本发明属于金属材料冶金制备领域，特别涉及一种微合金化的高硅锰含氮型奥氏体不锈钢材料及制备方法。
背景技术：
氮元素不仅能够提高不锈钢耐点蚀和缝蚀等局部腐蚀的能力，还能提高强度、韧度。同时氮是有效的奥氏体形成元素，稳定奥氏体基体的能力甚至达到镍的30倍。含氮奥氏体不锈钢就是通过在在奥氏体不锈钢中加入适量的氮元素，取代部分的镍元素，从而可以降低材料成本，但为了提高氮在不锈钢中溶解度，则需要在不锈钢中添加一定量的锰。而硅可以提高铁的钝化能力、提高基体的电极电位，在钢的表面形成一层致密的氧化膜，从而可明显提高钢的耐蚀性、耐磨性。因此高硅锰含氮型奥氏体不锈钢具有良好的强韧性匹配，以及耐磨、耐腐蚀、抗空蚀和高温性能，在化工、石油天然气开采、水电、核电等重要工业领域得到了广泛应用。不过当硅含量过高，大于4～5％时，在热加工或热处理过程容易析出脆性的金属间相，比如σ相，导致钢易于脆化，因此该钢种的制造对锻、轧等热加工以及热处理的要求很高，使得一般工厂无法生产该系列钢种，阻碍了它们的推广应用。
技术实现要素：
本发明所涉及的微合金化的高硅锰含氮型奥氏体不锈钢材料及制备方法，采用本发明所述方法制备的高硅锰含氮型奥氏体不锈钢，具有良好的冷、热加工性能，优良的横、纵向室温、高温力学性能和韧塑性，耐腐蚀性能好等特点，同时，大大提高了合金成材率。
本发明的技术方案是：
高硅锰型含氮不锈钢材料，其各组分的重量百分含量为：
c：0.03～0.06％、cr：16.0～17.5％、ni：8.0～9.0％、si：3.5～4.5％、mn：7.5～9.0％、n：0.10～0.18％、mo：0.1～0.6％、v：0.05～0.2％、nb：0.05～0.2％、cu：0.1～0.5％、fe为余量。
较好的技术方案是，上述材料各组分的重量百分含量为：
c：0.040～0.045％、cr：16.5～17.0％、ni：8.0～8.5％、si：3.8～4.2％、mn：7.5～8.5％、n：0.12～0.16％、mo：0.3～0.5％、v：0.10～0.15％、nb：0.10～0.15％、cu：0.1～0.25％、fe为余量。
上述高硅锰型含氮不锈钢材料的制备方法，有以下步骤：
1)上述配比取高硅锰含氮型不锈钢各组分，其中v采用铁钒中间合金，n采用微碳铬铁，将fe、cr、ni、mo、nb作为底料，c、si、mn、cu、铁钒中间合金、微碳铬铁作为小料，真空感应炉或电弧炉熔炼，待底料完全熔化后在保护气氛下分批次加入小料，经成分检测合格后浇铸成圆柱形电极棒，得到电渣重熔用的重熔电极棒
2)配制渣料，渣料各组成按重量份为caf2：50～70份、cao：5～20份、al2o3：5～20份、mgo：5～20份、sio2：1～10份、mno2：1～10份；渣料经800℃烘烤8～16h；
3)将渣料加热至熔融状态后倒入结晶器或在结晶器中直接化渣起弧，步骤1)得到的重熔电极棒缓慢插入到熔融状态下的渣料中，通电起弧后调整电压45～60v、电流6000～14000a至稳定后开始化料；
4)重熔完毕前热补缩，补缩起始电流为电渣重熔结束电流；重熔后，钢锭冷却≥30min脱模，得到电渣锭；
5)电渣锭在1100～1170℃±15℃温度下加热保温2～4h，经变形加工得到棒、丝、板带或锻件，棒、丝、板带或锻件在1000～1110±10℃温度下0.5～4h，水冷(快速冷却)，得到高硅锰含氮型不锈钢棒、丝、板带或锻件。
步骤4)所述的补缩采用功率递减法，其电流下降速率为0.006～0.008ka/s。
用于制备上述高硅锰型含氮不锈钢的电渣重熔渣料，该电渣重熔渣料的各组成成分按重量份为：
caf2：50～70份、cao：5～20份、al2o3：5～20份、mgo：5～20份、sio2：1～10份、mno2：1～10份。
较好的技术方案是，该电渣重熔渣料的各组成成分按重量份为：
caf2：60～63份、cao：13～15份、al2o3：12～14份、mgo：5～6份、sio2：2～5份、mno2：2～5份。
上述棒、丝、板或锻件经无损检验、理化检验或机加工后，得到成品的高硅锰含氮型不锈钢棒、丝、板带或锻件。
奥氏体不锈钢大多是在18-8型铬镍不锈钢基础上开发出来的，在不锈钢中添加适量的氮，可提高强度、韧度和耐蚀性；添加硅，可提高强度尤其是高温强度、弹性极限、抗氧化和耐磨性能。但硅是一个铁素体形成元素，为了获得稳定的奥氏体基体，需加大强奥氏体形成元素比如碳、氮和锰的加入量。此时锰还可以显著提高氮在钢中的溶解度。氮和锰的加入，可平衡镍当量，取代一定量的镍，起到降低成本的目的。“标准”高硅锰含氮不锈钢由于碳、硅含量较高，在热加工或热处理过程容易析出有害碳化物、金属间相，导致钢易于脆化，因此该钢种的制造对锻、轧等热加工以及热处理的要求很高，使得一般工厂无法生产该系列钢种，阻碍了它们的推广应用。在“标准”合金中加入微量的mo、v、nb、cu等元素，对改善合金热冷加工性能及组织稳定性，优化提高合金的室温、高温力学性能、耐腐蚀性能等有着积极作用。其中mo可提高高温强度、耐氯离子腐蚀能力，cu可提高耐腐蚀性能、改善冷成形性，nb可稳定c、n，改善碳氮化物形态，v可细化晶粒。
本发明对一种高硅锰型含氮不锈钢采用了独特的微合金化配方，辅以合理的制备技术，通过真空感应加电渣重熔的双联冶金工艺，获得成分稳定、纯度高、杂质元素少的合金钢锭。合金钢锭通过冷、热加工，热处理、无损检测、机加工、理化检测等，获得成品的高硅锰型含氮不锈钢棒、丝、板带或锻件。
通过上述方法获得的高硅锰型含氮不锈钢，具有良好的横纵向强韧性匹配比及耐磨、耐腐蚀和高的室温、高温性能，同时，优良的冷、热加工性能，大大提高了合金成材率。此外，其室温、高温性能、韧塑性优良且具有优异的耐腐蚀性能，对产品的应用和进一步推广产生积极作用，有利于企业的可持续发展，社会效益和经济效益显著。可应用于核电工程、化工、石油石化等重要工业领域。
具体实施例
实施例1
高硅锰型含氮不锈钢的电渣重熔电极棒单重450kg，合计900kg。采用500kg真空感应炉，按c：0.045％、cr：16.8％、ni：8.5％、si：3.9％、mn：8.3％、n：0.15％、fe：61.5％、mo：0.3％、v：0.15％、nb：0.1％、cu：0.1％的成分配比，将fe、cr、ni、mo、nb作为底料，置于坩埚底部，将c、si、mn、cu、铁钒中间合金、微碳铬铁等小料，置于加料斗。
待底料完全熔化后在保护气氛下分批次加入小料，经成分检测合格后浇铸成圆柱形电极棒，电极棒的直径为φ260mm，2支。棒材表面经砂磨精整后，得到电渣重熔用的重熔电极棒。
高硅锰型含氮不锈钢的电渣重熔渣系配置50kg/1炉，配比按重量份：
caf2：31.5kg(63％)、cao：7.5kg(15％)、al2o3：6kg(12％)、mgo：3kg(6％)、sio2：1kg(2％)、mno2：1kg(2％)。
按照上述电渣重熔渣系配比配置渣料，渣料重量50kg，渣料经800℃烘烤8～16h。将重熔电极棒缓慢插入到熔融状态下的渣料中，通电起弧后调整电压48～53v、电流7500～9000a至稳定后开始化料。重熔完毕前必须热补缩，重熔完毕后，应将钢锭留置于结晶器中冷却30min方能脱模。脱模后得到电渣锭，电渣锭直径为φ400mm。
所获高硅锰型含氮不锈钢电渣锭在1150℃温度下加热保温2h，开坯锻造成φ115mm圆棒，经1050℃温度固溶90min、水冷后，机加工成φ100mm棒材，经无损检验、性能检测后获得高硅锰型含氮不锈钢棒材。
该高硅锰型含氮不锈钢的性能为：
表1高硅锰型含氮不锈钢φ100mm棒材性能
最终产品应用于海洋石油工程方面，性能完全满足指标要求。
实例2
高硅锰型含氮不锈钢的电渣重熔电极棒单重1300kg，合计2600kg。采用3000kg真空感应炉，按c：0.042％、cr：17.0％、ni：8.3％、si：3.95％、mn：8.10％、n：0.14％、fe：61.2％、mo：0.5％、v：0.13％、nb：0.15％、cu：0.25％的成分配比，将fe、cr、ni、mo、nb作为底料，置于坩埚底部，将c、si、mn、cu、铁钒中间合金、微碳铬铁等小料，置于加料斗。
待底料完全熔化后在保护气氛下分批次加入小料，经成分检测合格后浇铸成圆柱形电极棒，电极棒的直径为φ400mm，2支。棒材表面经砂磨精整后，得到电渣重熔用的重熔电极棒。
高硅锰型含氮不锈钢的电渣重熔渣系配置120kg/1炉，配比按重量份：
caf2：72kg(60％)、cao：15.6kg(13％)、al2o3：14.4kg(12％)、mgo：6kg(5％)、sio2：6kg(5％)、mno2：6kg(5％)
按照上述电渣重熔渣系配比配置渣料，渣料重量120kg，渣料经800℃烘烤8～16h。将重熔电极棒缓慢插入到熔融状态下的渣料中，通电起弧后调整电压53～60v、电流10000～13000a至稳定后开始化料。重熔完毕前必须热补缩，重熔完毕后，应将钢锭留置于结晶器中冷却60min方能脱模。脱模后得到电渣锭，电渣锭直径为φ600mm。
所获高硅锰型含氮不锈钢电渣锭在1160℃温度下加热保温3h，开坯锻造成φ265mm圆棒，经1050℃温度固溶180min、水冷后，机加工成φ250mm棒材，经无损检验、性能检测后获得高硅锰型含氮不锈钢棒材。
该高硅锰型含氮不锈钢的性能为：
表2高硅锰型含氮不锈钢φ250mm棒材性能
最终产品应用于核电堆内构件导向套筒，性能满足技术规格书要求。
实施例3
高硅锰型含氮不锈钢的电渣重熔电极棒单重450kg，合计900kg。采用500kg真空感应炉，按c：0.040％、cr：16.7％、ni：8.3％、si：4.1％、mn：7.9％、n：0.16％、fe：62.1％、mo：0.3％、v：0.1％、nb：0.12％的成分配比，将fe、cr、ni、mo、nb作为底料，置于坩埚底部，将c、si、mn、cu、铁钒中间合金、微碳铬铁等小料，置于加料斗。
待底料完全熔化后在保护气氛下分批次加入小料，经成分检测合格后浇铸成圆柱形电极棒，电极棒的直径为φ200mm，4支。棒材表面经砂磨精整后，得到电渣重熔用的重熔电极棒。
高硅锰型含氮不锈钢的电渣重熔渣系配置40kg/1炉，配比按重量份：
caf2：25.2kg(63％)、cao：6kg(15％)、al2o3：4.8kg(12％)、mgo：2.4kg(6％)、sio2：0.8kg(2％)、mno2：0.8kg(2％)。
按照上述电渣重熔渣系配比配置渣料，渣料重量40kg，渣料经800℃烘烤8～16h。将重熔电极棒缓慢插入到熔融状态下的渣料中，通电起弧后调整电压45～50v、电流7000～9000a至稳定后开始化料。重熔完毕前必须热补缩，重熔完毕后，应将钢锭留置于结晶器中冷却30min方能脱模。脱模后得到电渣锭，电渣锭直径为φ380mm。
所获高硅锰型含氮不锈钢电渣锭在1150℃温度下加热保温2h，开坯锻造成90×500×1200mm板坯，经热轧成型成10×550×700mm/块的板材，经1050℃温度固溶60min、水冷后，校平直后表面机加工成光亮状态，经无损检验、性能检测后获得高硅锰型含氮不锈钢板材。
该高硅锰型含氮不锈钢板材的性能为：
表3高硅锰型含氮不锈钢板材性能
最终产品应用于核电工程用工装夹具，性能满足技术协议要求。