CN113088822A - 一种高氮、高强、低磁奥氏体不锈钢中板及其制造方法 - Google Patents

一种高氮、高强、低磁奥氏体不锈钢中板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种奥氏体不锈钢，按照重量百分比计，包括：C≤0.03％，Si≤1.00％，Mn 3.00～6.00％，P≤0.030％，S≤0.015％，Cr 18.00～23.00％，Ni12.00～18.00％，Mo 2.00～4.00％，N 0.20～0.30％，Nb 0.15～0.25％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供了一种奥氏体不锈钢板材及其制备方法。本发明的奥氏体不锈钢板材具有高氮、高强度、低磁的特点。

Description

一种高氮、高强、低磁奥氏体不锈钢中板及其制造方法
技术领域
本发明涉及特殊不锈钢品种技术领域，具体涉及一种高氮、高强、低磁奥氏体不锈钢中板及其制造方法。
背景技术
以304为代表的普通奥氏体不锈钢具有较好耐蚀性能和韧性，在日常生产生活及工业领域得到广泛使用，但固溶状态强度偏低(Rp0.2一般在260-300MPa)。冷变形强化是提高奥氏体强度的方法之一，但由于奥氏体组织稳定性差，因此经过冷变形后，极容易出现因形变马氏体导致的磁性增加，不能满足部分低磁领域的应用要求。此外，304奥氏体不锈钢由于成分中不含Mo，因此耐Cl-点蚀性能差(耐Cl-点蚀指数PREN在18～19，其中PREN＝Cr％+3.3×Mo％+16N％)，无法满足海水环境中的使用。鉴于此，针对部分服役环境提出的耐蚀、高强、低磁的综合要求，现有的奥氏体不锈钢无法满足，因此开发一种高氮、高强度、低磁奥氏体不锈钢，非常必要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高氮、高强度、低磁奥氏体不锈钢、奥氏体不锈钢板材及其制备方法。
本发明的技术方案具体如下：
一种奥氏体不锈钢，按照重量百分比计，包括：C≤0.03％，Si≤1.00％，Mn 3.00～6.00％，P≤0.030％，S≤0.015％，Cr 18.00～23.00％，Ni 12.00～18.00％，Mo 2.00～4.00％，N 0.20～0.30％，Nb 0.15～0.25％，余量为Fe和不可避免的杂质。
可选地，按照重量百分比计，包括：C≤0.03％，Si≤1.00％，Mn 3.00～6.00％，P≤0.020％，S≤0.002％，Cr 20.50～21.50％，Ni 14.00～16.00％，Mo 2.00～2.50％，N 0.20～0.30％，Nb 0.15～0.25％，余量为Fe和不可避免的杂质。
可选地，所述奥氏体不锈钢的Rp0.2≥400MPa，Rm≥650MPa。
可选地，所述奥氏体不锈钢的A≥35％，-40℃Akv≥75J。
可选地，所述奥氏体不锈钢的相对磁导率μr≤1.01。
可选地，所述奥氏体不锈钢的耐点腐蚀指数PREN≥31。
一种奥氏体不锈钢板材，采用上述的奥氏体不锈钢制备得到。
可选地，所述奥氏体不锈钢板材的厚度是8～40mm。
相比于现有技术，本发明的技术方案具有如下有益效果：
本发明利用了N、Nb在不锈钢中的固溶强化以及N的强化奥氏体稳定性作用、Mo在不锈钢中使得表面钝化膜更为致密而提高耐Cl-点蚀性能的作用三者协同，从而得到了一种固溶状态高强度、低的磁导率、较好耐蚀性的奥氏体不锈钢，能够满足海洋环境下的服役要求。
具体实施方式
为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。
针对目前普通奥氏体不锈钢的性能无法满足部分服役环境(例如海水环境)的要求，本发明的发明人通过研究，对奥氏体不锈钢的元素进行优化，充分发挥了元素之间的协同作用，从而创造性的提出了一种高氮、高强度、低磁奥氏体不锈钢。按照重量百分比计，该奥氏体不锈钢包括：C≤0.03％，Si≤1.00％，Mn 3.00～6.00％，P≤0.030％，S≤0.015％，Cr 18.00～23.00％，Ni12.00～18.00％，Mo 2.00～4.00％，N 0.20～0.30％，Nb 0.15～0.25％，余量为Fe和不可避免的杂质。通过这样的元素设计，能够保证在加工过程中有效控制马氏体转变点Ms、Md(30/50)，使这两个参数保持在尽可能低的温度，从而保证在降温和冷加工过程中马氏体不易产生，进而最终保证低磁导率；同时，这样的元素设计还能保证Cr当量/Ni当量≤1.1，从而在生产铸坯的过程中使δ-铁素体含量尽可能低；并且，还能保证最终的奥氏体不锈钢产品的耐腐蚀性能。
作为一种优选的实施方案，本发明的奥氏体不锈钢按照重量百分比计包括：C≤0.03％，Si≤1.00％，Mn 3.00～6.00％，P≤0.020％，S≤0.002％，Cr20.50～21.50％，Ni14.00～16.00％，Mo 2.00～2.50％，N 0.20～0.30％，Nb0.15～0.25％，余量为Fe和不可避免的杂质。通过研究，将该奥氏体不锈钢制成的板材固溶状态的主要性能特征表现为：
屈服强度Rp0.2≥400MPa，
抗拉强度Rm≥650MPa，
延伸率A≥35％，
-40℃冲击功Akv≥75J，
相对磁导率μr≤1.01，
耐点腐蚀指数PREN≥31。
本发明的发明人通过研究发现，低的磁导率与奥氏体稳定化设计、钢液凝固后铸坯δ-铁素体含量密切相关，具体如下：
(1)奥氏体稳定化的设计：
通过马氏体转变点Ms、Md(30/50)计算作为主要依据：
Ms＝1305-Ni％-41.7×Cr％-33.3×Mn％-27.8×Si％-1667×(C％+N％),Ms是在降温过程中奥氏体自发转变为马氏体的开始温度，在本发明中通过元素设计从而控制Ms≤-45℃。
Md(30/50)＝551-462×(C％+N％)-9.2×Si％-8.1×Mn％-13.7×Cr％-29×(Ni％+C u％)-18.5×Mo％-65×Nb％，Md(30/50)表示经30％的冷变形后生成50％马氏体的温度，在本发明中通过元素设计从而控制M(30/50)≤-330℃。
Md(30/50)越低，在冷加工变形过程中诱变马氏体不容易产生，确保在材料加工过程中对低磁导率的不利影响。其中Ni含量对诱变马氏体转变点的影响是很明显的，Ni含量高，马氏体转变点降低。
(2)铸坯δ-铁素体含量的设计：
通过控制“Cr当量/Ni当量≤1.1”，其中：
Cr当量＝％Cr+％Mo+1.5×％Si+0.5×％Nb,
Ni当量＝％Ni+30×(％C+％N)+0.5×％Mn
在本发明中通过控制“Cr当量/Ni当量≤1.1”，从而能够在生产铸坯的过程中使δ-铁素体含量尽可能地低，进而保证了使最终得到的奥氏体不锈钢具有高强度、低磁的性能。
(3)耐点腐蚀性能设计：
耐点腐蚀指数PREN＝Cr％+3.3×Mo％+16×N％。在本发明中通过元素设计从而使PREN≥31，从而能够保证最终得到的奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能。
基于上述设计思路，本发明的发明人提出了上述奥氏体不锈钢，借助于元素的选择及其配比，从而使元素之间实现了协同作用，各元素的作用具体如下：
C：是奥氏体形成元素，对提高不锈钢强度有益，但含量太多会在奥氏体晶界析出Cr23C6，导致发生晶界腐蚀。因此确定C≤0.03％。
Mn：是奥氏体形成元素，具有固溶强化作用，同时与Cr一起是提高N在钢液中溶解度的重要元素，但过高对耐蚀性不利。因此确定Mn在3.00～6.00％之间。
Cr；是铁素体形成元素，是不锈钢中重要的抗腐蚀元素，其含量影响到N在钢液中的溶解度，也是提高耐点腐蚀能力的重要组成元素，为了实现室温奥氏体组织，因此确定Cr在20.50～21.50％之间。
Ni：是奥氏体形成元素，是材料实现纯奥氏体组织、低磁导率、高的低温冲击韧性的重要元素，也是稳定奥氏体的主要元素，因此确定Ni在14.00～16.00％之间。
Mo：是铁素体形成元素，所形成的碳化物极为稳定，Mo能使钝化膜更致密牢固，从而有效提高不锈钢的耐海洋环境Cl-腐蚀性，考虑到兼顾平衡奥氏体组织实现低磁导率和提高材料耐腐蚀性，因此确定Ni在2.00～2.50％之间。
N：是强奥氏体形成元素，可显著提高奥氏体的稳定性，提高钢的强度、耐Cl-的点腐蚀性能及焊接性能，其溶解度受到Cr、Mn含量的影响。N含量过高，容易在钢液凝固过程形成气孔缺陷，导致板材的热加工开裂，因此确定N在0.20～0.30％之间。
Nb：是强碳化物形成元素，是铁素体形成元素，在奥氏体固溶可以发挥固溶强化作用，此外在钢中能提高钢的耐晶间腐蚀能力，改善焊接性能。但含量太高，导致与C、N结合在奥氏体晶界析出Nb(C、N),会恶化材料的低温韧性，因此确定Nb在0.15～0.25％之间。
Si：铁素体形成元素，冶炼脱氧适量带入，因此确定Si≤1.0％。
P：是不锈钢中的有害元素，对不锈钢的耐腐蚀性和低温性能有不利影响，因此确定P≤0.020％。在不锈钢的冶炼工艺设计方面，改变传统用废钢为主原料的方式，而是采用以脱P铁水为主原料。
S：是不锈钢中的有害元素，太高将加剧不锈钢热加工开裂，同时会产生MnS夹杂，影响材料的耐腐蚀性，尤其是对含高N、高Cr、高Ni的不锈钢而言,不良影响更为突出，因此确定S≤0.002％。
本发明的奥氏体不锈钢能够制成板材、管材等。
在一种优选的实施方案中，本发明提供了一种奥氏体不锈钢板材，采用上述奥氏体不锈钢制备而成，厚度例如是8～40mm。
该奥氏体不锈钢板材的制备方法包括制备连铸坯和将连铸坯加工成中厚板的步骤。
其中，连铸坯的制备可以采用常规方法，例如可以采用如下方法制备：
AOD工序：脱P铁水([P]≤0.015％)在氧化期及还原前期以氮代氩，还原末期吹入氩气精确调整氮含量。把Mo、Ni、Cr、Mn成分调整到内控范围，尤其是[S]≤0.003％。
LF工序：LF进站加石灰500～800kg，萤石400～700kg造渣，铌铁在LF炉第一次送电后加入，通电化渣后，钢中加30kg铝丸，同时渣面加300kg铝粉。硅钙线喂入量5.0米/吨钢；喂线后弱搅拌时间20min。
连铸工序：中包钢水控制温度：1425～1440℃。水口类型为整体式水口，水口***深度140mm；投入电磁搅拌。
修磨工序：采用“16#砂轮(1.0～1.2)％两遍粗磨+20#砂轮(0.8～1.0)％一遍精修磨”的方式，要求上下两面均匀修磨，磨尽肉眼可见缺陷，总的修磨损失率控制在(2.8～3.4)％”。
得到的连铸坯的厚度例如是200mm。
中板生产包括加热工序和热处理工序。
其中，加热工序是：加热炉炉温1220±10℃，均热温度为1200±10℃，总加热时间按照(9～10)min/10mm控制，即加热时间＝(连铸坯厚度÷10mm)×(9～10)min，其中连铸坯厚度的单位是毫米。
其中，热处理工序的炉温设置为1060±10℃，处理时间是3min/mm，出炉水淬。
实施例
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
首先，对实施例中各参数的测试方法进行说明如下：
屈服强度Rp、抗拉强度Rm、延伸率A：执行GB/T228.1
-40℃Akv：执行GB/T229
相对磁导率μr：执行GB/T35690
实施例一：
本实施例的高N、高强、低磁奥氏体不锈钢的化学成分如下：
C:0.024％Si:0.61％Mn:5.09％P:0.018％S:0.001％Cr：20.92％Ni：14.57％Mo:2.44％N:0.213％Nb:0.22％其余为铁和不可避免的杂质。
Cr当量＝％Cr+％Mo+1.5×％Si+0.5×％Nb＝20.92+2.44+1.5×0.61+0.5×0.22＝24.38
Ni当量＝％Ni+30×(％C+％N)+0.5×％Mn＝14.57+30×(0.024+0.213)+0.5×5.09＝24.225
Cr当量/Ni当量＝1.006
耐点腐蚀指数PREN＝Cr％+3.3×Mo％+16×N％＝20.92+3.3×2.44+16×0.213＝32.38
Ms＝1305-Ni％-41.7×Cr％-33.3×Mn％-27.8×Si％-1667×(C％+N％)
＝1305-14.57-41.7×20.92-33.3×5.09-27.8×0.61-1667×(0.024+0.213)＝-163.5℃
Md(30/50)＝551-462×(C％+N％)-9.2×Si％-8.1×Mn％-13.7×Cr％-29×(Ni％+Cu％)-18.5×Mo％-65×Nb％＝551-462×(0.024+0.213)-9.2×0.61-8.1×5.09-13.7×20.92-29×14.57-18.5×2.44-65×0.22＝-373.9℃
本实施例的高N、高强、低磁奥氏体不锈钢的制备方法如下：
脱P铁水([P]＝0.015％)经过AOD工序脱碳增氮及Mo、Ni、Cr、Mn等成分调整，将[S]控制为0.003％，然后在LF进站加石灰600kg和萤石500造渣，之后加铌铁，通电化渣后，钢中加30kg铝丸，同时渣面加300kg铝粉。硅钙线喂入量5.0米/吨钢；喂线后弱搅拌时间20min。连铸工序的中包钢水温度控制在1430～1435℃，水口类型为整体式水口，***深度140mm，并投入电磁搅拌；铸坯厚度为200mm，宽度为1250mm；然后对铸坯进行修磨，修磨损失率控制在3.0％，要求两面均匀修磨，磨尽肉眼可见缺陷。
修磨后的铸坯经过加热炉加热，加热炉温1220±10℃，均热温度为1200±10℃，总加热时间185min；中板热轧后的厚度为40.0mm；然后经过连续固溶热处理，炉温1060±10℃，时间3min/mm，出炉水淬。
成品中板的性能见下表：
厚度/mm Rp0.2/MPa Rm/MPa A/％ -40℃Akv/J 相对磁导率μr
40.0 450 770 40 110 1.002
实施例二：
本高N、高强、低磁奥氏体不锈钢的化学成分如下：
C:0.025％Si:0.56％Mn:4.94％P:0.017％S:0.001％Cr：20.72％Ni：14.46％Mo:2.43％N:0.28％Nb:0.18％其余为铁和不可避免的杂质。
Cr当量＝％Cr+％Mo+1.5×％Si+0.5×％Nb＝20.72+2.43+1.5×0.56+0.5×0.18＝24.08
Ni当量＝％Ni+30×(％C+％N)+0.5×％Mn＝14.46+30×(0.025+0.28)+0.5×4.94＝26.08
Cr当量/Ni当量＝0.92
耐点腐蚀指数PREN＝Cr％+3.3×Mo％+16×N％＝20.72+3.3×2.43+16×0.28＝33.22
Ms＝1305-Ni％-41.7×Cr％-33.3×Mn％-27.8×Si％-1667×(C％+N％)
＝1305-14.46-41.7×20.72-33.3×4.94-27.8×0.56-1667×(0.025+0.28)＝-261.9℃
Md(30/50)＝551-462×(C％+N％)-9.2×Si％-8.1×Mn％-13.7×Cr％-29×(Ni％+Cu％)-18.5×Mo％-65×Nb％＝551-462×(0.025+0.28)-9.2×0.56-8.1×4.94-13.7×20.72-29×14.46-18.5×2.43-65×0.18＝-394.9℃
本实施例的高N、高强、低磁奥氏体不锈钢的制备方法如下：
脱P铁水([P]＝0.015％)经过AOD工序脱碳增氮及Mo、Ni、Cr、Mn等成分调整，将[S]控制为0.002％，然后在LF进站加石灰600kg和萤石500造渣，之后加铌铁，通电化渣后，钢中加30kg铝丸，同时渣面加300kg铝粉。硅钙线喂入量5.0米/吨钢；喂线后弱搅拌时间20min。连铸工序的中包钢水温度控制在1430～1440℃，水口类型为整体式水口，***深度140mm，并投入电磁搅拌；铸坯厚度为200mm，宽度为1250mm；然后对铸坯进行修磨，修磨损失率控制在3.2％，要求两面均匀修磨，磨尽肉眼可见缺陷。
修磨后的铸坯经过加热炉加热，加热炉温1220±10℃，均热温度为1200±10℃，总加热时间185min；中板热轧后的厚度为8.0mm；然后经过连续固溶热处理，炉温1060±10℃，时间3min/mm，出炉水淬。
成品中板的性能见下表：
厚度/mm Rp0.2/MPa Rm/MPa A/％ -40℃Akv/J 相对磁导率μr
8.0 480 790 42 119 1.002
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种奥氏体不锈钢，其特征在于，按照重量百分比计，包括：C≤0.03％，Si≤1.00％，Mn 3.00～6.00％，P≤0.030％，S≤0.015％，Cr 18.00～23.00％，Ni 12.00～18.00％，Mo2.00～4.00％，N 0.20～0.30％，Nb 0.15～0.25％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，按照重量百分比计，包括：C≤0.03％，Si≤1.00％，Mn 3.00～6.00％，P≤0.020％，S≤0.002％，Cr 20.50～21.50％，Ni14.00～16.00％，Mo 2.00～2.50％，N 0.20～0.30％，Nb 0.15～0.25％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述奥氏体不锈钢的Rp0.2≥400MPa，Rm≥650MPa。
4.根据权利要求1或2所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述奥氏体不锈钢的A≥35％，-40℃Akv≥75J。
5.根据权利要求1或2所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述奥氏体不锈钢的相对磁导率μr≤1.01。
6.根据权利要求1或2所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述奥氏体不锈钢的耐点腐蚀指数PREN≥31。
7.一种奥氏体不锈钢板材，其特征在于，采用权利要求1～6任一项所述的奥氏体不锈钢制备得到。
8.根据权利要求7所述的奥氏体不锈钢板材，其特征在于，厚度是8～40mm。
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