本发明涉及一种奥氏体不锈钢，具体涉及一种超低碳奥氏体不锈钢、耐高温耐腐蚀无缝不锈钢管及该无缝不锈钢管的制备方法。
背景技术：
：制备输送管道用的无缝钢管，要采用不锈钢材料，但同时具备高强高韧性能和优良耐腐蚀性能的不锈钢材料太少，传统的普通碳钢和低Cr合金钢均难以满足要求。目前通常采用马氏体不锈钢和奥氏体-铁素体双相不锈钢制备高强度无缝不锈钢管，其中马氏体不锈钢因含碳较高，故具有较高的强度、硬度和耐磨性，但其耐蚀性稍差，主要用于制备力学性能要求较高、耐蚀性能要求一般的零件上，在输送管道中的应用则限制较大。奥氏体-铁素体双相不锈钢是奥氏体和铁素体组织各约占一半的不锈钢。在含C较低的情况下，Cr含量在18％～28％，Ni含量在3％～10％。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。但奥氏体-铁素体双相不锈钢中的高含量Cr会减弱奥氏体相的形成，使铁素体相成为主导的相成分，这就使得奥氏体-铁素体双相不锈钢中奥氏体相和铁素体相之间的平衡得不到良好控制，其性能也会发生难以预期的变化，往往会出现塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低等缺点。超低碳奥氏体不锈钢因碳含量比较低，发生晶间腐蚀的几率较其他不锈钢类材料要小，较高的Cr，Ni含量使其具有优良的抗CO2、H2S和C1腐蚀性能,且该类钢的耐高温高压性能良好，具备制备输送管道的基本要求。但对于需要在苛刻腐蚀环境中使用的输送管道，现有超低碳奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能仍旧有待提高。技术实现要素：本发明的发明目的是提供一种超低碳奥氏体不锈钢，解决了现有奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能相对较低的问题。一种超低碳奥氏体不锈钢，按质量百分数计，其化学成份包括：碳≤0.02％，氮0.1～0.3％，锰1.7～1.9％，铬18～20％，镍10～13％，硅0.2～0.4％，铝1.4～1.8％，钽0.8～2.3％，铌0.5～1.4％，铪1.5～3.2％，钴0.1～0.3％，钨1～3％，钼1～3％，碲0.3～0.6％，余量为铁。本发明将奥氏体不锈钢中的碳含量设置在0.02％以下，以防止出现晶间腐蚀；同时添加的氮能够与碳协同以弥补因碳含量降低而引起的不锈钢强度不足问题，氮也是奥氏体形成元素，对奥氏体组织的稳定性起到重要作用；氮的加入还能改善奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能。本发明将奥氏体不锈钢中的铬含量设置为略高于18％，在提高奥氏体不锈钢的强度、硬度和耐磨性的同时，避免高铬含量影响奥氏体不锈钢的塑性和韧性。镍作为强奥氏体形成元素，与铬以合理的比例混合后可使奥氏体不锈钢在室温下具有稳定的奥氏体组织。镍还能与铬协同配合，改善奥氏体不锈钢的抗应力耐腐蚀性、高温抗氧化性和强度。本发明的奥氏体不锈钢中添加有硅，硅能使奥氏体不锈钢对浓硝酸具有一定的耐腐蚀能力。本发明的奥氏体不锈钢中添加有铝，铝作为一种铁素体形成元素，在适当的添加量下，能促使析出反应发生并形成镍铝析出相，使奥氏体不锈钢强化，进一步提高奥氏体不锈钢的强度。本发明的奥氏体不锈钢中添加有钼，钼使得奥氏体不锈钢能耐硫酸、磷酸、甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。本发明的奥氏体不锈钢中添加有铌，铌能与碳优先化合，形成碳化铌，避免了因形成Cr23C6而造成贫铬区，有效提高奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀能力。本发明还在奥氏体不锈钢中创造性地添加了钽、铪和钨，其中钽具有极高的抗腐蚀性，无论是在冷还是热条件下，均不会与盐酸、浓硝酸以及王水发生反应；在150℃下，钽也不会被浓硫酸和无机盐所腐蚀；在常温下，碱溶液、氯气、溴水、稀硫酸以及其他许多药剂均不会与钽起作用。钽的加入不仅能有效提高奥氏体不锈钢对各类腐蚀性物质的耐腐蚀作用，使奥氏体不锈钢富有高延展性和韧性，避免产生脆性裂纹；钽还能与碳形成固溶体和碳化物，与铌协同配合进一步提高奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀能力；钽还能与氮形成固溶体和氮化物，进一步提高改善奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能和强度。铪的加入同样能提高奥氏体不锈钢的抗腐蚀性能、硬度、强度和耐高温性能；钨加入后能与碳形成碳化钨，碳化钨能够进一步提高奥氏体不锈钢的硬度、耐磨性和耐高温性能；而钴不仅是奥氏体形成元素，还能与碳化钨协同进一步提高奥氏体不锈钢的强度。钽与铪、钽与钨或者钽与钨和铪协同均能进一步提高奥氏体不锈钢的强度和耐高温性能。本发明的奥氏体不锈钢中添加有碲，碲具有良好的传热和导电性能，不仅能够改善奥氏体不锈钢的切削加工性，还能提高奥氏体不锈钢的硬度。作为优选，按质量百分数计，其化学成份包括：碳≤0.02％，氮0.18～0.24％，锰1.76～1.87％，铬18.8～19.6％，镍11.4～12.5％，硅0.25～0.36％，铝1.57～1.73％，钽1.74～2.16％，铌0.8～1.1％，铪2.2～2.8％，钴0.16～0.25％，钨1.6～2.4％，钼1.7～2.3％，碲0.42～0.58％，余量为铁。作为进一步优选，按质量百分数计，其化学成份包括：碳0.016％，氮0.21％，锰1.83％，铬19.1％，镍11.7％，硅0.32％，铝1.68％，钽1.94％，铌0.92％，铪2.67％，钴0.21％，钨2.12％，钼2.15％，碲0.52％，余量为铁。本发明的另一个发明目的是提供一种耐高温耐腐蚀无缝不锈钢管，该无缝不锈钢管采用所述超低碳奥氏体不锈钢制备而成。本发明的另一个发明目的是提供一种所述耐高温耐腐蚀无缝不锈钢管的制备方法，该制备方法包括以下步骤：S1：将所述超低碳奥氏体不锈钢的各原料置于电炉或转炉中进行初炼后进行精炼，将获得精炼液连铸或模铸成钢坯；S2：在氩气保护气氛下，选择锭型将所述钢坯进行电渣重熔，重熔后快速冷却获得铸锭；S3：对所述铸锭进行均质化退火；S4：将经均质化退火后的铸锭加热至1100-1250℃，保温30min以上，对铸锭进行多道次锻造，制成锻坯；S5：对所述锻坯进行扒皮定心和穿孔处理，制成管坯；S6：对所述管坯进行热挤压，制成无缝管坯；S7：对所述无缝管坯进行固溶处理；S8：对经固溶处理后的无缝管坯进行冷变形处理，使断面收缩率控制在20～40％之间，获得无缝不锈钢管半成品；S9：对所述无缝管半成品进行去应力退火，经检测合格后获得所述耐高温耐腐蚀无缝不锈钢管成品。作为优选，步骤S1中，所述初炼包括：S1-1：按预设的质量百分数，将锰、镍、铬、钼、碲、铝和铁置于电炉或转炉中，在1350-1400℃下进行熔炼，至所有成分完全熔融，获得熔炼液A；S1-2：按预设的质量百分数，将钽、铪、钨、铌和钴置于电炉或转炉中，在1500～1600℃下进行熔炼，至所有成分完全熔融，获得熔炼液B；S1-3：将熔炼液B升温至1550-1750℃，并按预设的质量百分数，向熔炼液B中加入碳、氮和硅，继续熔炼3～4h，获得熔炼液C；S1-4：将熔炼液A加入到1550-1750℃的熔炼液C中，加热至1600～1800℃，保温30～60min，获得初炼液。本发明单独地将锰、镍、铬、铝和铁一起熔炼获得含有奥氏体组织的熔炼液A；单独地将钽、锡、铌和锆一起熔炼，并且将熔炼液B优先与碳、氮和硅一起熔炼，在适当的温度下，使碳或氮优先与钽、铌或锆形成固溶体和碳化物，而后再将熔炼液C与熔炼液A混合获得初炼液，避免碳与铬形成碳化物。作为优选，步骤S1中，所述精炼包括：将所述初炼液置于AOD炉中，于1800～1950℃下进行精炼，保温2～2.5h，获得所述精炼液。作为优选，步骤S3中，所述均质化退火包括以下阶段：第一阶段：将所述铸锭加热至1150～1200℃，保温10～15h；第二阶段：将退火温度从1150～1200℃升温至1300～1350℃，保温8～10h；第三阶段：将退火温度从1300～1350℃降至1250～1280℃，保温10～15h；第四阶段：将退火温度从1250～1280℃降至1150～1200℃，保温4～6h。本发明将均质化退火分为四个阶段，将退火温度逐渐升高后逐渐降低，不仅能够有效消除成分偏析，还能避免长时间的加热环境所造成的刚质量下降和高能耗问题；在使各类固溶体和碳化物融入奥氏体组织中的同时，避免在固溶体和碳化物原来所占位置处留下空洞，形成显微裂纹。作为优选，步骤S6中，所述热挤压包括以下步骤：S6-1：将所述管坯置于环形炉中预热，环形炉温度设置为1050～1100℃，驻炉时间为1.5dmin，其中d为所述管坯的壁厚；S6-2：将预热后的管坯置于感应炉中进行一次加热，感应炉温度为1150～1180℃，保温2～4min；S6-3：一次加热后，利用玻璃粉对管坯的内外表面进行润滑；S6-4：润滑后，对管坯进行扩径处理；S6-5：扩径后，将管坯置于感应炉中进行二次加热，感应炉温度为1230～1260℃，保温2～5min；S6-6：二次加热后，将管坯挤压成无缝管坯，空冷。作为优选，步骤S7中，所述固溶处理为：将所述无缝管坯加热至1050～1150℃，保温10～30min后水冷。与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明将奥氏体不锈钢中的碳含量设置在0.02％以下，以防止出现晶间腐蚀；同时添加的氮能够与碳协同以弥补因碳含量降低而引起的不锈钢强度不足问题，氮也是奥氏体形成元素，对奥氏体组织的稳定性起到重要作用；氮的加入还能改善奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能；(2)本发明将奥氏体不锈钢中的铬含量设置为略高于18％，在提高奥氏体不锈钢的强度、硬度和耐磨性的同时，避免高铬含量影响奥氏体不锈钢的塑性和韧性；镍作为强奥氏体形成元素，与铬以合理的比例混合后可使奥氏体不锈钢在室温下具有稳定的奥氏体组织；镍还能与铬协同配合，改善奥氏体不锈钢的抗应力耐腐蚀性、高温抗氧化性和强度；(3)本发明的奥氏体不锈钢中添加有硅，硅能使奥氏体不锈钢对浓硝酸具有一定的耐腐蚀能力；(4)本发明的奥氏体不锈钢中添加有铝，铝作为一种铁素体形成元素，在适当的添加量下，能促使析出反应发生并形成镍铝析出相，使奥氏体不锈钢强化，进一步提高奥氏体不锈钢的强度；(5)本发明的奥氏体不锈钢中添加有铌，铌能与碳优先化合，形成碳化铌，避免了因形成Cr23C6而造成贫铬区，有效提高奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀能力；(6)本发明还在奥氏体不锈钢中创造性地添加了钽，钽的加入不仅能有效提高奥氏体不锈钢对各类腐蚀性物质的耐腐蚀作用，使奥氏体不锈钢富有高延展性和韧性，避免产生脆性裂纹；钽还能与碳形成固溶体和碳化物，与铌协同配合进一步提高奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀能力；钽还能与氮形成固溶体和氮化物，进一步提高改善奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能和强度；(7)本发明还在奥氏体不锈钢中创造性地添加了铪、钨和钴，铪的加入能提高奥氏体不锈钢的抗腐蚀性能、硬度、强度和耐高温性能；钨加入后能与碳形成碳化钨，碳化钨能够进一步提高奥氏体不锈钢的硬度、耐磨性和耐高温性能；而钴不仅是奥氏体形成元素，还能与碳化钨协同进一步提高奥氏体不锈钢的强度；不仅如此，钽与铪、钽与钨、钽与钨和铪协同均能进一步提高奥氏体不锈钢的强度和耐高温性能。具体实施方式下面列举具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。实施例1本实施例一种超低碳奥氏体不锈钢，按质量百分数计，其化学成份包括：碳0.016％，氮0.21％，锰1.83％，铬19.1％，镍11.7％，硅0.32％，铝1.68％，钽1.94％，铌0.92％，铪2.67％，钴0.21％，钨2.12％，钼2.15％，碲0.52％，余量为铁。实施例2～5按质量百分数计，实施例2～5的超低碳奥氏体不锈钢的化学成份如表1所示。表1实施例2～5的超低碳奥氏体不锈钢的化学成份表成份实施例2实施例3实施例4实施例5碳(％)0.020.0160.015002氮(％)0.180.240.10.3锰(％)1.871.761.91.7铬(％)18.819.61820镍(％)12.511.41310硅(％)0.250.360.20.4铝(％)1.731.571.81.4钽(％)1.742.160.82.3铌(％)1.10.81.40.5铪(％)2.22.81.53.2钴(％)0.250.160.30.1钨(％)1.62.413钼(％)2.31.731碲(％)0.420.580.30.6铁(％)余量余量余量余量对比例1～13按质量百分数计，对比例1～13中奥氏体不锈钢的化学成份如表2所示。表2对比例1～13中奥氏体不锈钢的化学成份表实施例6分别利用实施例1～5和对比例1～13的奥氏体不锈钢材料制备耐高温耐腐蚀无缝不锈钢管，包括以下步骤：(1)初炼①：按预设的质量百分数，将锰、镍、铬、钼、碲、铝和铁置于电炉或转炉中，在1350～1400℃下进行熔炼，至所有成分完全熔融，获得熔炼液A；②：按预设的质量百分数，将钽、铪、钨、铌和钴置于电炉或转炉中，在1500～1600℃下进行熔炼，至所有成分完全熔融，获得熔炼液B；③：将熔炼液B升温至1550-1750℃，并按预设的质量百分数，向熔炼液B中加入碳、氮和硅，继续熔炼3～4h，获得熔炼液C；④：将熔炼液A加入到1550-1750℃的熔炼液C中，加热至1600～1800℃，保温30～60min，获得初炼液。(2)精炼将初炼液置于AOD炉中，于1800～1950℃下进行精炼，保温2～2.5h，获得精炼液，将获得精炼液模铸成钢坯。(3)电渣重熔用氩气保护电渣重熔炉对钢坯进行电渣重熔，重熔后快速冷却获得的铸锭。(4)均质化退火第一阶段：将所述铸锭加热至1150～1200℃，保温12h；第二阶段：将退火温度从1150～1200℃升温至1300～1350℃，保温8h；第三阶段：将退火温度从1300～1350℃降至1250～1280℃，保温10h；第四阶段：将退火温度从1250～1280℃降至1150～1200℃，保温5h。(5)锻造将经均质化退火后的铸锭加热至1100-1250℃，保温60min，对铸锭进行多道次锻造，制成锻坯。(6)制管坯对锻坯进行扒皮定心和穿孔处理，制成管坯。(7)热挤压①：将管坯置于环形炉中预热，环形炉温度设置为1050～1100℃，驻炉时间为600min(即1.5×400)；②：将预热后的管坯置于感应炉中进行一次加热，感应炉温度为1150～1180℃，保温3min；③：一次加热后，利用1100～1250℃熔融态玻璃粉对管坯的内外表面进行润滑；④：润滑后，使用扩孔锥对管坯进行扩径处理；⑤：扩径后，将管坯置于感应炉中进行二次加热，感应炉温度为1230～1260℃，保温4min；⑥：二次加热后，将管坯挤压成无缝管坯，空冷，获得的无缝管坯外径为261mm，壁厚15.4mm。(8)固溶处理将无缝管坯加热至1050～1150℃，保温20min后，水冷、矫直、酸洗、修磨、润滑。(9)冷变形处理对经固溶处理后的无缝管坯进行冷变形处理，使断面收缩率控制在20～40％之间，获得无缝不锈钢管半成品；(10)去应力退火在600～800℃下对无缝不锈钢管半成品进行去应力退火，获得耐高温耐腐蚀无缝不锈钢管成品。(11)无损检测按ASMEE213《金属公称管和管子超声波检验的实用规程》对获得的无缝不锈钢管成品进行超声波探伤，Ⅱ级合格。(12)管端加工将无损检测合格的无缝不锈钢管成品截成需要的长度。测试例1、机械性能测试(1)耐磨性测试将采用实施例1～5和对比例1～13的奥氏体不锈钢材料制备无缝不锈钢管分别在MLD-10型动载磨料磨损试验机上进行耐磨性实验，具体过程如下：将无缝不锈钢管切割成10mm×10mm×30mm的试样，磨料为1mm～2mm的精制石英砂，流量为450mL/min，冲击功为5.0J；每隔30min测量一次磨损后的质量，共测量5次，磨损2h，以试样失重来判断耐磨性；测试结果见表3。(2)硬度、冲击韧性、延伸率、抗拉强度和屈服强度测试测试结果见表3和表4。表3各无缝不锈钢管的机械性能测试结果(室温下)由表3可见，采用实施例1～5的超低碳奥氏体不锈钢制备的无缝不锈钢管均具有优良的耐磨性、硬度、冲击韧性、延伸率、抗拉强度和屈服强度。与实施例1相比，对比例1由于碳含量高，其耐磨性也较高。与实施例1相比，对比例2中硅的缺失，对无缝不锈钢管的耐磨性、硬度、冲击韧性、延伸率、抗拉强度和屈服强度的影响较少。与实施例1相比，对比例3由于缺失铝，无缝不锈钢管的耐磨性、硬度、冲击韧性、延伸率、抗拉强度和屈服强度均有所降低，其中，无缝不锈钢管的耐磨性和硬度下降幅度较大，表明铝对提高本发明超低碳奥氏体不锈钢的强度具有一定作用。与实施例1相比，对比例4由于缺失钽、对比例5由于缺失铌，无缝不锈钢管的耐磨性、硬度、冲击韧性、延伸率、抗拉强度和屈服强度均大幅降低；而对比例6由于同时缺失钽和铌，无缝不锈钢管的耐磨性、硬度、冲击韧性、延伸率、抗拉强度和屈服强度进一步降低。表明钽和铌均能够有效改善本发明超低碳奥氏体不锈钢的硬度、强度和耐磨性，并使本发明超低碳奥氏体不锈钢富有高延展性和韧性，两者同时使用时效果更佳。与实施例1相比，对比例7由于缺失铪，对比例9由于缺失钨，无缝不锈钢管的耐磨性、硬度、冲击韧性、延伸率、抗拉强度和屈服强度均大幅降低；对比例8由于同时缺失铪和钽、对比例10由于同时缺失铪和钨、对比例11由于同时缺失钽和钨、对比例12由于同时缺失钽、铪和钨，无缝不锈钢管的耐磨性、硬度、冲击韧性、延伸率、抗拉强度和屈服强度进一步降低。表明铪和钽、铪和钨、钽和钨、钽、铪和钨之间均存在协同作用，能够有效改善本发明超低碳奥氏体不锈钢的硬度、强度和耐磨性，并使本发明超低碳奥氏体不锈钢富有高延展性和韧性。表4各无缝不锈钢管的机械性能测试结果(600℃/800℃下)由表4可见，随温度升高，各不锈钢管的冲击韧性、延伸率、抗拉强度和屈服强度均有所下降，但铪缺失(对比例7)、钨缺失(对比例9)时，不锈钢管的冲击韧性、延伸率、抗拉强度和屈服强度的下降幅度较大，并且钽铪同时缺失(对比例8)、铪钨同时缺失(对比例10)、钽钨同时缺失(对比例11)、钽铪钨同时缺失(对比例12)时，不锈钢管的冲击韧性、延伸率、抗拉强度和屈服强度的下降幅度更大，表明铪和钨均有利于改善不锈钢管的耐高温性能。2、化学性能测试将采用实施例1～5和对比例1～13的奥氏体不锈钢材料制备的无缝不锈钢管分别置于以下腐蚀性溶液中：a、质量分数为35％的硝酸溶液；b、质量分数为26％的盐酸溶液；c、质量分数为65％的硫酸溶液；d、质量分数为2.7％的溴水；e、质量分数为5％的甲酸；分别在常温和100℃下腐蚀72h，检测各腐蚀性溶液对各无缝不锈钢管的腐蚀程度，检测结果见表5。表5各无缝不锈钢管的耐腐蚀性能测试结果由表5可见，采用实施例1～5的超低碳奥氏体不锈钢制备的无缝不锈钢管，对各腐蚀溶液均具有优良的耐腐蚀性能，对比例1中碳含量的增加对无缝不锈钢管的耐腐蚀性能基本无影响。对比例2由于缺失硅，使得无缝不锈钢管对35％硝酸的耐腐蚀能力有所减弱，对其他腐蚀溶液的耐腐蚀能力则与实施例5基本相当。与实施例1相比，对比例3缺失铝后无缝不锈钢管对各腐蚀溶液的耐腐蚀能力有所降低，但仍基本与实施例5相当。对比例4缺失钽后无缝不锈钢管对各腐蚀溶液的耐腐蚀能力均大幅降低，对比例5缺失铌后无缝不锈钢管对各腐蚀溶液的耐腐蚀能力均大幅降低，对比例6同时缺失钽和铌后无缝不锈钢管对各腐蚀溶液的耐腐蚀能力进一步降低。表明钽和铌对改善奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能具有重要作用，并且当两者同时使用时，奥氏体不锈钢耐腐蚀性能的提升程度更高。同样地，对比例7缺失铪后、无缝不锈钢管对各腐蚀溶液的耐腐蚀能力均大幅降低，对比例8同时缺失铪和钽后、对比例10同时缺失铪和钨后、对比例11同时缺失钽和钨后、对比例12同时缺失钽、铪和钨后，无缝不锈钢管对各腐蚀溶液的耐腐蚀能力进一步降低。表明铪对改善奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能具有重要作用，并且当钽和铪同时使用、当铪和钨同时使用、当铪、钽和钨同时使用时，奥氏体不锈钢耐腐蚀性能的提升程度更高。当前第1页1 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