根据评价不锈钢耐点腐蚀性能的经验公式PREN(耐点蚀当量)＝Cr％+3.3Mo％+16N％-Mn％，本发明奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性能。

另外本发明奥氏体不锈钢控制铌≤0.80，钴≤0.80，并且0.3≤铌+钴≤1.0，使得其在冷变形后的时效过程中能够有弥散的析出相析出，从而提高材料的强度，但不影响材料的加工。

本发明时效硬化奥氏体不锈钢可利用现有的不锈钢线材产线批量生产，具体制备方法为经电炉+AOD(氩氧脱碳炉)+LF(钢包精炼炉)方式冶炼后，通过连铸得到连铸方坯，连铸控制过热度小于45℃，连铸拉速控制在为1.2～2.0m/min，因采用连铸工艺进一步降低生产成本；在线材轧制机组上热轧成所需规格的线材，轧制过程温度控制在950～1250℃，热轧线材然后进行固溶处理，其固溶处理温度控制在1020～1120℃之间，酸洗后得到奥氏体不锈钢热轧盘条产品。然后将热轧盘条冷拔至变形量75％以上并在400～600℃时效，并在400～600℃时效，可以获得高强度硬态线材。由于合理的化学成分设计、控制合适的热加工和热处理工艺，使得生产的奥氏体不锈钢线材产品具有良好的塑性，其冷加工性能良好，冷拔变形量达到75％时经400～600℃时效后抗拉强度达到1600MPa以上，并且具有无磁和良好的腐蚀性能(PREN值≥23以上)。

下面通过表2列出了本发明的多个实施例的成分、对比例1的304奥氏体不锈钢的化学成分，以及作为对比例2的316奥氏体不锈钢的化学成分，其生产工艺与实施例相同。

表2实施例和对比例成分，余量为铁(wt.％)

	C	Si	<u>Mn</u>	Cr	Ni	Mo	Cu	N	<u>Nb</u>	Co	<u>Nb+Co</u>
												实施例1	0.06	0.8	2.0	19.1	12.0	1.5	0.1	0.17	0.3	0.4	0.7
实施例2	0.04	1.0	2.5	20.3	9.5	1.2	0.2	0.19	0.4	0.1	0.5
												实施例3	0.12	1.2	1.7	18.0	10.3	1.4	0.2	0.15	0.2	0.8	1.0
实施例4	0.08	1.4	1.5	21.2	11.1	0.9	0.1	0.21	0.8	0.1	0.9
												实施例5	0.07	1.1	2.3	22.4	8.0	0.5	0.5	0.25	0.1	0.2	0.3
实施例6	0.10	1.6	2.1	23.0	8.8	0.7	0.3	0.23	0.2	0.2	0.4
												对比例1	0.05	0.3	1.3	18.2	8.1	-	0.1	0.03	-	-	-
对比例2	0.04	0.5	1.1	16.5	11.3	2.1	0.1	0.04	-	-	-

表3列出了本发明的多个实施例和对比例的各项性能对比，其中力学性能按照GB/T 228-2007测得，采用磁性测量仪检测磁性马氏体相的含量。

表3实施例与对比例性能对比

由表2可见，本发明的不锈钢的贵金属镍、钼总的含量相比于304不锈钢略高，相比316奥氏体不锈钢更低或相当，成本适中；由表3可见，本发明相比304、316奥氏体不锈钢，Md30/50温度较低，相同的冷变形量下其冷加工硬化速度更低且不产生马氏体相变，这有利于降低弹簧等生产难度和减少生产模具损耗，同时有较好的时效硬化能力，可以最终获得高强度(抗拉强度≥1600MPa以上)，并且保持无磁性且具有相当于或优于316奥氏体不锈钢的耐腐蚀性(PREN值≥23以上)，因此，本发明可用于一些要求耐腐蚀、无磁和高强度的化工机械和电子行业等工作环境比较苛刻的领域。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (3)

1.一种时效硬化奥氏体不锈钢，其特征在于，按重量百分比，包含：

0.04~0.12的碳、0.8～1.6的硅、1.5~2.5的锰、18.0～23.0的铬、8.0~12.0的镍、0.5~1.5的钼、≤0.50的铜、0.15～0.25的氮、≤0.80的铌、≤0.80的钴，并且0.3≤铌+钴≤1.0，余量为铁和不可避免的杂质，其抗拉强度达到1600MPa以上，PREN值≥23以上，其中PREN为耐点蚀当量，

所述时效硬化奥氏体不锈钢由以下步骤制备而成：

A.依次由电炉、氩氧脱碳炉、钢包精炼炉进行冶炼，在冶炼后浇铸得到连铸方坯，所述的连铸控制过热度小于50℃；

B.将连铸方坯放入步进式加热炉中加热，在线材轧制机组上热轧成所需规格的线材，通过固溶处理、酸洗后得到奥氏体不锈钢热轧盘条，所述的热轧过程温度控制在950～1250℃，所述的固溶处理温度控制在1020～1120℃；

C.将热轧盘条冷拔至不同直径并时效得到冷拔线材，以获得高强度硬态线材，所述的冷拔至变形量75%以上并在400~600℃时效。

2.如权利要求1所述的时效硬化奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

A.依次由电炉、氩氧脱碳炉、钢包精炼炉进行冶炼，在冶炼后浇铸得到连铸方坯，所述的连铸控制过热度小于50℃；

B.将连铸方坯放入步进式加热炉中加热，在线材轧制机组上热轧成所需规格的线材，通过固溶处理、酸洗后得到奥氏体不锈钢热轧盘条，所述的热轧过程温度控制在950～1250℃，所述的固溶处理温度控制在1020～1120℃；

C.将热轧盘条冷拔至不同直径并时效得到冷拔线材，以获得高强度硬态线材，所述的冷拔至变形量75%以上并在400~600℃时效。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在步骤A中，连铸拉速控制在1.2～2.0m/min。