专利名称：一种大截面奥氏体不锈钢厚板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种不锈钢及其制备方法，特别涉及一种大截面奥氏体不锈钢板材及其制造方法。该大截面奥氏体不锈钢具有良好的强度和塑韧性，可以用于能源、化工机械、压力容器等领域。
背景技术：
18-8系列奥氏体不锈钢由于具有优良的力学性能、耐腐蚀性能、成型性能和良好的组织稳定性而广泛用于能源、化工等领域。随着压力容器的大型化要求，对不锈钢的厚度和强度提出了更高的要求，此外在采用超厚板材制作设备时，由于板材截面面积过大，造成变形抗力过大，导致无法进行冷压成型时，就需要采用热压成型。对于奥氏体不锈钢板材热压后，需要进行二次固溶热处理，而二次热处理会降低材料的强度，这就从另一方面对材料的强度提出了更高的要求。 大截面奥氏体不锈钢板材采用浇铸模铸锭，经过锻造成大截面锻坯作为热轧原料来生产板材，该生产方式可生产大截面、单重大的奥氏体不锈钢板材。奥氏体不锈钢的一个典型特点是变形抗力较大，且随着温度的降低而急剧增大，这就造成奥氏体模铸锭的锻造一般需要多火次锻造，且后续火次的压缩比会越来越小。锻造火次增多的一个显著结果就是锻坯中奥氏体晶粒组织变大，从而最终影响产品的力学性能，甚至探伤性能。因此通过采用大型模铸锭来生产大截面板材的一个难点是如何获得细的晶粒组织。对于采用模铸锭生产奥氏体不锈钢厚板的通用工艺为加热至1150 1250°C保温，保温时间根据模铸锭的厚度来定，保温后进行锻造，锻造过程中若变形抗力过大，然后进行第二火或更多火次加热锻造，直至锻至要求尺寸。奥氏体不锈钢锻坯经过热轧后需要进行固溶热处理，传统的钢板固溶热处理是将炉温加热至700 900°C，然后将钢板放入固溶热处理炉中快速升温至1030 1150°C，保温I 2min/mm后水冷。专利200710093859. I公开了一种奥氏体不锈钢黑皮锻件锻后热处理工艺，该热处理工艺是将大截面、大吨位的奥氏体不锈钢终锻温度控制在850°C以上，锻造后直接进炉，然后快速加热到1000 iioo°c，保温ι 4小时，然后冷却。这样的固溶热处理工艺有利于保证材料组织的晶粒度和力学性能，且节约能源。该专利针对的是大型锻件，所述工艺需要在特定的生产线才能执行，即需要锻造机和热处理炉在同一区域布置，在组织生产时难度较大，不具有推广性。JP58144420A公开了一种大型奥氏体不锈钢锻件的制造方法，该制造方法主要为大型锻件的热处理方法，其前提是认为大型锻件经过锻造后组织中不存在过多的碳氮化合物，因此选择在900 1080°C下进行固溶热处理，冷却到850°C后进行水冷，从来得到细晶粒组织。JP62080221A公开了一种大截面奥氏体不锈钢锻件的成分和制造方法，该成分设计是在常规304、316奥氏体不锈钢的基础上，增加了 O. 05 ~ O. 30% Nb和O. 05 O. 30% V中的一种或两种元素，通过控制锻造时的加热温度、控制锻坯不同温度对应不同的压下率，得到了一种细晶粒组织的大型奥氏体锻造板材，相应的提高了无损探伤合格率，通过该专利获得的锻造件晶粒度为2. 8 4. 2级。由于该产品形态为锻件，相对于热轧板材，该产品的晶粒度仍然较为粗大。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是提供一种奥氏体不锈钢晶粒比较细小、强度较高、且塑韧性较好的大截面奥氏体不锈钢厚板的制造方法，该奥氏体不锈钢适用于对强度要求较高或者需要二次固溶热处理加工的压力容器、化工机械等行业用钢。本发明的技术方案是，一种大截面奥氏体不锈钢厚板，在普通304L奥氏体不锈钢基础上，添加O. 05 O. 20 %的Nb，添加O. 05 O. 09 %的N，高温铁素体δ含量为2 6 %。Nb在奥氏体不锈钢中有固溶强化作用，少量Nb的添加就可抑制奥氏体不锈钢的 再结晶速度，还可以提高奥氏体不锈钢的再结晶温度，O. 1% Nb加入到奥氏体不锈钢中就 可以明显提高其再结晶温度和降低再结晶速度，再结晶温度的提高和结晶速度的降低就可降低模铸锭在锻造、热轧过程中加热时晶粒的长大速度，从而有利于获得细晶粒组织。但是Nb含量加入过大，除了会增加材料的变形抗力，还会明显增加材料成本，因此将Nb含量控制在 O. 05 O. 20% ；氮在奥氏体不锈钢中除了固溶强化外，还可以抑制碳化物的析出和细化晶粒，但是氮含量过高，又会增加材料的变形抗力，且会有氮化物析出倾向，因此将N含量控制在O. 05 O. 09% ；通过平衡镍铬当量形成元素，将奥氏体不锈钢铸态高温铁素体δ含量控制为2 6 %，主要是为了保证扁锭在锻造过程中的表面质量。铁素体含量过低或过高都会降低合金的热加工性能，从而在锻造过程中易出现表面裂纹缺陷，从而影响材料的最终表面质量和
修磨量。本发明在普通304L奥氏体不锈钢基础上，添加小于O. 05 O. 20 %的Nb，添加
O.05 O. 09%的N，通过调整镍铬当量形成元素Ni、Mn、C、N和Cr、Mo、Si将高温铁素体δ含量控制为2 6%，其中δ含量采用下式计算Cont(S) = ((Cr+1. 5*Si+0. 5*Nb) / (Ni+30*C+30*N+0. 5*Μη+36))*166· 67-123。本发明还提供了一种大截面奥氏体不锈钢厚板制造方法，包括冶炼、浇铸模铸锭、锻造、热轧和固溶热处理工序，在所述冶炼工序中，将成分控制为在普通304L奥氏体不锈钢基础上，添加
O.05 O. 20%的Nb，添加O. 05 O. 09%的N，且将高温铁素体δ含量控制为2 6% ;在所述浇铸模铸锭工序中，将模铸锭加热至850 1000°C，保温O. 2 I. Omin/mm，再快速升至1150 1250°C进行O. I O. 6min/mm保温；所述锻造工序中的加热温度为1000 1150°C ；在所述固溶热处理工序中，加热至850 950 V保温，然后快速加热至固溶温度1000 IlOOO保温 O. I O. 5min/mm。对于大截面、大单重的模铸扁锭进行锻造，锻造过程中温降较大，由于温度的降低就会导致变形抗力急剧增大，要达到锻坯的要求厚度，需要多火次进行锻造。锻造虽然有利于奥氏体不锈钢模铸锭的组织均匀性和细化，但由于锻造前的加热需要较长时间，且需要多次加热，从而导致锻坯晶粒粗大，造成最终板材晶粒粗大，力学性能偏低。考虑到上述因素，加热工艺采用加热至850 1000°C,在此温度下保温O. 2 I. Omin/mm,在该温度的保温主要考虑到两个因素，其一是因为该温度低于本发明成分的再结晶温度，晶粒不会长大，同时避开了碳化物的析出温度。另外一个因素是奥氏体不锈钢导热系数较低，若直接快速加热至开锻温度，会造成锻坯内部在应力作用下产生微裂纹，在此温度下保温还有利于降低模铸锭内外温差，从而减少1150 1250°C温度下的保温时间，有利于细化晶粒组织；在1150 1250°C温度下进行O. I O. 6min/mm短时保温,主要是为了防止晶粒过度长大。但保温时间也不能过短，过短会导致钢锭内外温度不均，锻造难度增大。后续锻造火次的加热温度为1000 1150°C，若加热温度过高，锻坯组织中存在的内应力会导致晶粒急剧长大，从而影响最终板材的晶粒度、力学性能，甚至探伤不合格。固溶热处理工艺是将钢板加热至850 950°C保温一定时间，然后加热至固溶温度进行保温，保温时间按O. I O. 5min/mm ;在850 950°C保温，其作用是在该温度的保温主要考虑到两个因素，其一是因为该温度低于本发明成分的再结晶温度，晶粒不会长大， 同时避开了碳化物的析出温度。另外一个因素是奥氏体不锈钢导热系数较低，若直接快速加热至开锻温度，会造成锻坯内部在应力作用下产生微裂纹。本发明所确定的保温时间主要考虑到在热轧环节中已经对碳化物析出进行了控制，因此固溶热处理采用了较短的保温时间O. I O. 5min/mm,既保证了钢板得到了充分的固溶热处理，也使材料具有较高的力学性能。根据本发明所述的大截面奥氏体不锈钢厚板制造方法，优选的是在所述热轧工序中，终轧温度大于980°C。进一步地，在所述热轧工序中，热轧后以大于1°C /s的速度进行冷却。在热轧过程中将终轧温度控制为大于980°C，然后进一步以大于1°C /s的速度进行冷却，主要是考虑到高的终轧温度和随后快冷却速度能够一定程度上抑制奥氏体不锈钢中的碳化物析出。采用该热轧工艺生产的超厚板材，在其热轧态时组织中碳化物明显减少，为后续固溶热处理提供更好的基础。该奥氏体不锈钢厚板制造方法包括冶炼；浇铸模铸锭；锻造；模铸锭加热至850 1000°C，保温 O. 2 I. Omin/mm，再快速升至 1150 1250°C保温 O. I O. 6min/mm ；后续锻造火次的加热温度为1000 1150°C ;热轧；终轧温度大于980°C，轧后以大于1°C /s的速度进行冷却；热处理；加热至850 950°C保温，然后快速加热至固溶温度进行O. I
O.5min/mm保温，酸洗后得到高强度大截面奥氏体不锈钢厚板。具体地，本发明在对304L成分优化的基础上，通过控制锻造加热方式和加热温度以保证原始锻坯组织晶粒度，通过控制终轧温度和轧后冷却速度减少钢材中的碳化物析出，通过控制固溶热处理加热方式和加热时间来保证最终板材的晶粒度，从而得到了力学性能优异的大截面奥氏体不锈钢板材。在本发明锻造工艺中，先将模铸锭加热至850 1000°C保温，保温O. 2 I. Omin/mm的考虑因素18-8系列奥氏体不锈钢碳化物的析出温度是550 850°C,在此温度下保温会导致碳化物析出；本发明设计的奥氏体不锈钢在950°C温度下晶粒不会明显长大，因此选择850 950°C进行保温，主要是为了避免碳化物析出和奥氏体晶粒长大，且有利于铸锭内部和表面温度的均匀性。保温时间主要是根据不同铸坯厚度来定。
快速加热至1150 1250°C，保温时间按O. I O. 6min/mm，主要是在此温度下的加热，一方面有利于模铸锭成分和组织的均匀化，一方面有利于降低材料的变形抗力，但若选择温度过高，会造成模铸坯的局部过烧和晶粒急剧长大，影响晶粒度和表面质量。保温时间的选择也主要考虑这两个因素，时间过短，起不到成分均匀化的目的，模铸锭整个截面温度不均，锻造过程 中易出现内部裂纹；若时间过长，又会造成模铸锭晶粒长大，这种粗大的晶粒组织由于遗传性而导致最终板材的晶粒粗大。热轧过程中将终轧温度控制为大于980°C，主要是为了在热轧过程中就实现热轧态组织的再结晶，此外终轧温度过低，碳化物的析出倾向增加。热轧后以大于1°C /s的速度进行冷却，主要是本发明的研究表明，对于本发明奥氏体不锈钢成分，轧后若采用大于l°c /s的速度进行冷却，可以在很大程度上抑制碳化物的析出。本发明固溶热处理过程中先将钢板加热至850 950°C保温一定时间，该考虑因素同锻造加热工艺；固溶热处理时的保温时间按O. I O. 5min/mm,该保温时间明显低于传统工艺中的保温时间I 2min/mm，该保温时间的制定主要是由于在热轧过程中的工艺控制，保证了钢板中碳化物析出较少和再结晶组织比例较高，因此只需要保温较短时间就可以实现材料的再结晶组织和消除组织中的碳化物。若保温时间过长，晶粒组织就会粗大，造成板材力学性能较低。通过本发明所阐述工艺制造的大截面奥氏体不锈钢板材具有细小的晶粒组织和良好的力学性能。
具体实施例方式实施例I以下通过实施例较详细的解释本发明的特点。实施例1-3根据本发明所述的奥氏体不锈钢成分，见表1，采用电炉+AOD熔炼，浇注成单重15 35吨，厚800 950mm模铸扁锭，随模冷却后脱模，然后锻造至250 400mm厚锻坯，对锻坯修磨后热轧至70 120mm厚板材，然后进行固溶热处理，酸洗后得到大截面、大单重奥氏体不锈钢板材。所有具体工艺参数见表2，采用该工艺制造的大截面、大单重的奥氏体不锈钢具有细的晶粒组织和良好的力学性能。为了对比，采用常规304L成分也进行了冶炼浇铸，即未添加Nb、N，未控制高温铁素体含量，该炉钢进行了两方面的对比，一部分模铸锭采用本发明所述的制造方法进行制造，结果在锻造的过程中锻坯表面出现了严重的裂纹缺陷，导致无法进行后续加工。另一部分模铸锭采用了常规的生产工艺(见表2)，结果钢板晶粒度粗大，力学性能较低(见表3)。表I实施例和对比例成分
权利要求
1.一种大截面奥氏体不锈钢厚板，其特征在于在普通304L奥氏体不锈钢基础上，添加O. 05 O. 20%的Nb，添加O. 05 O. 09%的N，高温铁素体δ含量为2 6%。
2.一种大截面奥氏体不锈钢厚板制造方法，包括冶炼、浇铸模铸锭、锻造、热轧和固溶热处理工序，其特征在于 在所述冶炼工序中，将成分控制为在普通304L奥氏体不锈钢基础上，添加O. 05 O.20%的Nb，添加O. 05 O. 09%的N，且将高温铁素体δ含量控制为2 6% ; 在所述浇铸模铸锭工序中，将模铸锭加热至850 1000°C，保温O. 2 I. Omin/mm，再快速升至1150 1250°C进行O. I O. 6min/mm保温； 所述锻造工序中的加热温度为1000 1150°C ； 在所述固溶热处理工序中，加热至850 950°C保温，然后快速加热至固溶温度1000 11001O 保温 O. I O. 5min/mm。
3.根据权利要求I所述的大截面奥氏体不锈钢厚板制造方法，其特征在于在所述热轧工序中，终轧温度大于980°C。
4.根据权利要求I所述的大截面奥氏体不锈钢厚板制造方法，其特征在于在所述热轧工序中，热轧后以大于1°C /s的速度进行冷却。
全文摘要
本发明提供了一种大截面奥氏体不锈钢厚板和该厚板制造方法。该方法模铸锭加热至850～1000℃，保温0.2～1.0min/mm，再快速升至1150～1250℃保温0.1～0.6min/mm；后续锻造火次的加热温度为1000～1150℃；热处理加热至850～950℃保温，然后快速加热至固溶温度进行0.1～0.5min/mm保温，酸洗后得到高强度大截面奥氏体不锈钢厚板。本发明的奥氏体不锈钢具有细的晶粒组织和良好的力学性能，适用于对强度要求较高或者需要二次固溶热处理加工的压力容器、化工机械等行业用钢。
文档编号C21D8/02GK102899580SQ201110208288
公开日2013年1月30日 申请日期2011年7月25日 优先权日2011年7月25日
发明者淮凯文, 沙国平, 罗明 申请人:宝山钢铁股份有限公司