一种高强韧高氮奥氏体不锈钢的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高强韧高氮奥氏体不锈钢，属于钢铁合金材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，氮作为钢的合金化成分已日益受到重视，高氮奥氏体不锈钢优异的力学 性能、组织稳定性和耐腐蚀性能使其成为一种应用前景非常广阔的新型钢铁材料。
[0003] 国外学者将高氮钢定义为含氮量超过在常规条件下钢中所能达到的极限氮含量 的钢。在不同的基体组织中氮含量的范围不同：在铁素体基体中，氮的质量分数<0.08%; 在奥氏体基体中，氮的质量分数< 〇. 4%，超过此氮含量就可以称为高氮钢。
[0004] 氮在不锈钢中的作用主要体现在对不锈钢基体组织、力学性能和耐蚀性三方面的 影响。研究表明，氮是一种非常强烈地形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素，在不锈 钢中可代替部分镍，降低钢中的铁素体含量，使奥氏体更稳定，防止有害金属间相的析出， 甚至在冷加工条件下可避免出现马氏体转变。氮对不锈钢力学性能的影响主要表现在：氮 在显著提高不锈钢强度的同时，并不降低材料的塑韧性；氮能提高不锈钢的抗蠕变、疲劳、 磨损能力和屈服强度。氮作为改善耐蚀性的元素可在蚀孔内形成NH 4+，消除产生的H+，抑制 PH值降低，从而能抑制点蚀的发生和蚀孔内金属的溶出速度，改善局部腐蚀性能。
[0005] 传统的304和316奥氏体不锈钢在室温下具有良好的塑性，但强度偏低，而常用的 高温奥氏体不锈钢20Cr25Ni20、16CR25Ni20Si2等在高温下的塑性良好，强度也偏低，难以 满足日益提高的性能要求。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种高强韧高氮奥氏体不锈钢。
[0007] 本发明的高强韧高氮奥氏体不锈钢，具有以下成分及其质量百分比： Cr: 15 ~21% Mn: 13 ~19% N :0. 50-〇. 95% Ni :0-3% C ：0. Γ〇. 15% Si :0· 5~I. 5% B ：0. 00Γ〇. 04% S ： < 0. 03% P ：< 0. 03% Mo ：0. 5^2% Nb ：0. 〇Γ〇. 05% Ti ：0. ΟΓΟ. 05% Al ：0. 05^0. 15% 余量为Fe和不可避免的杂质。
[0008] 所述不锈钢的优选成分质量配比为： Cr: 17 ~18% Mn: 16 ~17% N ：0. 70^0. 90% Ni :1. 4~1.5% C ：0. Γ〇. 12% Si ：0. 8^0. 9% B :0.03~0.04% S ： < 0. 03% P ：< 0. 03% Mo ：1. 0^1. 2% Nb :0. 04、. 05% Ti ：0. 04^0. 05% Al :0. 10-〇. 15% 余量为Fe和不可避免的杂质。
[0009] 以下介绍本发明的合金钢中各元素的特点： C :碳在奥氏体中有较高的溶解度，可以稳定奥氏体并起到强化作用。
[0010] Cr :铬是奥氏体不锈钢中的主要合金元素，它的主要作用是提高耐腐蚀性能。由于 铬使铁基固溶体的电极电位提高和铬吸收铁的电子使铁钝化这两种原因，促使其内部的矛 盾运动向着有利于抵抗腐蚀破坏的方面发展，所以加铬后，不锈钢的耐腐蚀性能够极大地 提1?。
[0011] Mn:增加奥氏体稳定性，且可以强化奥氏体基体，在含量较高时，与氮共同作用，更 容易获得全奥氏体组织，且锰降低层错能，使高氮钢具有非常突出的形变强化能力。
[0012] N :氮是非常强的促进奥氏体形成的元素，可以促使不锈钢形成奥氏体组织。它可 以取代部分昂贵的Ni。它能够提高奥氏体不锈钢的强度，但是并不会显著降低其塑性、韧 性。氮还能提高奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀性能。向钢中加入氮元素可 以在减少镍用量的同时稳定奥氏体组织，既可显著降低原材料成本，又能保持奥氏体不锈 钢的优异性能。氮的加入除了提高奥氏体不锈钢的强度以外，还提高了材料的加工硬化能 力、疲劳性能、耐磨性能以及蠕变性能。
[0013] Ni :镍也是奥氏体不锈钢中的主要合金元素，又是较强的促进奥氏体形成的元素， 能够促进奥氏体组织的稳定，使不锈钢在高温和低温下都能保有稳定的奥氏体组织，使之 适宜在高温和低温下工作，同时还提高奥氏体不锈钢的热力学稳定性，改善不锈钢的塑性、 韧性，特别是低温韧性。
[0014] Si :硅是不锈钢中的重要元素，是主要的耐蚀元素之一。硅对提高材料强度特别是 高温强度效果比较显著，对于改善钢的抗氧化性能和耐高温腐蚀性也是有效的，但是含量 过高对韧性有不利的影响，且硅是铁素体形成元素，在奥氏体中其加入量应该加以控制。
[0015] B :微量硼元素的加入有细化晶粒的作用。许多研究发现，适量的硼加入不锈钢中 对其屈服强度、抗拉强度、热塑性、耐磨性和耐蚀性等都有不同程度的改善。
[0016] S :在钢中易于形成硫化物，硫化物夹杂容易导致应力集中，降低力学性能，故优化 后的硫含量范围< 0.03%。
[0017] P :磷有固溶强化的效果，但易导致韧性恶化，因此做为有害元素控制，其成分范围 < 0· 03%。
[0018] Mo :钥是奥氏体不锈钢中经常添加的合金元素，钥可以增加钝化效果，提高不锈高 耐还原性介质、有机酸的腐蚀性能，同时也可以提高其耐局部腐蚀能力。钥对奥氏体不锈钢 的高温强度有明显的提高，随着钥含量的增加，不锈钢的抗蠕变能力得到很大的改善，但钥 是较强的促进铁素体形成的元素，在奥氏体中其含量需要加以控制。
[0019] Nb :铌是细化晶粒效果最显著的元素，它是一种强碳、氮化物形成元素。铌比常用 的合金元素中任何一个都大，所以它有最大的固溶强化作用。在热加工过程中，铌可以有效 提高再结晶温度从而细化晶粒。
[0020] Ti :钛是最强的碳化物形成元素，有细化晶粒和固碳作用。当不锈钢中N形成TiN 后，NbC就更稳定了。有研究表明钛和铌同时加入可改善表面性状，提高成型性、抗蠕变性、 抗氧化性以及耐蚀性能。同时，在热加工过程中，钛也可以有效提高再结晶温度从而细化晶 粒。
[0021] Al :铝是铁素体形成元素，在不锈钢中主要起脱氧和控制晶粒度的作用。铝与氮作 用后也可以有效控制晶粒大小，但Al元素的添加会促使合金中析出 〇相的Cr含量下降， 脆性相σ更易析出，明显降低合金的抗蠕变性，其含量需要加以控制。
[0022] 本发明的有益效果是： 钢材在增加 N元素从而降低Ni元素的基础上，还引入了新的合金元素 B、Si、Ti、Nb、Al、 Mo以使得这种新型高氮不锈钢具有高强度和高塑性。在室温下屈服强度在95(Tll50Mpa之 间，抗拉强度在120(Tl500Mpa之间，断裂延伸率可达到50-58%。在700°C的高温下屈服强 度可达到45(T550Mpa，抗拉强度为60(T750Mpa，断裂延伸率在35~40%，具有从室温到高温 良好的强韧性能。
[0023] 本发明与现有技术相比，其显著优点是：这种高氮奥氏体不锈钢不仅在室温下力 学性能优异，而且在高温下依然能保持较好的力学性能，具有从室温到高温的高强韧性，可 以代替现有的室温与高温奥氏体不锈钢。同时，本发明所涉及的这种高氮奥氏体不锈钢由 于以N代Ni，钢材的成本也较低，具有良好的经济性。 具体实施例
[0024] 下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
[0025] 本发明的高强韧高氮奥氏体不锈钢，包含成分及质量百分比如下： Cr :15^21% ；Mn :13^19% ；N ：0. 50^0. 95% ；Ni ：〇"3% ；C ：0. Γ〇. 15% ；Si ：0. 5^1. 5% ；Β ： 0. 00Γ0. 04% ；S ： < 0. 03% ；Ρ < 0. 03% ；Μο ：0. 5^2% ；Nb ：0. ΟΓΟ. 05% ；Τ? ：0. 0Γ0. 05% ；Α1 ： 0. 05~0. 15% ;余量为Fe和不可避免的杂质。根据本发明所设计的化学成分范围进行配 料，在感应炉上冶炼10炉钢。为了对比，在同样设备同样条件下还冶炼了 20Cr25Ni20钢、 06Cr25Ni20钢、16Cr25Ni20Si2钢、YUS701钢、304钢和316钢各一炉。将16炉钢浇筑成锭， 其具体的化学成分如表1所示。随后锻造成直径20mm的棒材，进行1000°C固溶处理，处理 后水冷，处理后取样制备成标准拉伸试样，分别进行室温和高温力学性能试验，其结果分别 计入表2和表3。结果表明本发明的高氮奥氏体不锈钢具有从室温到高温的高强韧性，优于 对比材料。
[0026] 表1实施例化学成分（wt%)
【主权项】
1. 一种高强靭高氮奥氏体不锈钢，其特征在于所述不锈钢的成分质量配比为: Cr: 15 ~21% Mn: 13 ~19% N ：0. 50^0. 95% Ni :0~3% C ：0. TO. 15% Si :0? 5~L 5% B ：0. 00T0.0 4% S ： < 0. 03% P ：< 0. 03% Mo :0.5~2% Nb ：0.0 T0.0 5% Ti ：0.0 T0.0 5% Al ：0. 05^0. 15% 余量为Fe和不可避免的杂质。
2. 根据权利要求1所述的高强韧高氮奥氏体不锈钢，其特征在于所述不锈钢的金相组 织为奥氏体。
3. 根据权利要求1所述的高强韧高氮奥氏体不锈钢，其特征在于所述不锈钢的优选成 分质量配比为： Cr: 17 ~18% Mn: 16 ~17% N ：0. 70^0. 90% Ni :1. 4~1.5% C ：0. TO. 12% Si ：0. 8^0. 9% B :0.03~0.04% S ： < 0. 03% P ：< 0. 03% Mo :1. (Tl. 2% Nb :0. 04、. 05% Ti ：0. 04^0. 05% Al ：0. 10^0. 15% 余量为Fe和不可避免的杂质。
【专利摘要】本发明涉及一种高强韧高氮奥氏体不锈钢，所述合金钢的成分配比为：Cr：15~21%；Mn：13~19%；N：0.50~0.95%；Ni：0~3%；C：0.1~0.15%；Si：0.5~1.5%；B：0.001~0.04%；S：＜0.03%；P：＜0.03%；Mo：0.5~2%；Nb：0.01~0.05%；Ti：0.01~0.05%；Al：0.05~0.15%；余量为Fe和不可避免的杂质，其中氮以高氮铬铁和高氮锰铁的形式加入，采用常规熔炼工艺生产。本发明的有益效果是：在不锈钢中添加N元素从而降低Ni元素，甚至完全用N元素代替Ni元素的基础上，还引入了新的合金元素B，Si，Ti，Nb和Mo以使新型高氮钢材料具有室温与高温下的更高强度和塑性，本钢材室温下屈服强度可达到950~1150Mpa，抗拉强度1200~1500Mpa，断裂延伸率可达到50~58%；在700℃的高温下屈服强度可达到450~550Mpa，抗拉强度600~750Mpa，断裂延伸率35~40%，具有从室温到高温良好的强韧性能。
【IPC分类】C22C38-36, C22C38-58
【公开号】CN104878316
【申请号】CN201410067619
【发明人】孔见, 贺蒙, 王克鸿, 梁钰龙, 周琦
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2014年2月27日