CN116162845A

CN116162845A - 一种改善高硅奥氏体不锈钢热塑性的方法

Info

Publication number: CN116162845A
Application number: CN202211723406.3A
Authority: CN
Inventors: 胡勇; 王力华; 胡永淇; 欧阳明辉; 林鸿泽; 褚成
Original assignee: Wenzhou Pump Valve Engineering Research Institute Of Lanzhou University Of Technology
Current assignee: Wenzhou Pump Valve Engineering Research Institute Of Lanzhou University Of Technology
Priority date: 2022-12-30
Filing date: 2022-12-30
Publication date: 2023-05-26
Anticipated expiration: 2042-12-30
Also published as: CN116162845B

Abstract

本发明公开了一种改善高硅奥氏体不锈钢热塑性的方法，属于特种不锈钢加工技术领域。本发明依据高硅奥氏体不锈钢的元素成分，将金属硅、金属铬、镍板、电解锰、钼条、电解铜、纯铁按一定比例混合进行熔炼，然后进行均匀化处理和热加工，得到热塑性好、不开裂的高硅奥氏体不锈钢。本发明通过调整成分来改变高硅奥氏体不锈钢的凝固模式，再通过合理的均匀化工艺来消除偏析和回溶析出相，最后通过合理的热变形参数来提高不锈钢的热塑性，从根本上改善了高硅奥氏体不锈钢的性能，避免在工业生产中出现开裂的问题。

Description

一种改善高硅奥氏体不锈钢热塑性的方法

技术领域

本发明属于特种不锈钢加工技术领域，特别是涉及一种改善高硅奥氏体不锈钢热塑性的方法。

背景技术

高硅奥氏体不锈钢作为一种新型材料被广泛应用于高温浓硫酸的制备运输过程中。这类不锈钢优异的耐蚀性得益于加入Si元素后形成的SiO₂和Cr₂O₃复合钝化膜，这种复合钝化膜能够通过抑制阴极反应增大不锈钢的点蚀电位，提高高硅奥氏体不锈钢的耐腐蚀性，与此同时还可以大量节约铬资源。然而Si的作用并不完全都是正面的，由于大量合金元素的添加会导致在热变形过程中的变形抗力增大，在锻造热轧等热塑性变形加工过程中表现为塑韧性低，容易开裂等问题；高硅奥氏体不锈钢中较高的Si含量会加重该钢种的脆性，降低其塑韧性；当不锈钢中Si含量较高(≥5％)时，Si的存在会减小奥氏体晶胞尺寸和碳的溶解度，增强中间相如bcc相、Cr₂₃C₆和σ相等的析出，钢材内部也会产生诸如Fe₂Si、Fe₃Si等脆硬的铁硅化合物，这些物相的存在会显著增加不锈钢的脆性，不利于高硅奥氏体不锈钢的生产加工。

以上问题主要是由于高硅奥氏体不锈钢热塑性变形能力差所引起的，在不同条件下，同一种材料所表现出的塑性是不同的。影响金属材料塑性的主要因素有内因和外因两个方面，其中内因包括材料的晶体结构、所具有的微观组织及化学成分等；外因主要包括材料变形时的温度、应变速率及变形量等，如何改善高硅奥氏体不锈钢的热塑性以提升其使用效果是目前亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种改善高硅奥氏体不锈钢热塑性的方法。本发明通过调整成分来改变高硅奥氏体不锈钢的凝固模式，再通过合理的均匀化工艺来消除偏析和回溶析出相，最后通过合理的热变形参数来提高不锈钢的热塑性。本发明对高硅奥氏体不锈钢热塑性的改善尤为重要，对奥氏体不锈钢生产领域有着重要意义。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明的目的是提供一种改善高硅奥氏体不锈钢热塑性的方法，依据高硅奥氏体不锈钢的元素成分，将金属硅、金属铬、镍板、电解锰、钼条、电解铜、纯铁按一定比例混合进行熔炼，然后进行均匀化处理和热加工，得到具有良好热塑性的高硅奥氏体不锈钢。

进一步地，所述高硅奥氏体不锈钢的元素成分如下：Si：5.00～7.00％、Cr：11.50～17.50％、C：≤0.03％、Ni：14.50～19.50％、Mn：≤2.00％、Mo：0.30～3.00％、Cu：0.30～3.00％、P：≤0.045％、S：≤0.03％、Al：≤0.50％、Fe：余量。

进一步地，所述Si的含量优选5％、5.5％、6％，进一步优选为6％，所述Cr的含量为14.50％。

本发明中，不锈钢C含量在0.03％以下，这是由于Si元素的大量存在，会降低C的溶解度，游离的C会与Cr结合，促进晶间腐蚀的产生，当碳含量较低时，或当多余的碳被钛等元素消耗结合成稳定的碳化物时，合金的塑性会有所改善，所以要求碳含量小于0.03％；Mn为奥氏体形成元素，增强奥氏体的稳定性，作为脱氧剂在熔炼过程中加入，使钢水变的清澈；Cu可以增强不锈钢的耐蚀性和钢水的流动性，但是过高的Cu会促进沿晶裂纹的扩展，所以Cu的含量设定为0.30～3.00％；P、S等有害元素则控制在低位水平为佳。

本发明中，所述不锈钢的元素成分不同会有不同的凝固模式，奥氏体不锈钢的凝固模式会影响合金的热塑性。奥氏体不锈钢的四种凝固模式分别是：A模式L→L+γ→γ；AF模式L→L+γ→L+γ+δ→γ+δ；FA模式L→L+δ→L+δ+γ→γ+δ；F模式：L→L+δ→δ→γ+δ。其中，L代表液相，γ代表奥氏体，δ代表铁素体。

在四种凝固模式中，以AF模式和FA模式最为主要，其中FA模式比AF模式更为复杂，以至于在该凝固模式下奥氏体与铁素体的形态也相对复杂多样，典型的凝固组织可以分为胞状奥氏体、蠕虫状铁素体、骨骼状铁素体、板条状铁素体等等，通过观察奥氏体不锈钢中铁素体的形态分布等可以判断其凝固模式。在FA模式下，以δ铁素体为最先析出相，溶质在δ铁素体中的扩散能力比在奥氏体中强，S、P、Si、Nb等元素在δ铁素体中具有较高的溶解度，有害元素在枝晶间分布比较均匀，造成的偏析较少，降低了在晶界形成低熔点共晶的可能性；同时在凝固终了阶段，界面能更低的γ-δ界面会改变界面润湿性，阻止裂纹的扩展。因此，以FA模式凝固时，可以获得更好的热塑性。

本发明中，所述金属硅、金属铬、镍板、电解锰、钼条、电解铜、纯铁均为高纯度金属(去除氧化杂质、用酒精去除表面污垢与油渍)，所述熔炼采用真空感应熔炼炉在真空环境下熔炼，真空度为1×10^-1～5×10^-3Pa，优选2×10^-2Pa以下。

本发明中，优选的放料顺序为：将不易氧化的高熔点的金属铬、镍板置于坩埚底部，后依次放入纯铁、金属硅、钼条、电解铜，最后加入电解锰，以此来保证能够准确按照设计的成分来获得铸锭。

进一步地，所述均匀化处理的温度为1050～1250℃，时间为4～12h。

进一步地，所述均匀化处理在高温箱式炉中进行，针对不同Si含量的高硅奥氏体不锈钢，优选的均匀化处理温度为1150℃，时间为12h，水冷。

进一步地，所述热加工的温度为1050～1250℃，应变速率为0.01～10s^-1。

进一步地，所述热加工的温度为1150℃，应变速率为0.01s^-1。

本发明中，5％Si的不锈钢优选参数为1100℃，0.1s^-1；5.5％Si的不锈钢优选温度为1100～1150℃、应变速率为0.01～1s^-1；6％Si的不锈钢优选温度为1040～1180℃、应变速率小于0.7s^-1。

本发明的有益效果：

本发明通过合金成分设计-精密熔炼-适宜的均匀化处理制度-热加工变形等一系列精准控制的流程后，从根本上改善高硅奥氏体不锈钢的热塑性，避免在工业生产中出现开裂的问题。

本发明通过对Si、Cr元素的调控实现了成分设计的要求，经过精密的实验室熔炼实现了高硅奥氏体不锈钢凝固模式的改变，分析得出以FA模式凝固的6％Si高硅奥氏体不锈钢拥有更好的热塑性变形能力。

本发明对不同凝固模式的高硅奥氏体不锈钢进行均匀化处理探索后发现，两种模式的钢材经过1150℃×12h的均匀化工艺处理后，可以消除元素偏析、枝晶偏析，析出相会回溶到奥氏体基体中，区别主要在于以FA模式凝固的6％Si在经过1150℃×12h的均匀化处理后会含有2％的高温铁素体；通过一系列工艺处理后，6％Si且经过均匀化处理后的高硅奥氏体不锈钢具有较好的热塑性变形能力，而铸态未经均匀化处理的FA模式铸锭热塑性差，后续的均匀化处理工艺1150℃×12h十分重要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为5.5％Si、6％Si边部、6％Si心部、5.5％Si均匀化、6％Si均匀化、6％Si(1200℃×12h)的高硅奥氏体不锈钢的热塑性曲线；

图2为高硅奥氏体不锈钢在1200℃/10s^-1变形条件下宏观形貌图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明中，金属硅、金属铬、镍板、电解锰、钼条、电解铜、纯铁均为高纯度金属，原料金属成分如表1所示。熔炼前将大块原料切割成小块，用角磨机将原料表面的杂质与氧化物去除干净，露出金属光泽为宜，并用酒精去除表面污垢与油渍。

表1高纯度金属的元素成分含量表(wt.％)

实施例

(1)合金成分设计及熔炼

高硅奥氏体不锈钢的目标元素成分如下：Si：5～6％(5％、5.5％、6％)、Cr：14.5％、C：≤0.03％、Ni：16.7％、Mn：1.1％、Mo：1％、Cu：0.7％、P：≤0.045％、S：≤0.03％、Al：≤0.50％、Fe：余量。

依据不锈钢的元素成分，将金属硅、金属铬、镍板、电解锰、钼条、电解铜、纯铁按一定比例混合，放料顺序为先将金属铬和镍板置于刚玉坩埚底部，后依次放入纯铁、金属硅、钼条、电解铜，最后加入电解锰。然后置于真空感应熔炼炉中熔炼，真空度为2×10^-2Pa。其中，熔炼采用梯度加热方式进行，先关闭扩散泵，在6kW功率下加热30min(预热)，然后打开主阀利用机械泵抽空，加大功率至12kW加热7min，然后升至14kW加热4min，最后增大至15kW，此时温度升至1500℃以上进入精炼期，将加料框中的脱氧剂电解锰加入到坩埚内，得到清澈的钢液。

待原料完全熔化后，停止加热，等待90min钢液冷却凝固后进行第二次加热，冷却过程中保持机械泵抽空。本发明采用两次冷却重熔，二次加热同样遵循梯度加热方式，当温度达到1485～1495℃时，开始浇铸。

(2)均匀化处理

对高硅奥氏体不锈钢在1050～1250℃/4h～12h范围内通过高温箱式炉进行均匀化处理，具体方案见表2，通过分析确定了5％Si高硅奥氏体不锈钢在1150℃×12h时枝晶偏析基本消除，同时在后续的验证实验中，确定出5.5％Si、6％Si的均匀化处理工艺同样为1150℃×12h较为合适，区别在于6％Si经过均匀化处理后会存在2％左右的椭圆形铁素体存在，这种少量的高温铁素体会促进热变形过程中的再结晶现象产生，有利于热塑性变形。

表2均匀化处理方案

均匀化温度(℃)	1050	1100	1150	1200	1250
						均匀化时间(h)	4、8、12	4、8、12	4、8、12	4、8、12	4、8、12

为对比不同条件下高硅奥氏体不锈钢的热塑性，在Gleeble-3500热模拟机上相同条件下(0.1s^-1/1150℃)进行了六组高温拉伸实验，断面收缩率和延伸率见图1。断面收缩率分别为：5.5％Si，50％；6％Si边部，9％；6％Si心部，7％；5.5％Si均匀化，70％；6％Si均匀化，76％；6％Si(1200℃×12h)，44％；延伸率为：5.5％Si，10％；6％Si边部，7％；6％Si心部，5％；5.5％Si均匀化，11％；6％Si均匀化，13％；6％Si(1200℃×12h)，8％。通过对比经过均匀化处理的6％Si热塑性最好。

(3)热加工工艺

通过在1000～1200℃/0.01～10s^-1、应变量为0.8(相当于工程应变55％)变形条件下在Gleeble-3500热模拟试验机上对不锈钢的热变形行为进行了研究。经过热压缩后的试样在宏观上除去1200℃/10s^-1变形条件外未见边裂现象(图2为1200℃/10s^-1变形条件边裂现象)；高温压缩试验表明适宜的热变形参数为1040～1180℃、应变速率小于0.8s^-1、应变量在0.8范围下进行加工，最优条件为1150℃/0.01s^-1。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种改善高硅奥氏体不锈钢热塑性的方法，其特征在于，依据高硅奥氏体不锈钢的元素成分，将金属硅、金属铬、镍板、电解锰、钼条、电解铜、纯铁按一定比例混合进行熔炼，然后进行均匀化处理和热加工，得到具有良好热塑性的高硅奥氏体不锈钢。

2.根据权利要求1所述的改善高硅奥氏体不锈钢热塑性的方法，其特征在于，所述高硅奥氏体不锈钢的元素成分如下：Si：5.00～7.00％、Cr：11.50～17.50％、C：≤0.03％、Ni：14.50～19.50％、Mn：≤2.00％、Mo：0.30～3.00％、Cu：0.30～3.00％、P：≤0.045％、S：≤0.03％、Al：≤0.50％、Fe：余量。

3.根据权利要求2所述的改善高硅奥氏体不锈钢热塑性的方法，其特征在于，所述Si的含量为6.00％，所述Cr的含量为14.50％。

4.根据权利要求1所述的改善高硅奥氏体不锈钢热塑性的方法，其特征在于，所述熔炼采用真空感应熔炼炉进行，真空度为1×10^-1～5×10^-3Pa。

5.根据权利要求1所述的改善高硅奥氏体不锈钢热塑性的方法，其特征在于，所述均匀化处理的温度为1050～1250℃，时间为4～12h。

6.根据权利要求5所述的改善高硅奥氏体不锈钢热塑性的方法，其特征在于，所述均匀化处理的温度为1150℃，时间为12h。

7.根据权利要求1所述的改善高硅奥氏体不锈钢热塑性的方法，其特征在于，所述热加工的温度为1050～1250℃，应变速率为0.01～10s^-1。

8.根据权利要求7所述的改善高硅奥氏体不锈钢热塑性的方法，其特征在于，所述热加工的温度为1150℃，应变速率为0.01s^-1。