CN111101050A - 一种屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种新型屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料及其制备方法，该不锈钢成品主要化学成分为：C：≤0.16％，Si：≤1.0％，Mn：8.00～12.00％，P：≤0.050％，S：≤0.020％，Cr：17.00～20.00％，Ni：0.50～1.50％，Mo:≤0.60％，Cu：0.50～1.50％，N：0.10～0.50％，其余为铁和不可避免的杂质元素；本发明屈服强度≥400Mpa，抗拉强度≥800Mpa，该奥氏体不锈钢可用于加工成高屈服强度、韧性和无磁性良好匹配使用的领域，例如装饰及屋面瓦。具有强度高、塑性好、无磁性、性价比高、耐腐蚀性能好等特点。

Description

一种屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种不锈钢生产技术领域，特别是一种屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料及其制备方法。
背景技术
钢结构围护***用墙面、屋顶材料广泛采用碳钢基材涂镀材料来制作，由于碳钢基材彩涂板耐腐蚀性差，使用效果不尽人意，目前不锈钢屋面瓦正在蓬勃发展。
在不锈钢材料种类中，其材质有奥氏体不锈钢，铁素体不锈钢及双相不锈钢。铁素体不锈钢强度低，制成材料后强度性能不佳，对生产及运输要求很高。双相不锈钢尽管性能优良，但由于生产工艺难度大，价格昂贵，难以得到大量使用。
在建筑围护用材料中，使用最多的是304奥氏体不锈钢和430铁素体不锈钢。304奥氏体不锈钢耐腐蚀性好，加工性能好，但是含镍量高，成本高。镍属于贵重金属，我国储量不多，大幅度使用镍使得成本大幅增加。430铁素体不锈钢强度低，耐腐蚀性一般，难以满足要求。为了开发性能良好，性价比高的屋面用不锈钢材料，可以利用锰、氮代镍来开发新材料，一方面节省成本，另一方面提高了材料强度。
中国专利CN200810042817.X通过添加较高的Mn含量，确保奥氏体组织的稳定性，从而获得冷变形条件下保持无磁性能。该专利中含有较高含量的N，在冷变形条件下，材料的强度会大大增加，获得高强度性能。但该专利获得高强度依然是通过冷轧变形，这和传统的调质一样，面临着同板性能差异大，板型难以精确控制等问题；同时含Mo量较高，成本高。
中国专利CN201310367890.5公开了一种高氮奥氏体不锈钢，其N含量大于1.0%。实际上，在工业大规模生产模式下，目前还不能稳定生产N含量高于1.0%的产品。因此，高氮钢的生产还基本上处于实验室或者中试阶段，尺寸受到限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种低镍的，具有强度高、塑性好、无磁性、性价比高的屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料。本发明还涉及该高氮奥氏体不锈钢新材料的一种制备方法。
本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料，其特点是：
其化学成分为：
C：≤0.16%，Si：≤1.0%，Mn：8.00~12.00%，P：≤0.050%，S：≤0.020%，Cr：17.00~20.00%，Ni：0.50~1.50%，Mo: ≤0.60%，Cu：0.50~1.50%，N：0.10~0.50%，余量为铁和通常炼钢存在的杂质；
评价奥氏体不锈钢的稳定性的Md30＝-88.79~-60.02℃，采用如下公式：
Md30 =497-20(%Ni+%Cu)-13.7(%Cr)-8.1(%Mn)-9.2(%Si)-462(%C+%N)，
式中： Md30为发生30%应变后产生50%马氏体的温度。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，其化学成分为：C：0.12%，Si：0.56%，Mn：9.60%，P：0.032%，S：0.006%，Cr：19.10%，Ni：1.02%，Mo: 0.04%，Cu：1.05%，N：0.306%，其余为Fe和通常炼钢存在的杂质。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，其化学成分为：C：0.13%，Si：0.55%，Mn：9.58%，P：0.035%，S：0.008%，Cr：19.08%，Ni：1.01%，Mo: 0.04%，Cu：0.95%，N：0.286%，其余为Fe和通常炼钢存在的杂质。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，其化学成分为：C：0.09%，Si：0.54%，Mn：9.62%，P：0.035%，S：0.004%，Cr：19.20%，Ni：1.03%，Mo: 0.03%，Cu：1.10%，N：0.315%，其余为Fe和通常炼钢存在的杂质。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述杂质含量低于0.05%。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述不锈钢耐点蚀当量PREN值≥20。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述不锈钢力学性能的屈服强度≥400Mpa，抗拉强度≥800Mpa，断后延伸率≥25%。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述不锈钢物理性能的纵向弹性模量≥220Mpa。
一种所述屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料的制造方法，包含以下步骤：
（1）高炉铁水兑入AOD，AOD炉吹氧脱碳，调整C含量至目标范围，初步调整Si、Mn、P、S、Cr、Ni、N含量；
（2）LF工序：将AOD工序产出钢水进一步脱氧，控制氧含量≤35ppm，精炼后期加入80~120m硅钙线，软吹氩10~30min上连铸；
（3）连铸工序：控制过热度在20~30℃进行连续铸钢，拉速控制在1.00~1.05m/min；
（4）热轧工序：控制加热炉出炉温度在1250~1280℃左右，保证粗轧温度控制在1200~1240℃；
（5）退火酸洗工序：控制退火温度在1130~1150℃，退火结束采用快冷，保证组织全部为奥氏体；
（6）冷轧工序：由高速轧机经8~9道次，总压下率控制在60~70%；
（7）光亮退火工序：将冷轧轧制好的不锈钢带经过光亮退火，光亮退火温度控制在1110~1120℃，以氨分解气为保护气体，其中氢气：氨气为3：1，酸洗钝化后得产品。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述步骤（5）中，酸洗前采用机械破鳞辊破鳞。
本发明与现有技术相比，关键技术在于化学成分的设计，开发出一种低镍，强度高，性价比高的奥氏体不锈钢材料。该奥氏体不锈钢可用于加工成高屈服强度、韧性和无磁性良好匹配使用的领域，例如装饰及屋面瓦。具有强度高、塑性好、无磁性、性价比高、耐腐蚀性能好等特点。
具体实施方式
以下进一步描述本发明的具体技术方案，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，而不构成对其权利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
一种屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料，其化学成分为：
C：≤0.16%，Si：≤1.0%，Mn：8.00~12.00%，P：≤0.050%，S：≤0.020%，Cr：17.00~20.00%，Ni：0.50~1.50%，Mo: ≤0.60%，Cu：0.50~1.50%，N：0.10~0.50%，余量为铁和通常炼钢存在的杂质；
评价奥氏体不锈钢的稳定性的Md30＝-88.79~-60.02℃，采用如下公式：
Md30 =497-20(%Ni+%Cu)-13.7(%Cr)-8.1(%Mn)-9.2(%Si)-462(%C+%N)，
式中： Md30为发生30%应变后产生50%马氏体的温度。
所述杂质含量低于0.05%。
所述不锈钢耐点蚀当量PREN值≥20。
所述不锈钢力学性能的屈服强度≥400Mpa，抗拉强度≥800Mpa，断后延伸率≥25%。
所述不锈钢物理性能的纵向弹性模量≥220Mpa。
一种所述屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料的制造方法，包含以下步骤：
（1）高炉铁水兑入AOD，AOD炉吹氧脱碳，调整C含量至目标范围，初步调整Si、Mn、P、S、Cr、Ni、N含量；
（2）LF工序：将AOD工序产出钢水进一步脱氧，控制氧含量≤35ppm，精炼后期加入80~120m硅钙线，软吹氩10~30min上连铸；
（3）连铸工序：控制过热度在20~30℃进行连续铸钢，拉速控制在1.00~1.05m/min；
（4）热轧工序：控制加热炉出炉温度在1250~1280℃左右，保证粗轧温度控制在1200~1240℃；
（5）退火酸洗工序：控制退火温度在1130~1150℃，退火结束采用快冷，保证组织全部为奥氏体；
（6）冷轧工序：由高速轧机经8~9道次，总压下率控制在60~70%；
（7）光亮退火工序：将冷轧轧制好的不锈钢带经过光亮退火，光亮退火温度控制在1110~1120℃，以氨分解气为保护气体，其中氢气：氨气为3：1，酸洗钝化后得产品。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述步骤（5）中，酸洗前采用机械破鳞辊破鳞。
本发明的Md30要低于304不锈钢，说明本发明不锈钢的奥氏体稳定性要比304好，更不容易诱发α′—马氏体转变。
耐蚀性是不锈钢的最重要性能，对于耐蚀性评价常用点蚀当量公式，公式如下：PREN=Cr%+3.3*Mo%+16*N%。典型不锈钢及本发明的成分如表2所示，典型不锈钢及本发明的点蚀当量计算结果如表3所示。
PREN值是一种比较不同不锈钢之间耐局部腐蚀能力的常用经验方法，其值越高，相对来说耐腐蚀性能越好。因此本发明一种新型屋面板用高氮奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性能。
表2 典型不锈钢点蚀当量计算值。
钢种 C Si Mn P S Cr Ni Cu N
304 0.05 0.43 1.17 0.030 0.008 18.15 8.05 0.022 0.046
430 0.09 0.55 0.52 0.025 0.005 17.00 / / 0.030
本发明 0.08 0.60 9.50 0.035 0.006 19.05 1.00 1.00 0.300
表3 典型不锈钢点蚀当量计算值。
钢种 PREN
304 18.89
430 17.48
本发明 23.85
本发明一种新型屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料，其力学性能较好，力学性能参数见表4。由表4知，新型高氮奥氏体不锈钢新材料的屈服强度和抗拉强度达到了304和430不锈钢的1倍，断后延伸率接近。
表4 产品力学性能比较。
钢种 屈服强度/Mpa 抗拉强度/Mpa 断后伸长率A/(%) 硬度HRB
304 ≥205 ≥515 ≥30 ≤90
430 ≥205 ≥420 ≥30 ≤89
本发明 ≥400 ≥800 ≥25 ≤100
强度提高的好处就是在产品的使用中，可以减少产品厚度，从而降低成本。如果按照强度换算，相同工况下屋面板用各种材料的选用厚度见表5。由表5可知，使用新型屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料，材料厚度相比Q195基材的彩涂板可以减少一半，大幅度降低成本。而相比于传统的304、316、430不锈钢，新型含氮不锈钢强度也要高得多，同样减薄在成本上优势很大。
表5 不同材料使用厚度换算。
钢种 屈服强度/Mpa 使用厚度/mm
Q195 ≥195 0.60
Q235 ≥235 0.50
304 ≥205 0.57
316 ≥205 0.57
430 ≥205 0.57
本发明 ≥400 0.30
本发明及常用不锈钢的物理性能见表6。由表6知，本发明物理性能满足屋面用材料要求，尤其是纵向弹性模量较大，在屋顶使用时不易变形。
表6 典型不锈钢钢板和钢带的物理性能
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在本发明中：
C：碳是强奥氏体形成元素，碳的存在能够提高钢的强度。但是碳含量高，对耐腐蚀性不利，原因在于会形成碳化物析出，而碳含量过低给生产带来难度和提高成本，因此本发明碳含量控制在≤0.16%。
Si：硅是形成铁素体的元素，硅可以抗氧化性，改善铸造性。硅含量控制在≤1.0%。
Mn：锰是形成奥氏体的合金元素，可以代替部分镍使用；锰还可以提高氮的溶解度，由于本发明Ni含量较少，因此锰含量控制在8.00~12.00%。
P：磷被视作杂质元素，磷会对热塑性和耐蚀性产生影响，因此磷含量控制越低越好，磷含量控制在≤0.050%。
S：除易切削钢外，硫通常被视作钢中杂质元素，有害降低了钢材的强度和韧性，因此硫含量控制越低越好，以提高材料综合性能，因此硫含量控制在≤0.020%。
Cr：铬是不锈钢中最重要的元素，铬含量是保证耐腐蚀性的前提，不锈钢之所以耐腐蚀性能好，其原因就在于在钢表面形成一层致密的含铬钝化膜，起到了保护作用。铬含量过高耐腐蚀性越好，因此铬含量控制在：17.00~20.00%。
Ni：镍是形成奥氏体的重要元素，可以提高奥氏体组织的稳定性，有利于保证无磁性，提高热加工性能。但镍属于贵重合金，价格较高，因此镍控制在0.50~1.50%。
N：氮是强奥氏体形成元素，有利于保证无磁性，代替镍可显著降低成本，对于含氮不锈钢，氮是不可或缺的元素；氮可以提高奥氏体不锈钢的强度；其次，氮还可以提高奥氏体不锈钢耐点蚀能力，但过高的氮给生产带来困难，因此氮含量控制在0.10~0.50%。
Cu：铜可以改善加工性能，还可以增加材料的耐腐蚀性能，但是铜价格较贵，因此铜含量控制在0.50~1.50%。
实施例子1
一种新型屋面板用高氮奥氏体不锈钢，其化学成分为：C：0.13%，Si：0.55%，Mn：9.58%，P：0.035%，S：0.008%，Cr：19.08%，Ni：1.01%，Mo: 0.04%，Cu：0.95%，N：0.286%，其余为Fe和不可避免的杂志元素；其Md30/50：-78.45。
一种新型屋面板用高氮奥氏体不锈钢的生产方法，包括以下步骤：
（1）高炉铁水兑入AOD，AOD炉吹氧脱碳，调整C含量至目标范围，初步调整Si、Mn、P、S、Cr、Ni、N含量。
（2）LF工序：将AOD工序产出钢水进一步脱氧，控制氧含量≤35ppm。精炼后期加入80m硅钙线，软吹氩18min上连铸。
（3）连铸工序：控制过热度在20℃进行连续铸钢，拉速控制在1.05m/min.
（4）热轧工序：控制加热炉出炉温度在1270℃左右，保证粗轧温度控制在1240℃上下。
（5）退火酸洗工序：控制退火温度在1150℃，退火结束采用快冷，保证组织全部为奥氏体。
（6）冷轧工序：由高速轧机经8道次，总压下率控制在60%。
（7）光亮退火工序：将冷轧轧制好的不锈钢带经过光亮退火，光亮退火温度控制在1120℃，以氨分解气为保护气体，其中氢气：氨气为3：1，酸洗钝化后得2B面产品。
实施例2
一种新型屋面板用高氮奥氏体不锈钢，其化学成分为：C：0.12%，Si：0.56%，Mn：9.60%，P：0.032%，S：0.006%，Cr：19.10%，Ni：1.02%，Mo: 0.04%，Cu：1.05%，N：0.306%，其余为Fe和不可避免的杂志元素；其Md30/50：-85.79。
一种新型屋面板用高氮奥氏体不锈钢的生产方法，包括以下步骤：
（1）高炉铁水兑入AOD，AOD炉吹氧脱碳，调整C含量至目标范围，初步调整Si、Mn、P、S、Cr、Ni、N含量。
（2）LF工序：将AOD工序产出钢水进一步脱氧，控制氧含量≤30ppm。精炼后期加入100m硅钙线，软吹氩20min上连铸。
（3）连铸工序：控制过热度在25℃进行连续铸钢，拉速控制在1.02m/min.
（4）热轧工序：控制加热炉加热温度在1250℃左右，保证粗轧温度控制在1240℃上下。
（5）退火酸洗工序：控制退火温度在1130℃，退火结束采用快冷，保证组织全部为奥氏体。
（6）冷轧工序：由高速轧机经8道次，总压下率控制在65%。
（7）光亮退火工序：将冷轧轧制好的不锈钢带经过光亮退火，光亮退火温度控制在1110℃，以氨分解气为保护气体，其中氢气：氨气为3：1，酸洗钝化后得2B面产品。
实施例3
一种新型屋面板用高氮奥氏体不锈钢，其化学成分为：C：0.09%，Si：0.54%，Mn：9.62%，P：0.035%，S：0.004%，Cr：19.20%，Ni：1.03%，Mo: 0.03%，Cu：1.10%，N：0.315%，其余为Fe和不可避免的杂志元素；其Md30/50：-78.64。
一种新型屋面板用高氮奥氏体不锈钢的生产方法，包括以下步骤：
（1）高炉铁水兑入AOD，AOD炉吹氧脱碳，调整C含量至目标范围，初步调整Si、Mn、P、S、Cr、Ni、N含量。
（2）LF工序：将AOD工序产出钢水进一步脱氧，控制氧含量≤25ppm。精炼后期加入120m硅钙线，软吹氩25min上连铸。
（3）连铸工序：控制过热度在30℃进行连续铸钢，拉速控制在1.00m/min.
（4）热轧工序：控制加热炉加热温度在1250℃左右，保证粗轧温度控制在1200℃上下。
（5）退火酸洗工序：控制退火温度在1150℃，退火结束采用快冷，保证组织全部为奥氏体。
（6）冷轧工序：由高速轧机经9道次，总压下率控制在70%。
（7）光亮退火工序：将冷轧轧制好的不锈钢带经过光亮退火，光亮退火温度控制在1120℃，以氨分解气为保护气体，其中氢气：氨气为3：1，酸洗钝化后得2B面产品。。

Claims (10)

1.一种屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料，其特征在于：
其化学成分为：
C：≤0.16％，Si：≤1.0％，Mn：8.00～12.00％，P：≤0.050％，S：≤0.020％，Cr：17.00～20.00％，Ni：0.50～1.50％，Mo:≤0.60％，Cu：0.50～1.50％，N：0.10～0.50％，余量为铁和通常炼钢存在的杂质；
评价奥氏体不锈钢的稳定性的Md30＝-88.79～-60.02℃，采用如下公式：
Md30＝497-20(％Ni+％Cu)-13.7(％Cr)-8.1(％Mn)-9.2(％Si)-462(％C+％N)，
式中：Md30为发生30％应变后产生50％马氏体的温度。
2.根据权利要求1所述的屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料，其特征在于：其化学成分为：C：0.12％，Si：0.56％，Mn：9.60％，P：0.032％，S：0.006％，Cr：19.10％，Ni：1.02％，Mo:0.04％，Cu：1.05％，N：0.306％，其余为Fe和通常炼钢存在的杂质。
3.根据权利要求1所述的屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料，其特征在于：其化学成分为：C：0.13％，Si：0.55％，Mn：9.58％，P：0.035％，S：0.008％，Cr：19.08％，Ni：1.01％，Mo:0.04％，Cu：0.95％，N：0.286％，其余为Fe和通常炼钢存在的杂质。
4.根据权利要求1所述的屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料，其特征在于：其化学成分为：C：0.09％，Si：0.54％，Mn：9.62％，P：0.035％，S：0.004％，Cr：19.20％，Ni：1.03％，Mo:0.03％，Cu：1.10％，N：0.315％，其余为Fe和通常炼钢存在的杂质。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料，其特征在于：所述杂质含量低于0.05％。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料，其特征在于：所述不锈钢耐点蚀当量PREN值≥20。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料，其特征在于：所述不锈钢力学性能的屈服强度≥400Mpa，抗拉强度≥800Mpa，断后延伸率≥25％。
8.根据权利要求1、2、3或4所述的屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料，其特征在于：所述不锈钢物理性能的纵向弹性模量≥220Mpa。
9.一种所述屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料的制造方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)高炉铁水兑入AOD，AOD炉吹氧脱碳，调整C含量至目标范围，初步调整Si、Mn、P、S、Cr、Ni、N含量；
(2)LF工序：将AOD工序产出钢水进一步脱氧，控制氧含量≤35ppm，精炼后期加入80～120m硅钙线，软吹氩10～30min上连铸；
(3)连铸工序：控制过热度在20～30℃进行连续铸钢，拉速控制在1.00～1.05m/min；
(4)热轧工序：控制加热炉出炉温度在1250～1280℃左右，保证粗轧温度控制在1200～1240℃；
(5)退火酸洗工序：控制退火温度在1130～1150℃，退火结束采用快冷，保证组织全部为奥氏体；
(6)冷轧工序：由高速轧机经8～9道次，总压下率控制在60～70％；
(7)光亮退火工序：将冷轧轧制好的不锈钢带经过光亮退火，光亮退火温度控制在1110～1120℃，以氨分解气为保护气体，其中氢气：氨气为3：1，酸洗钝化后得产品。
10.根据权利要求9所述屋面用高氮奥氏体不锈钢新材料的制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中，酸洗前采用机械破鳞辊破鳞。
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