专利名称：：耐磨耐蚀高氮高锰奥氏体不锈钢的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种奥氏体不锈钢，特指一种耐磨耐蚀高氮高锰奥氏体不锈钢。技术背景奥氏体不锈钢是最重要的一类不锈钢，钢号众多，其使用量和生产量占不锈钢总用量及产量的绝大多数。多年来，国内外使用最广泛的是镍铬不锈钢，其镍含量较高，但是这样的不锈钢有两个比较严重的问题。首先是其奥氏体的微观组织硬度、强度偏低，所以，限制其广泛的使用；其次，由于镍和铬元素的地矿藏量相对较少，尤其是镍，是非常昂贵的"战略资源"，所以制取成本很高。因此，各国开展了大量的研究来解决这些问题。首先，提高奥氏体不锈钢的强度，人们开展了奥氏体不锈钢中掺杂氮的研究，发现氮不但可以稳定奥氏体组织，还可以极大地提高奥氏体钢的强度，其作用比碳及其他合金元素强，氮减少奥氏体密排面上不全位错，限制了含间隙杂质原子团的Splintered位错运动；掺杂氮同样可以提高奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀、如晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀。最初由于钢铁冶炼条件的限制，在常压下能加入的氮浓度比较低，因此氮在奥氏体不锈钢中的作用不明显。随着加压冶金技术的发展，氮作为强烈间隙元素，以廉价、易得等特点再次引起人们的注意。仅从1988年到1995年，高氮钢的国际性会议便召开了6次。日前高氮钢的研究在日本、瑞典、德国、法国和俄罗斯等国家迅速发展。国内对控氮型和中氮型奥氏体不锈钢的研究、开发作了大量工作，对高氮型奥氏体不锈钢的研究工作还刚刚开始。其次，目前学术界和产业界开展了高锰低镍、高锰无镍钢的研究，首先，该类钢可以极大地减少镍的用量，所以能够降低成本；其次，氮的溶解度会随合金中铬和锰含量的增加而增大，因此高的锰含量可以提高氮在奥氏体中的固溶度。因而用锰取代镍作为主要的奥氏体化合金元素是必然趋势。锰和氮的共同作用，可以稳定奥氏体组织并提高材料的强度，提高其耐磨损性能，而且其耐蚀性不受影响。因此，耐磨耐蚀高锰奥氏体不锈钢具有优异的性能，将会得到越来越广泛的重视。最近也出现了一些奥氏体不锈钢的设计及专利，如专利号为200510063018.7提到的"少镍奥氏体不锈钢"含有较低含量的锰，不含氮，因此其抗拉强度等力学性能较低；专利号为200410041285.X公布的"一种奥氏体不锈钢"，这种钢虽然降低了镍成分，但是其抗拉强度等力学性能有所减弱；专利号为01111434.7公布的"一种奥氏体不锈钢"，它含有一定量的Mo和Al，具有良好的耐酸碱腐蚀性能，但是，其缺点是强度不高。
发明内容本发明的目的在于提供一种具有优良耐磨、耐蚀性能、成本低廉、综合力学性能良好、使用温度范围宽的高氮高锰奥氏体不锈钢。.耐磨耐蚀高氮高锰奥氏体不锈钢，其特征在于按质量分数计算，包含以下组分0.400.65X的N、《0.05%的(、18.025.0%的Mn、03.50X的Ni、18.0020.00%的&、《0.05X的S、《0.05X的P、《1.00X的Si、余量为Fe。优选含量为①0.500.65%N、《0.05%C、22.00~25.00%Mn、1.00~3.50%Ni、18.00~20.00%Cr、《0.05%S、《0.05%P、《1.00%Si、余量为Fe。确定上述主要化学成分范围的理由如下1.锰锰是奥氏体形成元素，具有强烈的稳定奥氏体组织的作用，并且提高氮在钢中的溶解度。在节镍奥氏体不锈钢中，锰是非常重要的合金元素之一，常与镍等元素共同加入到钢中，以节约镍或取代镍。2.铬铬是不锈钢中最重要的元素，是钢获得不锈性、抗蚀性的重要元素。本发明的奥氏体不锈钢的铬含量范围既保证钢有良好的不锈耐蚀性能，又保证获得奥氏体组织。3.镍镍是强烈的形成、稳定奥氏体组织并扩大奥氏体区的元素。但是镍降低了氮在合金中的溶解度，降低钢的热加工性能，而且恶化钢的生物相容性。因此，本发明的奥氏体不锈钢基本上无镍或含有少量的镍，目的是降低钢的制造成本，并且改善热加工性能，提高生物相容性。4.氮氮是非常强烈地形成并稳定奥氏体组织的元素，可以使得钢在低温下也保持奥氏体组织。氮在奥氏体不锈钢中可以代替部分镍，从而降低钢的制造成本。氮属于固溶强化元素，可以提高奥氏体不锈钢的强度但是并不显著损害钢的塑性和韧性。而且，氮的加入可以延缓碳化物的析出，从而使其耐晶间腐蚀性能得到提高。5.碳碳在奧氏体不锈钢中是强烈形成、稳定并扩大奥氏体区的元素。但是碳含量过高影响钢的塑性，不利于冷加工，并且降低钢的耐蚀性能。6.硅硅是脱氧元素，另外也是提高抗氧化性、耐水蒸汽氧化性等的有效元素。但是硅是强烈的铁素体形成元素，另外，当硅含量超过2%时，会促进金属间化合物在高温情况下的析出，因此为了保护本发明的不锈钢获得奥氏体组织，并且提高奧氏体组织的稳定性，必须限制硅的含量。7.磷磷是钢在冶炼过程中极难避免的有害元素，应尽量控制在0.05%(质量分数)以下。8.硫硫是钢在冶炼过程中极难避免的有害元素，应尽量控制在0.05%(质量分数)以下。本发明的奥氏体不锈钢具有以下优点1)成本低。本发明的奥氏体不锈钢采用了高氮、高锰的合金成分，其熔炼的原材料可以采用常用的工业电解锰，低碳铬铁，来源充足，价格低廉，成本低于18-8镍铬不锈钢。2)强度高、韧性好、耐磨损性能好。室温屈服强度(cro.2)大于525MPa，是常用的镍铬不锈钢1Crl8Ni9Ti的约1.6倍，室温强度极限(crb)大于790MPa，比1Crl8Ni9Ti约高46%。由于氮的加入，极大地提高了钢的强度，并且经过退火，可以得到细小的氮化物析出物，因此，钢的耐磨损性能得到了提高。3)本合金的延伸率高达41%，具有良好的冷加工性能。4)与普通奥氏体不锈钢1Crl8Ni9Ti相比，本合金具有更低的摩擦系数，更好的耐磨粒磨损性能。5)本合金具有良好的耐点腐蚀性能。尤其在FeCl3溶液中，其耐蚀性能优于普通奥氏体不锈钢1Crl8Ni9Ti。图l磨粒磨损实验装置示意图1、橡胶轮2、试样3、支点4、载荷具体实施方式材料1(质量分数):0.62%N、0.05%C、24.62%Mn、3.23%Ni、18.03%Cr、0.01%S、0.01%P、0.57%Si、余Fe。该材料采用真空炉中冶炼，去冒口、及钢锭底部后进行锻造，锻造工艺为加热温度1100°C，加热2小时，保温半小时，开锻温度1030'C左右，终锻温度95(TC以上。然后将改材料进行固溶处理，温度为1050'C、保温一小时，然后水冷。本发明的奥氏体不锈钢可以根据需要进行铸造或轧制成材，或再锻打。工艺为加热温度110(TC，加热2小时，保温半小时，开锻温度103(TC左右，终锻温度95(TC以上。经锻打成坯，然后经过机械加工成零件。本发明的的耐磨、耐蚀高锰奥氏体不锈钢力学等性能如表1所示。部分对比奥氏体钢的力学性能列于表2，可以看出本发明的奥氏体不锈钢的力学性能得到了很大的提高。表l本发明的力学性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>注材料的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率和断面收缩率的测试采用国家标准GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》；(夏比V型缺口)冲击实验采用国家标准GB4159-84《金属低温夏比冲击实验方法》。对本发明材料和对比材料1Crl8Ni9Ti进行摩擦系数测定，摩擦系数实验方法为在MS-T3000摩擦磨损试验仪测试18-8型奥氏体不锈钢及高氮奥氏体不锈钢的摩擦系数，载荷为200g，半径为3mm，具体结果列于表3。从表3中可以看到，材料1的摩擦系数比普通的1Crl8Ni9Ti不锈钢要低，而摩擦系数越小，就越耐磨。表3本发明不锈钢与传统奥氏体不锈钢磨损稳定阶段的摩擦系数对比材料摩擦系数材料10.55<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>对本发明材料和对比材料1Cd8Ni9Ti进行磨粒磨损实验，实验中试样2形状为块状，对磨材料形状为环，磨面为橡胶。实验前将试样2磨至800#水砂纸，使其表面光滑且平整，试样2在磨损前、后均需用丙酮清洗干燥后，用分析天平(精确度为0.01mg)称量试样2的重量，称量三次取平均值。湿砂磨损时，砂子为细砂(40目70目)，砂水比为2:1，即500克砂250毫升水，选取三个载荷4，结合实际，载荷4确定为5牛、10牛、20牛，磨损时间分别为15分钟、30分钟、60分钟，并在20N时，同样的磨损时间下，做了粗砂的磨损实验，磨粒磨损实验在MLS-23型湿砂橡胶轮磨损试验机上进行，最大压力为23Kg，标准转数为240转/分。具体结果列于见表4，从表4中可以看出材料1的耐磨性能明显优于普通的奥氏体不锈钢1Crl8Ni9Ti。表4试样的磨损量<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>对本发明材料和对比材料1Crl8Ni9Ti进行进行点腐蚀实验，点腐蚀实验方法为溶液为6。/。的FeCl3溶液(相当于10。/。的FeCl3.6H20)。ASTM规定不加HC1，我国和日本均加0.05mol/L的HC1溶液，这对防止FeCl3溶液的混浊有利。配制方法是将lOOg分析纯的FeCl3.6H20溶于900ml的O.05mol/L的HC1溶液中。实验溶液量为800ml，满足其与试样表面积的面容比在20mL/cm2以上的要求。考虑实际，实验温度定在35'C。实验周期为24小时，实验过程中未除氧。实验后用肉眼和低倍放大镜检査试样，并采取失重法评定耐点蚀性能。精确到O.Olmg。通过点腐蚀实验(6。/。的FeCl3的溶液中，实验时间均为24h，实验温度为35°C)，我们可以看到(见表5)，材料1的腐蚀率明显低于普通奥氏体不锈钢1Cr腦i9Ti。表5试样的点腐蚀实验结果<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>因此，综合力学、磨损、腐蚀的实验结果，可以发现本发明的高氮高锰不锈钢具有高强度、耐磨、耐蚀等优良性能。该材料可以广泛用于机械、农业工程、化工、食品、生物医学、石油煤炭、核工业、建筑、民生用具等领域。权利要求1、耐磨耐蚀高氮高锰奥氏体不锈钢，其特征在于按质量分数计算，由以下组分组成0.40～0.65％的N、≤0.05％的C、18.0～25.0％的Mn、0～3.50％的Ni、18.00～20.00％的Cr、≤0.05％的S、≤0.05％的P、≤1.00％的Si、余量为Fe。2、权利要求1所述的耐磨耐蚀高氮高锰奥氏体不锈钢，其特征在于0.50~0.65o/oN、《0.05o/oC、22.00~25.00%Mn、1.00~3.50%Ni、18.00~20.00o/oCr、《0.05%S、《0.05%P、《1.00%Si、余量为Fe。全文摘要本发明涉及一种奥氏体不锈钢，特指一种耐磨耐蚀高氮高锰奥氏体不锈钢，其特征在于按质量分数计算，由以下组分组成0.40～0.65％N、≤0.05％C、18.00～25.00％Mn、18.00～20.00％Cr、0～3.50％Ni、≤0.05％S、≤0.05％P、≤1.00％Si、余Fe。该种奥氏体不锈钢以提高氮含量、锰含量来节约价格昂贵的战略资源镍，从而降低了生产成本；而且，材料中的氮，可以有效地提高奥氏体不锈钢的抗拉强度等力学性能，并具有良好的韧性与加工性能；材料中的锰和氮的作用，可以提高材料的耐磨和耐腐蚀能力。文档编号C22C38/58GK101407895SQ20081023618公开日2009年4月15日申请日期2008年11月25日优先权日2008年11月25日发明者戴起勋,王安东,程晓农,袁志钟,陈康敏申请人:江苏大学