专利名称：节镍型奥氏体含稀土不锈钢及其制备方法
技术领域：
本发明属于合金钢领域，主要涉及奥氏体不锈钢及其制备方法。
背景技术：
在奥氏体不锈钢中，较为典型的钢种有SUS304奥氏体不锈钢，它已广泛用于制作厨房用具、器具、洗涤机滚筒、汽车构件和火车车厢等([不锈钢文集]1985年，第一期，1-9页；[不锈开发]2001年，第一期，7-22页；[不锈]2002年，第三期，1-12页)。该钢的突出特点是强度适中，塑韧性较好，耐蚀性能好，但由于含镍量较高，达8％以上，因而成本较高，价格昂贵。在中国，乃至世界镍可开采的矿产储存少，故镍是一种稀缺的战略物资，它的应用，特别是未来的应用都会受到严格限制。为此，节镍型奥氏体不锈钢的研究己受到人们的广泛关注。
近年来随着我国不锈钢生产和消费市场的迅猛发展，造成比较稀缺而昂贵的镍元素更突出的供求矛盾。为了节镍国内有关部门研究和开发了200或201铬锰氮奥氏体不锈钢([不锈开发]2004年，第一期，4-22页；[世界金属导报]2004.9.7，总第1702期)，目前己在市场上流通，但这类钢存在的问题较多，主要是成份设计不太科学合理，在这类钢种，有的不含镍，但其强度偏高，延伸率较低，冷加工硬化指数高，冷轧成材率低，耐蚀性能差等等缺点，故其应用也受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种其强度、塑韧性及耐蚀性能均能达到或接近304奥氏体不锈钢的水平，在化学成份中含镍又低的节镍型奥氏体含稀土不锈钢及其制备方法针对上述目的，本发明的技术方案是通过对合金元素与相平衡及冷变形马氏体转变温度点关系的计算，通过研究合金元素对节镍型奥氏体含稀土不锈钢各种性能的影响，特别是研究了稀土元素对奥氏体不锈钢的影响，并通过微合金化，从而提高钢的各项性能。在此基础上科学地设计了钢种的化学成份；通过对制备方法过程中各种工艺参数的优化研究，提出了一种节镍型奥氏体含稀土不锈钢的制备方法。
本发明节镍型奥氏体含稀土不锈钢的化学成分(Wt％)为C≤0.08％，Si 0.3～0.8％，Mn 5.0～8.5％，S≤0.05％，P≤0.04％，Ni 3.0～5.5％，Cr 14～19％，Cu 1.0～4.0％，N≤0.20％，
总≤0.005％，RE 0.05～0.3％，余为Fe。
在上述化学成份中，铬是奥氏体不锈钢中最主要的合金元素。奥氏体不锈钢的不锈性和耐蚀性的获得是由于在介质作用下，铬促进了钢的钝化并使钢保持稳定钝化态的结果。铬对奥氏体不锈钢性能影响最大的是耐蚀性。主要表现在铬提高钢的耐氧化性介质和酸性氯化物介质的性能；铬还提高钢耐局部腐蚀性能，比如耐晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀以及某些条件下应力腐蚀的性能。因此钢中的铬含量不能过低，必须保持在铬含量为14～19.0％，本发明钢的铬含量范围比现有的200或201铬锰氮奥氏体不锈钢要合理，使其具有较好的耐蚀性能。
碳是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区的元素。碳形成奥氏体的能力约为镍的30倍。对不锈钢而言，碳是一种有害元素，这主要是由于在不锈和耐蚀用途中的一些条件下，如焊接或450～850℃加热，碳与钢中的铬形成高铬的碳化物Cr23C6，使钢的耐腐蚀性能特别是耐晶间腐蚀性能下降。因此在设计成分时，始终把降低碳含量作为衡量其耐腐蚀性能好坏的重要指标，但碳控制过低，会影响单一奥氏体组织的稳定性及增加冶炼工艺成本，故控制碳在≤0.08％范围，比市场上的200或201铬锰氮奥氏体不锈钢碳含量都低。
镍是奥氏体不锈钢的最主要元素，它的主要作用是形成并稳定奥氏体组织，它促进铬的钝化，其本身不是耐腐蚀元素。但镍可改善冷热加工性能，使强度、塑性和韧性很好的配合，但其价格也是十分昂贵的。结合市场上201铬锰氮奥氏体不锈钢的镍含量，通过科学理论计算及反复的试验，最后设定镍的含量范围为3.0～5.5％。
氮是非常强烈地形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素，其形成奥氏体的能力与碳相当，约为镍的30倍。氮的作用除代替部分镍以节约贵重元素外，主要是作为固溶强化元素提高奥氏体不锈钢的强度，但并不显著损害钢的塑性和韧性；同时氮提高钢的耐腐蚀性能，特别是耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀性能等。基于氮这些优良的特性，为稳定奥氏体组织，氮含量控制范围在≤0.20％，锰是弱形成奥氏体元素，但具有强烈稳定奥氏体的作用；锰还可增加氮在奥氏体钢中的溶解度，故200系奥氏体不锈钢一般氮高锰也高。但随着锰元素的提高强度也提高，冷加工性能变差，因此在确保氮充分溶解的前提下，设计锰在5.0～8.5％。
铜在奥氏体不锈钢中的作用，能显著降低钢的冷作硬化倾向，适量的铜对改善其冷加工性能是有利的，提高冷加工成形性能；据最新资料显示铜也是弱奥氏体形成元素，在改善200系不锈钢综合性能方面，铜起着举足轻重的作用，因此本发明铜控制在1.0～4.0％的范围。
微量稀土元素不仅能净化钢液，而且能细化钢的凝固组织，改变夹杂物的性质、形态和分布，从而提高钢的各项性能。稀土能增加碳的溶解度，抑制以M(Cr)23C6型为主的富铬α相的析出，细化α相，使α相的腐蚀过程和电化学过程特征显著得到改善。稀土是表面活性元素，富集于晶界，可提高晶界的洁净度；稀土又是局域弱化的强抑制剂，可改善了钢的延塑性和韧性等。本发明稀土元素控制在0.05.0～0.30％的范围。以真正实现节镍，比SUS304奥氏体不锈钢节镍50～70％，同时又保证性能优良的目的。
在钢种成分设计中，还考虑了铬镍当量相平衡及马氏体转变温度的计算依据，即Cr eq＝％Cr+％Mo+1.5×％Si+0.5×％NbNi eq＝％Ni+30×(％C+％N)+0.5×％Mn+0.3×％CuMs＝1305-61.1(％Ni)-41.7(％Cr)-33.3(％Mn)-27.8(％Si)-1667(％C+％N)Md30＝497-20(％Ni+％Cu)-13.7(％Cr)-8.1(％Mn)-9.2(％Si)-462(％C+％N)通过相图研究表明，本发明钢种落在不锈钢组织相图的奥氏体区间内。
本发明节镍型奥氏体含稀土不锈钢的制备方法包括如下工艺步骤冶炼和铸造、铸锭或铸坯开坯、钢材轧制和固溶处理。现分述如下(1)冶炼和铸造、本发明的节镍型奥氏体含稀土不锈钢可在真空感应炉、非真空感应炉、电弧炉+炉外精炼，转炉+炉外精炼中任一种冶炼工艺进行冶炼。
在冶炼中严格控制加入稀土金属前钢液的氧含量，要求氧含量≤50ppm，并在出钢浇铸前加入稀土金属，即稀土金属加入后立即浇铸，严格控制稀土金属加入后与浇钢之间的时间为≤30秒，即稀土金属加入钢液中的加入时间，要求控制在≤30秒。
非真空冶炼时必须调整合适的保护渣层，以防制钢液二次氧化，配氮采用氮化铬铁或吹氮，真空冶炼浇铸时必须在浇铸室内充一定压力的高纯氩气或氮气。
浇铸温度控制在1500～1650℃。
本发明适用于大生产转炉-炉外精炼-连铸、电炉-炉外精炼-连铸工艺。本发明高温热塑性与SUS304基本相同，若采用连铸时，其连铸工艺可采用现有的SUS304奥氏体不锈钢的连铸工艺。
(2)铸锭或铸坯开坯铸锭或铸坯可采用锻造开坯或连铸连轧，采用锻造开坯时，铸锭或铸坯的加热温度为1100～1250℃，开锻温度控制在1080～1240℃，终锻温度不低于900℃。
研究表明，开锻温度高于1200C，氮含量高的节镍型奥氏体不锈试验钢有发生断裂现象，适当降低锻打温度此现象可以得到改善。匹配合适的镍、铜含量，并添加微量稀土元素等保证节镍型奥氏体稀土不锈钢的热轧边部质量，并提高其热冷加工和抗腐蚀性能等。
(3)钢材轧制铸锭或铸坯开坯后根据用户要求的钢材规格，进行钢材轧制，钢材坯料的加热温度为1100～1250℃，开轧温度控制在1100～1240℃，终轧温度控制在900℃以上。
在950～1200℃温度范围内，高温变形抗力节镍型奥氏体不锈钢比SUS304奥氏体不锈钢略高3～7MPa；随着温度的下降，在850℃～950℃之间，变形抗力比SUS304奥氏体不锈钢高约11～22MPa。因此热轧工艺可以在参照SUS304系列奥氏体不锈钢的基础上稍作调整。
(4)固溶处理热轧后，进行固溶处理，固溶处理在热处理炉中进行，固溶处理温度为1050～1150℃，保温20～30分钟，冷却方式采用水冷或空冷。通过固溶处理后，即获得固溶态奥氏体稳定组织的本发明节镍型奥氏体含稀土不锈钢钢材。
本发明节镍型奥氏体含稀土不锈钢综合性能良好，力学性能优于ASTM201，延伸率接近SUS304，耐腐蚀性能与SUS304相当。本发明节镍型奥氏体含稀土不锈钢可实现节镍降低成本，可替代含镍为8％的SUS304奥氏体不锈钢，用于制作厨房用具、器具、洗涤机滚筒、汽车构件和火车车厢等。
本发明节镍型奥氏体含稀土不锈钢可达到如下常规力学性能屈服强度σ0.2平均达277MPa，抗拉强度σb平均达652MPa，延伸率δ达60.50％，抗拉强度比不锈钢分会技术规范和市场上的“201”降低了约200～300MPa，延伸率提高约18％～20％多。
与现有技术相比，本发明具有如下优点①力学性能优于ASTM201，延伸率接近SUS304，耐腐蚀性能与SUS304相当。
②与SUS304奥氏体不锈钢相比，可实现节镍50～70％，降低了生产成本，在节省宝贵镍资源和降低成本的同时，力学性能和腐蚀性能与304相当。可替代含镍量为8％的SUS304奥氏体不锈钢。
③抗腐蚀性能优异，加人微量稀土后节镍型铬锰氮不锈钢的腐蚀电位提高30mV，表征钝态下腐蚀速度大小的维钝电流降低0.4mA，晶间腐蚀速度降低2.79g/(m2·h)，点腐蚀速度降低6.80g/(m2·h)，磨损腐蚀速度降低1.11g/(m2·h)。
附图1为本发明与SUS304奥氏体不锈钢的高温热塑性试验的结果曲线。左纵座标为强度(MPa)，右纵座标为塑性(％)，横座标为温度。
附图2为本发明与SUS304奥氏体不锈钢在1000～1200℃温度下的应力-应变曲线。纵座标为应力(MPa)，横座标为应变(％)。
附图3为本发明与SUS304奥氏体不锈钢的在850～950℃温度下的应力-应变曲线。纵座标为应力(MPa)，横座标为应变(％)。
在上述附图中，304代表SUS304奥氏体不锈钢，B-2代表本发明钢种。
由附图1看出，本发明在凝固时的强度和塑性特征与SUS304奥氏体不锈钢基本相同由附图2、3看出，在1000～1200℃温度范围内，当应变量为50％，应变速率为10S-1，本发明钢比SUS304高温变形抗力略高3～7MPa，比较接近；随着温度的下降，在850～950℃之间，当应形量为30％，应变速率为50S-1时，本发明钢的变形抗力比SUS304高出约11～22MPa。
从附图1～附图3看出，本发明与SUS304奥氏体不锈钢的高温热塑性(强度和塑性)和高温变形抗力基本相同，因此热轧工艺可以在参照SUS304系列的基础上稍作调整。即从高温力学性能看，本发明达到了SUS304奥氏体不锈钢的水平。
具体实施例方式
根据本发明所述的节镍型奥氏体含稀土不锈钢的化学成分，在非真空感应炉上冶炼了3炉本发明钢，3炉钢的化学成分(wt％)如表1所示。冶炼后，浇铸成铸锭，接着按其制备方法的工艺步骤，进行了铸锭开坯、钢材轧制和固溶处理。有关冶炼、浇铸、铸锭开坯、钢材轧制和固溶处理的有关参数如表2所示。随后，对产品钢材取样，分别进行了力学性能试验和腐蚀性能试验，所得结果分别列入表3和表4、5中。
为了对比，在相同的设备条件下，还冶炼和加工了一炉其它成份与本发明相同或相近，但不加稀土元素的奥氏体不锈钢对比钢种，其化学成份及有关参数和性能也分别列入表1、表2、表3和表4、5中。在力学性能试验时，还以ASTM201奥氏体不锈钢和SUS304奥氏体不锈钢为对比例，进行了相同的试验，其结果也列入表3中。
由表3看出，本发明钢的力学性能远优于不加稀土“200系”的ASTM201奥氏体不锈钢，接近SUS304奥氏体不锈钢。
表4的数据表明加人微量稀土后本发明节镍型奥氏体含稀土不锈钢的腐蚀电位提高50mV，表征钝态下腐蚀速度大小的维钝电流降低0.5mA，表征动态下腐蚀速度大小的维钝电流降低0.5～1.0mA。
表5表明加人微量稀土后本发明节镍型奥氏体不锈钢的晶间腐蚀速度降低2.79g/(m2·h)，点腐蚀速度降低6.80g/(m2·h)，磨损腐蚀速度降低1.11g/(m2·h)。
表1 实施例及对比例钢种的化学成份(wt％)
表2实施例及对比例制备过程的有关参数
表3 实施例及对比例的力学性能试验结果
表4 实施例及对比例的腐蚀电位和维钝电流
表5 实施例及对比例的晶间腐蚀速度、点腐蚀速度和磨损腐蚀度
权利要求
1.一种节镍型奥氏体含稀土不锈钢，其特征在于它的化学成分(Wt％)为C≤0.08％，Si 0.3～0.8％，Mn 5.0～8.5％，S≤0.05％，P≤0.04％，Ni 3.0～5.5％，Cr 14～19％，Cu 1.0～4.0％，N≤0.20％，[O]总≤0.005％，RE 0.05～0.30％，余为Fe。
2.一种权利要求1所述的节镍型奥氏体含稀土不锈钢的制备方法，其工艺步骤包括冶炼和铸造、铸锭或铸坯开坯、钢材轧制和固溶处理(1)冶炼和铸造本发明节镍型奥氏体含稀土不锈钢在真空感应炉、非真空感应炉、电弧炉+炉外精炼，转炉+炉外精炼中任一种冶炼工艺进行冶炼；非真空冶炼时必须调整合适的保护渣层，以防制钢液二次氧化，配氮采用氮化铬铁或吹氮，真空冶炼浇铸时必须在浇铸室内充一定压力的高纯氩气或氮气；(2)铸锭或铸坯开坯铸锭或铸坯可采用锻造开坯或连铸连轧；(3)钢材轧制铸锭或铸坯开坯后，根据用户要求的钢材规格，进行钢材轧制，(4)固溶处理热轧制后，进行固溶热处理，固溶处理在热处理炉中进行其特征在于①在冶炼中控制加入稀土金属前钢液的氧含量≤50ppm，并在出钢浇铸前加入稀土金属，即稀土金属加入后立即浇铸，控制稀土金属加入后与浇钢之间的时间≤30秒；浇铸温度控制在1500～1650℃；②铸锭或铸坯开坯，加热温度为1100～1250℃，开锻温度控制在1080～1240℃，终锻温度不低于900℃；③钢材坯料的加热温度为1100～1250℃，开轧温度控制在1100～1240℃，终轧温度控制在900℃以上。④固溶热处理温度为1050～1150℃，保温20～30分钟。
全文摘要
本发明属于合金钢领域。本发明节镍型奥氏体含稀土不锈钢的化学成分(Wt％)为C≤0.08％，Si 0.3～0.8％，Mn 5.0～8.5％，S≤0.05％，P≤0.04％，Ni3.0～5.5％，Cr 14～19％，Cu 1.0～4.0％，N≤0.20％，[O]
文档编号C22C33/04GK1772942SQ20051010262
公开日2006年5月17日 申请日期2005年9月12日 优先权日2005年9月12日
发明者王龙妹, 徐军, 戚国平, 陆斌, 张恺, 徐飚, 朱京希, 岳丽杰, 刘浏 申请人:钢铁研究总院