CN111118411B - 一种高强度不锈钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度不锈钢，其成分组成以质量％计含有，C：0.04～0.09质量％、Si：1.5～2.5质量％、Mn：小于1.0质量％、Cr：13.0～15.0质量％、Ni：6.0～7.0质量％、N：小于0.010质量％、Mo：0.6～1.0质量％、Cu：0.6～1.0质量％、Ti：0.3～0.8质量％、B：小于0.03质量％、V：小于0.3质量％、P：小于等于0.030质量％、S：小于等于0.005质量％、其余为Fe和不可避免的杂质元素；其中，Cr+Mo+0.5Ti＝Creq；Ni+30*(C+N)+0.5Mn+0.25Cu＝Nieq；1.4≤Creq/Nieq≤1.8。本发明的高强度不锈钢通过合理的成分设计使热加工过程为全奥氏体组织，固溶处理后的组织为奥氏体和马氏体的双相组织，凝固时优先析出高温铁素体，有效降低焊接热裂纹的产生，同时保证焊接后焊缝的强度与母材强度相当。

Description

一种高强度不锈钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及高强度不锈钢及其制备技术领域，具体涉及一种高强度不锈钢及其制造方法。
背景技术
不锈钢经过一百多年的发展应用领域不断拓展，但因其强度不高作为结构性功能材料受到了很大的限制。
提高强度的途径有三种，一种是加工硬化，比如一般300系不锈钢的屈服强度小于300MPa，为了提高其强度采用冷加工的方式，比如专利CN101259483A和CN101234395A，加工硬化后的不锈钢母材强度提高，但作为结构件焊接后焊缝的强度迅速降低，焊缝的屈服强度与固溶态母材的强度接近，屈服强度一般小于300MPa。另一种是氮的固溶强化和晶粒细化，如双相不锈钢和高氮不锈钢，固溶态的屈服强度可以达到500MPa以上。但是氮在热加工温度区间析出氮化物，降低热加工性能，导致工业化生产的双相钢和高氮奥不锈钢带钢产生严重的边裂。第三种是马氏体沉淀硬化不锈钢，固溶态强度可以达到700MPa以上，但马氏体沉淀硬化不锈钢的工业化生产难度大，而且焊接适应性差，焊缝易出现热裂纹等缺陷。
现有技术中，公开号为CN 110129658的专利是在13Cr-5Ni-2Mo/15Cr-6Ni-2Mo的基础上添加廉价的Mn降低Ms点，具体的化学成分为：C<0.05％，Si<0.50％，Mn：6～10％，Cr：12～16％，Ni：4.5～6.5，Mo：0.5～3％，S<0.01％，P<0.03％；
公开号为CN 106636901的专利的化学成分为：C：0.02-0.04％，Cr：11.6-11.9％，Si：0.25-0.29％，Mn：0.52-0.63％，Ni：0.45-0.52％，Re：0.15-0.17％，Zr：0.45-0.62％等，其屈服强度≥450MPa；
公开号为CN101984123的专利是对301L不锈钢实行不同的柔性化处理工艺，得到5个强度等级的高速列车用高强度不锈钢；
公开号为CN101386962的专利为高锰高氮的奥氏体不锈钢。
因此，有必要开发一种屈服强度大于700MPa、易于工业生产和易焊接的高强度不锈钢。
基于上述情况，本发明提出了一种高强度不锈钢及其制造方法，可有效解决以上问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度不锈钢及其制造方法。本发明的高强度不锈钢通过合理的成分设计使热加工过程为全奥氏体组织，固溶处理后的组织为奥氏体和马氏体的双相组织，凝固时优先析出高温铁素体，有效降低焊接热裂纹的产生，同时保证焊接后焊缝的强度与母材强度相当。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种高强度不锈钢，其成分组成以质量％计含有，
C：0.04～0.09质量％、
Si：1.5～2.5质量％、
Mn：小于1.0质量％、
Cr：13.0～15.0质量％、
Ni：6.0～7.0质量％、
N：小于0.010质量％、
Mo：0.6～1.0质量％、
Cu：0.6～1.0质量％、
Ti：0.3～0.8质量％、
B：小于0.03质量％、
V：小于0.3质量％
P：小于等于0.030质量％、
S：小于等于0.005质量％、
其余为Fe和不可避免的杂质元素；
其中，Cr+Mo+0.5Ti＝Creq；
Ni+30*(C+N)+0.5Mn+0.25Cu＝Nieq；
1.4≤Creq/Nieq≤1.8。
本发明中，Creq为不锈钢的铬当量，Nieq为镍当量，二者的比值Creq/Nieq需要保持一定的范围。Creq/Nieq≥1.4可以使焊接凝固过程中优先析出铁素体，降低焊接热裂纹的生成，同时保证焊接后焊缝的强度与母材强度相当。Creq/Nieq≤1.8使热加工过程为全奥氏体组织，易于热加工。1.4≤Creq/Nieq≤1.8还可以使固溶处理后的组织为奥氏体和马氏体的双相组织。
本发明的高强度不锈钢通过合理的成分设计使热加工过程为全奥氏体组织，固溶处理后的组织为奥氏体和马氏体的双相组织，凝固时优先析出高温铁素体，有效降低焊接热裂纹的产生，同时保证焊接后焊缝的强度与母材强度相当；使本发明的高强度不锈钢具有下列优点：
1、不需要加工硬化提高强度，可保证带钢焊接后焊缝强度可母材相当。
2、热加工过程中为全奥氏体组织，提高热加工性能。
3、焊接时凝固过程中优先析出铁素体，降低焊接热裂纹的生成，提高可焊性。
其中，本发明的高强度不锈钢的组成成分中，
C是一种固溶强化元素，可以有效提高室温时的强度。但过高的碳含量会和Cr元素形成碳化物分布在晶界，降低不锈钢的耐蚀性。同时碳也是强奥氏体稳定元素，过高的碳含量需要提高冷却速率才能使奥氏体转变为马氏体。因此，C含量被定义为0.04％～0.09质量％。
Si是一种强脱氧元素，也是强铁素体形成元素，为了有利于凝固时优先形成高温铁素体，Si含量被定义为小于1.5～2.5质量％。
Mn是弱奥氏体形成和强烈稳定奥氏体元素，能提高固溶态母材强度。但过量的Mn会降低马氏体转变温度，导致焊缝强度较低。因此，Mn含量被定义为小于1.0质量％。
Cr是强烈形成铁素体的元素，缩小奥氏体相区，通过与空气中的氧形成一层致密的铬氧化物提高不锈钢的耐蚀性。但过量的Cr会造成凝固过程中铁素体含量过多，降低焊缝强度。Cr被定义为13.0～15.0质量％。
Ni是奥氏体形成元素，有效地提高韧性。但由于镍比较昂贵且强烈地形成并稳定奥氏体，过量的Ni不利于焊接后焊缝强度的提高。Ni被定义为6.0～7.0质量％。
N是强奥氏体形成元素，可以提高固溶态奥氏体不锈钢的硬度和耐蚀性，但过量的N含量会形成TiN颗粒，降低冶炼过程的可浇铸性。氮也易与铬形成氧化物，降低热加工性能。因此N含量控制为小于0.01％。
Mo是铁素体形成元素，有利于提高耐点腐蚀性能。同时Mo是一种贵重金属，Mo含量增加会导致成本增加。因此Mo被定义为0.6～1.0质量％。
Cu是奥氏体形成元素，提高冷加工性能，但太高的Cu含量导致高温热加工性降低。因此Cu被定义为0.6～1.0质量％。
Ti也是铁素体形成元素，易与钢中的C、N结合形成析出物，由于TiN溶解温度高，可以作为焊接过程中的形核点细化晶粒，提高焊缝强度。但Ti含量过高会降低冶炼过程中的可浇铸性，且恶化浇铸钢板坯的表面质量。因此，Ti被定义为0.3～0.8质量％。
B和V作为可选择元素，一定的加入量可以细化母材和焊缝晶粒，提高母材和焊缝的强度。但过多的加入量易在晶界聚集，降低热加工性能，因此分别被定义为小于0.03和0.3质量％。
P和S均为不可避免的杂质元素，但对性能有不利的影响，应分别小于0.03质量％和0.005质量％。其余为Fe。
本发明的高强度不锈钢主要应用于包装机械设备、传送设备和层压板等对不锈钢性能要求较高的领域。
本发明还提供一种所述的高强度不锈钢的制造方法，包括下列步骤：
A、选择符合所述高强度不锈钢成分组成要求的钢板坯；
B、将所述钢板坯采用带温修磨；
C、将经带温修磨后的所述钢板坯进行加热，升温速率为2～4℃/min，加热到达目标温度1220～1230℃后，保温；
D、采用热连轧机或者是炉卷轧机将步骤C处理后的将钢板坯进行热轧，热轧至3～10mm，得到热轧卷(黑皮卷)；
E、将所述热轧卷经固溶处理和酸洗，得到白皮卷；
F、将所述白皮卷在二十辊轧机或者连轧机上进行冷轧，得到冷轧卷；
G、将所述冷轧卷再次经固溶处理和酸洗，得到带钢；
H、将步骤G获得的带钢通过大辊径的平整辊改善板型，即得到所述高强度不锈钢。
优选的，步骤A中，符合所述高强度不锈钢成分组成要求的钢板坯采用全废钢或者铁水加合金的方式冶炼满足其成分组成要求的钢水，然后在精炼工位微合金化后，浇铸成钢板坯。
优选的，步骤B中，所述带温修磨修磨结束的温度大于200℃。
为了确保所述钢板坯的表面质量采用带温修磨，修磨结束的温度大于200℃。
优选的，步骤C中，将经带温修磨后的所述钢板坯在步进梁或者是室式加热炉内进行加热。
优选的，步骤C中，所述保温的保温时间为，安装钢板坯的厚度计算，保温时间为0.2～0.4min/mm计算。
优选的，步骤D中，采用热连轧机或者是炉卷轧机将步骤C处理后的将钢板坯进行热轧。
优选的，步骤E和G中，固溶处理的温度为1000～1100℃，酸洗工艺采用奥氏体不锈钢的酸洗工艺。
优选的，步骤F中，为了保证最终产品的表面光洁度，冷轧压下率大于30％。
优选的，步骤H中，将步骤G获得的带钢通过大辊径的平整辊改善板型，平整的延伸率小于1％。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明的高强度不锈钢通过合理的成分设计使热加工过程为全奥氏体组织，固溶处理后的组织为奥氏体和马氏体的双相组织，凝固时优先析出高温铁素体，有效降低焊接热裂纹的产生，同时保证焊接后焊缝的强度与母材强度相当；使本发明的高强度不锈钢具有下列优点：
1、不需要加工硬化提高强度，可保证带钢焊接后焊缝强度可母材相当。
2、热加工过程中为全奥氏体组织，提高热加工性能。
3、焊接时凝固过程中优先析出铁素体，降低焊接热裂纹的生成，提高可焊性。
其中，本发明的高强度不锈钢的组成成分中，
C是一种固溶强化元素，可以有效提高室温时的强度。但过高的碳含量会和Cr元素形成碳化物分布在晶界，降低不锈钢的耐蚀性。同时碳也是强奥氏体稳定元素，过高的碳含量需要提高冷却速率才能使奥氏体转变为马氏体。因此，C含量被定义为0.04％～0.09质量％。
Si是一种强脱氧元素，也是强铁素体形成元素，为了有利于凝固时优先形成高温铁素体，Si含量被定义为小于1.5～2.5质量％。
Mn是弱奥氏体形成和强烈稳定奥氏体元素，能提高固溶态母材强度。但过量的Mn会降低马氏体转变温度，导致焊缝强度较低。因此，Mn含量被定义为小于1.0质量％。
Cr是强烈形成铁素体的元素，缩小奥氏体相区，通过与空气中的氧形成一层致密的铬氧化物提高不锈钢的耐蚀性。但过量的Cr会造成凝固过程中铁素体含量过多，降低焊缝强度。Cr被定义为13.0～15.0质量％。
Ni是奥氏体形成元素，有效地提高韧性。但由于镍比较昂贵且强烈地形成并稳定奥氏体，过量的Ni不利于焊接后焊缝强度的提高。Ni被定义为6.0～7.0质量％。
N是强奥氏体形成元素，可以提高固溶态奥氏体不锈钢的硬度和耐蚀性，但过量的N含量会形成TiN颗粒，降低冶炼过程的可浇铸性。氮也易与铬形成氧化物，降低热加工性能。因此N含量控制为小于0.01％。
Mo是铁素体形成元素，有利于提高耐点腐蚀性能。同时Mo是一种贵重金属，Mo含量增加会导致成本增加。因此Mo被定义为0.6～1.0质量％。
Cu是奥氏体形成元素，提高冷加工性能，但太高的Cu含量导致高温热加工性降低。因此Cu被定义为0.6～1.0质量％。
Ti也是铁素体形成元素，易与钢中的C、N结合形成析出物，由于TiN溶解温度高，可以作为焊接过程中的形核点细化晶粒，提高焊缝强度。但Ti含量过高会降低冶炼过程中的可浇铸性，且恶化浇铸钢板坯的表面质量。因此，Ti被定义为0.3～0.8质量％。
B和V作为可选择元素，一定的加入量可以细化母材和焊缝晶粒，提高母材和焊缝的强度。但过多的加入量易在晶界聚集，降低热加工性能，因此分别被定义为小于0.03和0.3质量％。
P和S均为不可避免的杂质元素，但对性能有不利的影响，应分别小于0.03质量％和0.005质量％。其余为Fe。
本发明中，Creq为不锈钢的铬当量，Nieq为镍当量，二者的比值Creq/Nieq需要保持一定的范围。Creq/Nieq≥1.4可以使焊接凝固过程中优先析出铁素体，降低焊接热裂纹的生成，同时保证焊接后焊缝的强度与母材强度相当。Creq/Nieq≤1.8使热加工过程为全奥氏体组织，易于热加工。1.4≤Creq/Nieq≤1.8还可以使固溶处理后的组织为奥氏体和马氏体的双相组织。
本发明的高强度不锈钢主要应用于包装机械设备、传送设备和层压板等对不锈钢性能要求较高的领域。
本发明的制造方法工艺简单，操作简便，节省了人力和设备成本。
附图说明
图1为本发明的制造方法的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是不能理解为对本专利的限制。
下述实施例中所述试验方法或测试方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均从常规商业途径获得，或以常规方法制备。
实施例1：
一种高强度不锈钢，其成分组成以质量％计含有，
C：0.04～0.09质量％、
Si：1.5～2.5质量％、
Mn：小于1.0质量％、
Cr：13.0～15.0质量％、
Ni：6.0～7.0质量％、
N：小于0.010质量％、
Mo：0.6～1.0质量％、
Cu：0.6～1.0质量％、
Ti：0.3～0.8质量％、
B：小于0.03质量％、
V：小于0.3质量％
P：小于等于0.030质量％、
S：小于等于0.005质量％、
其余为Fe和不可避免的杂质元素；
其中，Cr+Mo+0.5Ti＝Creq；
Ni+30*(C+N)+0.5Mn+0.25Cu＝Nieq；
1.4≤Creq/Nieq≤1.8。
本发明还提供一种所述的高强度不锈钢的制造方法，包括下列步骤：
A、选择符合所述高强度不锈钢成分组成要求的钢板坯；
B、将所述钢板坯采用带温修磨；
C、将经带温修磨后的所述钢板坯进行加热，升温速率为2～4℃/min，加热到达目标温度1220～1230℃后，保温；
D、采用热连轧机或者是炉卷轧机将步骤C处理后的将钢板坯进行热轧，热轧至3～10mm，得到热轧卷；
E、将所述热轧卷经固溶处理和酸洗，得到白皮卷；
F、将所述白皮卷在二十辊轧机或者连轧机上进行冷轧，得到冷轧卷；
G、将所述冷轧卷再次经固溶处理和酸洗，得到带钢；
H、将步骤G获得的带钢通过大辊径的平整辊改善板型，即得到所述高强度不锈钢。
优选的，步骤A中，符合所述高强度不锈钢成分组成要求的钢板坯采用全废钢或者铁水加合金的方式冶炼满足其成分组成要求的钢水，然后在精炼工位微合金化后，浇铸成钢板坯。
优选的，步骤B中，所述带温修磨修磨结束的温度大于200℃。
为了确保所述钢板坯的表面质量采用带温修磨，修磨结束的温度大于200℃。
优选的，步骤C中，将经带温修磨后的所述钢板坯在步进梁或者是室式加热炉内进行加热。
优选的，步骤C中，所述保温的保温时间为，安装钢板坯的厚度计算，保温时间为0.2～0.4min/mm计算。
优选的，步骤D中，采用热连轧机或者是炉卷轧机将步骤C处理后的将钢板坯进行热轧。
优选的，步骤E和G中，固溶处理的温度为1000～1100℃，酸洗工艺采用奥氏体不锈钢的酸洗工艺。
优选的，步骤F中，为了保证最终产品的表面光洁度，冷轧压下率大于30％。
优选的，步骤H中，将步骤G获得的带钢通过大辊径的平整辊改善板型，平整的延伸率小于1％。
实施例2：
将冶炼好的钢水浇铸成板坯后，在一定的温度下全修磨，去除板坯表面缺陷，修磨结束后的温度大于200℃。钢板坯的化学成分如表1所示。
表1本实施例钢板坯的化学成分
实施例2 C Si Mn S P Cr Ni Cu Mo Ti N B V Creq/Nieq
1 0.04 1.5 0.9 0.005 0.03 13.0 6.7 0.6 0.6 0.3 0.01 0 0.3 1.56
2 0.045 1.7 0.5 0.002 0.023 14.1 6.9 0.8 0.8 0.35 0.01 0.001 0.2 1.68
3 0.055 1.8 0.4 0.001 0.028 14.0 6.7 0.84 0.7 0.38 0.007 0.002 0.1 1.66
4 0.09 1.8 0.8 0.003 0.025 15.0 7.5 1 0.8 0.5 0.008 0.003 0 1.45
5 0.06 1.75 0.5 0.001 0.027 13.5 7.1 0.7 0.75 0.4 0.004 0.002 0.24 1.50
修磨后的钢板坯经加热炉加热、热轧、黑皮卷固溶酸洗、冷轧、白皮卷退火酸洗和板型改善。本实施例的工艺参数如表2和表3所示。母材和焊缝的强度如表4所示。
表2本实施例的修磨温度、钢板坯厚度、加热温度和保温时间
实施例2 修磨温度(℃) 钢板坯厚度(mm) 加热温度(℃) 保温时间(min)
1 220 200 1220 60
2 200 220 1230 50
3 240 180 1225 40
4 245 190 1228 45
5 230 210 1225 55
表3本实施例的黑皮卷厚度、冷轧压下率、黑皮卷固溶温度和白皮卷固溶温度和平整延伸率。
Figure BDA0002320073300000111
表4本实施例母材和焊缝强度
Figure BDA0002320073300000112
Figure BDA0002320073300000121
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高强度不锈钢，其特征在于，其成分组成以质量％计为，
C：0.04～0.09质量％、
Si：1.5～2.5质量％、
Mn：小于1.0质量％、
Cr：13.0～15.0质量％、
Ni：6.0～7.0质量％、
N：小于0.010质量％、
Mo：0.6～1.0质量%、
Cu：0.6～1.0质量%、
Ti：0.3～0.8质量%、
B：小于0.03质量%、
V：小于0.3质量%
P：小于等于0.030质量％、
S：小于等于0.005质量％、
其余为Fe和不可避免的杂质元素；
其中，Cr+Mo+0.5Ti=Creq；
Ni+30*(C+N)+0.5Mn+0.25Cu=Nieq；
1.4≤Creq/Nieq≤1.8；
所述的高强度不锈钢的制造方法，包括下列步骤：
A、选择符合所述高强度不锈钢成分组成要求的钢板坯；
B、将所述钢板坯采用带温修磨；
C、将经带温修磨后的所述钢板坯进行加热，升温速率为2～4℃/min，加热到达目标温度1220～1230℃后，保温；
D、采用热连轧机或者是炉卷轧机将步骤C 处理后的将钢板坯进行热轧，热轧至3～10mm，得到热轧卷；
E、将所述热轧卷经固溶处理和酸洗，得到白皮卷；
F、将所述白皮卷在二十辊轧机或者连轧机上进行冷轧，得到冷轧卷；
G、将所述冷轧卷再次经固溶处理和酸洗，得到带钢；
H、将步骤G获得的带钢通过大辊径的平整辊改善板型，即得到所述高强度不锈钢。
2.根据权利要求1所述的高强度不锈钢，其特征在于，步骤A中，符合所述高强度不锈钢成分组成要求的钢板坯采用全废钢或者铁水加合金的方式冶炼满足其成分组成要求的钢水，然后在精炼工位微合金化后，浇铸成钢板坯。
3.根据权利要求1所述的高强度不锈钢，其特征在于，步骤B中，所述带温修磨修磨结束的温度大于200℃。
4.根据权利要求1所述的高强度不锈钢，其特征在于，步骤C中，将经带温修磨后的所述钢板坯在步进梁或者是室式加热炉内进行加热。
5.根据权利要求1所述的高强度不锈钢，其特征在于，步骤C中，所述保温的保温时间为，按照钢板坯的厚度计算，保温时间为0.2～0.4min/mm计算。
6.根据权利要求1所述的高强度不锈钢，其特征在于，步骤D中，采用热连轧机或者是炉卷轧机将步骤C 处理后的将钢板坯进行热轧。
7.根据权利要求1所述的高强度不锈钢，其特征在于，步骤E和G中，固溶处理的温度为1000～1100℃，酸洗工艺采用奥氏体不锈钢的酸洗工艺。
8.根据权利要求1所述的高强度不锈钢，其特征在于，步骤F中，为了保证最终产品的表面光洁度，冷轧压下率大于30%。
9.根据权利要求1所述的高强度不锈钢，其特征在于，步骤H中，将步骤G获得的带钢通过大辊径的平整辊改善板型，平整的延伸率小于1%。
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