一种高强度不锈钢咖啡壶材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及咖啡壶材料【技术领域】，具体涉及一种高强度不锈钢咖啡壶材料及其制备方法，该材料的化学成分包括以下重量百分比的元素：C：0.12~0.18%、N：0.02~0.08%、Si：0.8~1.2%、Mn：1~1.8%、Cr：14~18%、Ni：0.3~0.7%、Mo：0.01~0.05%、Co：8~12%、B：0.0005~0.005%、W：0.25~0.45%、Nb：0.4~0.8%、Ti：0.6~1%、余量为铁和杂质。本发明通过严格控制每种元素的含量，使材料具有较高的抗拉强度和屈服强度，生产成本低，且还具有较高的韧性、硬度、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，综合性能优异。
【专利说明】一种高强度不锈钢咖啡壶材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及咖啡壶材料【技术领域】，具体涉及一种高强度不锈钢咖啡壶材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]咖啡壶是一种冲煮咖啡的器具，随着人们生活水平的提高，咖啡壶的使用范围越来越广，咖啡壶的种类也越来越多，有不锈钢咖啡壶、塑料咖啡壶、玻璃咖啡壶等，不锈钢咖啡壶由于具有较高的强度、韧性、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，是市场上的主要销售种类。
[0003]由于咖啡壶的使用环境比较特殊，不锈钢咖啡壶需要具有较高强度的不锈钢材料制造，高强度不锈钢材料的研究也越来越多。
[0004]申请号为200610147771.9的中国发明专利公开了一种强韧性超高强度不锈钢，该不锈钢通过采取优化成分设计，并采用强化双真空冶炼工艺以及大锻比锻造成形技术，但是，该不锈钢中C、Co含量较低，因此强度稍低。
[0005]申请号为200610046063.6的中国发明专利公开了一种高强耐腐耐高温纳米合金钢材料及其制作方法，通过在钢液中加入Nb的同时，加入W、Mo、V等元素，使得合金钢中80%晶粒粒度小于50纳米，该发明使用的材料成分可以满足高强度的需求，但该发明的制作方法只是经过简单的冶炼得到高强耐腐耐高温纳米合金钢材料，得到的材料强度并不高，且韧性较差。
[0006]现有技术中高强度不锈钢材料大多只是从一方面进行改进，即从材料成分或者制备方法中一方面进行改进，由于不锈钢材料的制备方法与其化学成分一样对不锈钢材料的综合性能影响很大，因此有必要研发一种在材料成分上满足高强度的需求，在制备方法上又可以发挥出材料的最佳性能，得到一种综合性能优异的高强度不锈钢材料。
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种高强度不锈钢咖啡壶材料，该材料具有较高的强度，成本低，且还具有较高的韧性、硬度、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，综合性能优异。
[0008]本发明的另一目的在于提供一种高强度不锈钢咖啡壶材料的制备方法，该制备方法与本发明的材料配合使用，可以发挥材料的最佳性能，工艺简单，操作控制方便，质量稳定，生产效率高，可大规模工业化生产。
[0009]本发明的目的通过下述技术方案实现:一种高强度不锈钢咖啡壶材料，其化学成分包括以下重量百分比的元素:C:0.12~0.18%、N:0.02~0.08%、Si:0.8~1.2%、Mn:1%.8%、Cr: 14~18%、Ni:0.3~0.7%、Mo:0.θ1-θ.05%、Co:8~12%、B:0.0005^0.005%、W:0.25~0.45%、Nb:0.4~0.8%、T1:0.6~1%、余量为铁和杂质。
[0010]优选的，其化学成分包括以下重量百分比的元素:C:0.13^0.17%、N:0.03、.07%、Si:0.9~1.1%、Mn:1.2~1.6%、Cr: 15~17%、Ni:0.4~0.6%、Mo:0.02~0.04%、Co:9~11%、B:0.002~0.004%、W:0.3~0.4%、Nb:0.5~0.7%、Ti:0.7~0.9%、余量为铁和杂质。
[0011]更为优选的，其化学成分包括以下重量百分比的元素:C:0.15%、N:0.05%、S1:1%、Mn:1.4%、Cr: 16%、N1:0.5%、Mo:0.03%、Co: 10%、B: 0.003%、W:0.35%、Nb:0.6%、T1:0.8%、
余量为铁和杂质。
[0012]本发明的一种高强度不锈钢咖啡壶材料的成分设计理由如下:
C:0.12~0.18%
C (碳)是强力的奥氏体生成元素，因此使金属组织中的马氏体相的比例增加，C可以发挥固溶强化效果，以间隙固溶体的形式熔入晶格结构中，从而产生了向其中引入应变，以强化间隙固溶体的作用；此外，C具有形成科特雷耳气团以使金属组织中的位错得到固着的作用，从而提高材料的强度，因此，为了有效地提高材料的强度，C的重量百分比应控制在
0.12%以上。然而，C容易与钢中的Cr、Nb、Ti等结合而形成碳化物，例如，当在晶粒间界存在有Cr碳化物时，由于Cr在奥氏体中的扩散速度较慢，会在晶界附近产生Cr耗尽层，使得材料的韧性和耐腐蚀性降低，因此,为了避免C过高造成材料的韧性和耐腐蚀性下降，C的重量百分比应控制在0.18%以下。本发明中C的重量百分比为0.12^0.18%，既可以满足材料的强度要求，又可以保证材料的韧性和耐腐蚀性，优选的，C的重量百分比为0.13^0.17%，更为优选的，C的重量百分比为0.15%。
[0013]N:0.02~0.08%
N (氮)是形成奥氏体的最强有效元素之一，与C 一样，N也是以强化间隙固溶体的元素，并且也是形成科特雷耳气团的元素；此外，N还可以与钢中的Cr或Mo结合以形成簇合物，从而产生提高强度的作用，为了通过加入N有效地使奥氏体相稳定，并且通过形成Mo-N簇合物有效地使材料的强度提高，N的重量百分比应控制在0.02%以上。但是，N在奥氏体相中的固溶程度受到限制，加入较大量的N时，在铸造钢时会产生气孔，虽然通过加入与N具有高亲和力的元素(如Cr或Mn)来提高其固溶的限度，可在某种程度上抑制这种现象，但是当加入过多的这样的元素时，在钢被熔融时需要对环境条件(如温度等)进行控制，使成本增加，因此，为了避免N过高增加熔融和铸造的难度，N的重量百分比应控制在0.08%以下。本发明中N的重量百分比为0.02、.08%,既可以满足材料的强度要求，又可以保证材料的加工性能，优选的，N的重量百分比为0.03、.07%,更为优选的，N的重量百分比为0.05%。
[0014]S1:0.8~1.2%
Si (硅)为铁素体形成元素，起脱氧剂和改善材料耐腐蚀性的作用，同时也是增加钢的强度的元素，Si会发生固溶，从而产生使层错能降低并使机械特性得到改善的效果，因此，为了有效地提高材料的强度和耐腐蚀性，并起到较好的脱氧作用，Si的重量百分比应控制在0.8%以上。但加入大量的Si对材料的热加工性和韧性不利，对常温下成型也不利，为了避免Si过高造成材料的热加工性和韧性下降，Si的重量百分比应控制在1.2%以下。本发明中Si的重量百分比为0.8^1.2%，既可以满足材料的强度和耐腐蚀性要求，又可以保证材料的热加工性和韧性，优选的，Si的重量百分比为0.9^1.1%，更为优选的，Si的重量百分比为1%。
[0015]Mn:1~1.8%
Mn (锰)是奥氏体形成元素，成本低，可以替代Ni形成奥氏体，在将钢熔融和精炼时，Mn被用作脱氧剂，对钢具有很大的强化作用，能提高钢的强度、硬度和耐磨性，为了保证材料的强度和硬度，Mn的重量百分比应控制在1%以上。但是，Mn对高温下的抗氧化性会产生不利的作用，使材料的韧性和耐腐蚀性降低，为了避免Mn过高造成材料的韧性和耐腐蚀性下降，Mn的重量百分比应控制在1.8%以下。本发明中Mn的重量百分比为f 1.8%，既可以满足材料的强度和硬度要求，又可以保证材料的韧性和耐腐蚀性，优选的，Mn的重量百分比为
1.2~1.6%，更为优选的，Mn的重量百分比为1.4%。
[0016]Cr: 14 ~18% Cr (铬)是强烈形成并稳定铁素体的元素，缩小奥氏体区，随着钢中Cr含量增加，奥氏体不锈钢中可出现铁素体组织；此外，Cr是提高材料强度和耐腐蚀性的主要合金元素，Cr可提高不锈钢在氧化性酸中的耐腐蚀性，提高其在氯化物溶液中的耐应力腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀能力,而且Cr含量过低还会导致马氏体转变温度(Ms)升高，影响钢的性能，因此，为了保证材料的强度和耐腐蚀性，Cr的重量百分比应控制在14%以上。但Cr在提高钢的强度的同时会降低材料的塑性和韧性，若其含量过高，不仅增加成本，影响经济性，生产率下降，而且对焊接性不利，还会造成一些金属间相的形成倾向增大，因此，为了避免Cr过高造成材料的塑性和韧性下降，Cr的重量百分比应控制在18%以下。本发明中Cr的重量百分比为14~18%，既可以满足材料的强度和耐腐蚀性要求，又可以保证材料的塑性和韧性，优选的，Cr的重量百分比为15~17%，更为优选的，Cr的重量百分比为16%。
[0017]N1:0.3~0.7%
Ni (镍)是形成奥氏体和稳定奥氏体的最佳元素，Ni对提高材料的耐腐蚀性能、力学性能和热加工性能均有积极的作用，有助于Cr的耐腐蚀作用的发挥；同时Ni的添加还可以改善铁素体不锈钢的塑性和韧性，量少时可以起到固溶强化的作用，量多时也会与其它元素形成析出物，起到时效强化的作用，为了通过加入Ni有效地使奥氏体相稳定，并且提高材料的强度和耐腐蚀性，Ni的重量百分比应控制在0.3%以上。但大量加入Ni会使得Ms点降低到以通常的淬火处理无法得到马氏体组织的情况，从而也无法令钢材获得所需要的高强度，还会使材料的耐腐蚀性能降低，且Ni资源短缺，价格较贵，应尽量节约使用，因此，为了避免Ni过高造成材料的强度和耐腐蚀性降低以及节约成本，Ni的重量百分比应控制在0.7%以下。本发明中Ni的重量百分比为0.3^0.7%，既可以满足材料的强度和耐腐蚀性要求，又可以节约生产成本，优选的，Ni的重量百分比为0.4^0.6%，更为优选的，Ni的重量百分比为0.5%ο
[0018]Mo:0.01-0.05%
Mo (钥)是强烈的铁素体形成元素，有利于提高材料的耐腐蚀性，特别是Mo有利于提高焊接部位冲孔剪断面的耐腐蚀性，还可以通过固溶强化提高其强度，为了提高材料的强度和耐腐蚀性，Mo的重量百分比应控制在0.01%以上。但Mo是高成本元素，同时耐腐蚀性能达到饱和之后，过高的Mo含量会促进奥氏体不锈钢中金属间相的沉淀，影响合金的力学和加工性能，考虑到可加工性的劣化和材料成本的增加，Mo的重量百分比应控制在0.05%以下。本发明中Mo的重量百分比为0.0f0.05%，既可以满足材料的强度和耐腐蚀性要求，又可以节约生产成本，优选的，Mo的重量百分比为0.02、.04%，更为优选的，Mo的重量百分比为 0.03%。
[0019]Co:8~12%
Co (钴)是奥氏体生成元素，能提高钢的相变点和固溶强化作用，增加钢的回火稳定性，可使钢的强度和高温硬度都显著提高，为了提高材料的强度和硬度，Co的重量百分比应控制在8%以上。但加入过量的Co会影响材料的韧性和加工性能，为了避免Co过高造成材料的韧性和加工性下降，Co的重量百分比应控制在12%以下。本发明中Co的重量百分比为8~12%，既可以满足材料的强度和硬度要求，又可以保证材料的韧性和加工性，优选的，Co的重量百分比为扩11%，更为优选的，Co的重量百分比为10%。
[0020]B:0.0005~0.005%
由于本发明成分奥氏体不锈钢中铁素体含量的减少，杂质元素S、P易偏聚在晶间，而降低其热加工塑性，在表面形成微裂纹，因此通过添加晶界强化元素B (硼)可以提高其热塑性；一定含量的B可以增加奥氏体不锈钢凝固过程中的形核点，且可以增加晶界强度，从而可以防止由于相界之间塑性不同而造成的表面缺陷，因此，为了提高材料的热塑性和强度，B的重量百分比应控制在0.0005%以上。但过高的B含量会促进奥氏体不锈钢中金属间相的沉淀，影响合金的力学和加工性能，为了避免B过高造成材料的力学和加工性能下降，B的重量百分比应控制在0.005%以下。本发明中B的重量百分比为8~12%，既可以满足材料的热塑性和强度要求，又可以满足材料的力学性能和加工性能，优选的，B的重量百分比为0.002~0.004%，更为优选的，B的重量百分比为0.003%。
[0021]W:0.25~0.45%
W (钨)可用于增加钢的回火稳定性、红硬性和热强性，此外，W还能提高高温蠕变抗力，当与Mo复合应用时效果更加显著，W与Mo协同作用，还可以复合强化钢材同时提高钢的耐腐蚀性能，因此，为了提高材料的强度和耐腐蚀性，W的重量百分比应控制在0.25%以上。但过高的W容易在钢材中生成金属间化合物等有害相，影响材料的加工性能和塑性，为了避免W过高造成材料的加工性能和塑性下降，W的重量百分比应控制在0.45%以下。本发明中W的重量百分比为0.25、.45%，既可以满足材料的强度和耐腐蚀性要求，又可以满足材料的加工性能和塑性，优选的，W的重量百分比为0.3^0.4%，更为优选的，W的重量百分比为 0.35%。
[0022]Nb:0.4~0.8%
Nb (铌)为铁素体形成元素，可以细化晶粒，提高材料的屈服强度，在材料加入适量的Nb，主要起到两个重要作用，其一，起到稳定化元素的作用，在热处理温度范围内，长时间保温；钢中Nb元素与C充分结合，形成C-Nb化合物，避免了 C与Nb元素的结合，使材料的耐腐蚀性能进一步得到保证；其二，提高钢的再结晶温度，使钢的晶粒细化，提高了钢的抗拉强度和屈服强度，因此，为了提高材料的抗拉强度和屈服强度，Nb的重量百分比应控制在0.4%以上。但过量的难熔元素Nb又会导致材料的制造工艺复杂，为了避免Nb过高导致材料的制造工艺复杂，Nb的重量百分比应控制在0.8%以下。本发明中Nb的重量百分比为0.4~0.8%，既可以满足材料的抗拉强度和屈服强度要求，又可以简化工艺，优选的，Nb的重量百分比为0.5^0.7%，更为优选的，Nb的重量百分比为0.6%。
[0023]Ti:0.6~1%
Ti (钛)是稳定化元素，主要是与C、N结合防止Cr的C、N化物形成造成贫Cr区，从而降低材料的耐腐蚀性，Ti主要与N结合；Ti还能提高钢的再结晶温度，使钢的晶粒细化，提高了钢的抗拉强度和屈服强度，因此，为了提高材料的抗拉强度和屈服强度，Ti的重量百分比应控制在0.6%以上。 但Ti作为夹杂物也会影响到钢的表面质量，同时由于Ti在加入过程中易氧化，会给炼钢带来一定难度，为了避免Ti导致材料的制造工艺复杂，Ti的重量百分比应控制在1%以下。本发明中Ti的重量百分比为0.6^1%,既可以满足材料的抗拉强度和屈服强度要求，又可以保证材料的质量，简化制造工艺，优选的，Ti的重量百分比为0.7~0.9%，更为优选的，Ti的重量百分比为0.8%。
[0024]优选的，以重量百分比计，所述杂质的总含量≤0.1%，其中，P≤0.015%、
S≤ 0.008%、H ≤ 0.003%、O ≤ 0.001%。
[0025]P(磷)和S(硫)都是钢中的有害成份，过高的磷和硫含量会导致钢的强度急剧下降，会导致钢材变脆，必须严格的控制。因此，本发明采用的P的质量百分含量控制在0.015%以下，S的质量百分含量控制在0.008%以下。
[0026]H (氢)和O (氧)在不锈钢材料中会严重影响材料的韧性，必须严格控制。因此，本发明采用的H的质量百分含量控制在0.003%以下，O的质量百分含量控制在0.001%以下。
[0027]优选的，所述材料的化学成分还包括Y，Y的重量百分比为0.01~0.05%。
[0028]Y (钇)元素的加入能够提高材料的机械强度，并增加耐磨性，本发明采用的Y的重量百分比控制在0.01~0.05%。
[0029]优选的，所述材料的化学成分满足以下公式:
【权利要求】
1.一种高强度不锈钢咖啡壶材料，其特征在于:其化学成分包括以下重量百分比的元素:C:0.12~0.18%、N:0.02~0.08%、Si:0.8~1.2%、Mn:1~?.8%、Cr: 14~18%、Ni:0.3~0.7%、Mo:0.Ο1~Ο.05%、Co:8~12%、B:0.0005~0.005%、W:0.25~0.45%、Nb:0.4~0.8%、Ti:0.6~1%、余量为铁和杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高强度不锈钢咖啡壶材料，其特征在于:其化学成分包括以下重量百分比的元素:C:0.13~0.17%、N:0.03~0.07%、Si:0.9~1.1%、Mn:1.2~1.6%、Cr: 15~17%、Ni:0.4~0.6%、Mo:0.02~0.04%、Co:9~11%、B:0.002~0.004%、W:0.3~0.4%、Nb:0.5~0.7%、T1:0.7~0.9%、余量为铁和杂质。
3.根据权利要求1所述的一种高强度不锈钢咖啡壶材料，其特征在于:其化学成分包括以下重量百分比的元素:c:0.15%、N:0.05%、S1:1%、Mn:1.4%、Cr:16%、N1:0.5%、Mo:0.03%、Co:10%, B: 0.003%、W:0.35%、Nb:0.6%、Ti:0.8%、余量为铁和杂质。
4.根据权利要求1所述的一种高强度不锈钢咖啡壶材料，其特征在于:以重量百分比计，所述杂质的总含量≤0.1%，其中，P ( 0.015%、S≤0.008%、H≤0.003%、O≤0.001%。
5.根据权利要求1所述的一种高强度不锈钢咖啡壶材料，其特征在于:所述材料的化学成分还包括Y，Y的重量百分比为0.Ο1~Ο.05%。
6.根据权利要求1所述的一种高强度不锈钢咖啡壶材料，其特征在于:所述材料的化学成分满足以下公式:
7.如权利要求f6任一项所述的一种高强度不锈钢咖啡壶材料的制备方法，其特征在于:包括如下步骤: A、真空感应冶炼:按照上述化学成分的配比经真空感应炉在0.5^2.5Pa真空度下进行真空感应冶炼，浇铸成自耗电极； B、真空自耗重熔:将浇铸后的自耗电极在0.0f0.1Pa真空度下，以1.5~3.5Kg/min的熔速进行真空自耗重熔，得到钢液； C、均匀化处理:将重熔后的钢液在1100-1150?温度下进行均匀化处理，处理时间为24"36h ； D锻造成材:将均匀化处理后的钢液进行合金锻造，开锻温度为100(Tl05(rC，终锻温度为85(T900°C，得到锻棒； E、固溶处理:将锻造后的锻棒在95(Tl00(rC温度下进行固溶处理，处理时间为2.5^3.5h，然后油冷至室温，得到钢材； F、双重时效处理:将固溶处理后的钢材进行双重时效处理，得到高强度不锈钢咖啡壶材料。
8.根据权利要求7所述的一种高强度不锈钢咖啡壶材料的制备方法，其特征在于:所述步骤A中，真空感应冶炼的工艺步骤具体为:Al、按照上述化学成分的配比，先将C装入坩埚，然后将除Cr、Mn以外的其余元素装入，放入真空感应炉中，将坩埚预热至45(T550°C，将真空感应炉抽真空至0.5~2.5Pa，以6^8Kg/min的熔化速度进行熔化； A2、待加入的物质全部熔化后，以148(Tl540°C的温度进行精炼，保持5(T70min ； A3、按照上述化学成分的配比加入Cr,继续以6、Kg/min的熔化速度进行熔化； A4、待Cr熔化后，再次以148(Tl540°C的温度进行精炼，精炼时间控制为l(T20min ； A5、按照上述化学成分的配比加入Mn，在150(T2000r/min转速下搅拌I~3min，待Mn熔化后，浇铸成自耗电极。
9.根据权利要求7所述的一种高强度不锈钢咖啡壶材料的制备方法，其特征在于:所述步骤E中，将锻造后的锻棒在95(T980°C温度下进行固溶处理，处理时间为2.5~3h，然后油冷至室温，得到钢材。
10.根据权利要求7所述的一种高强度不锈钢咖啡壶材料的制备方法，其特征在于:所述步骤F中，双重时效处理的工艺步骤具体为: Fl、将钢材加热至40(T45(rC，保温2.5^3.5h后，油冷至室温； F2、将钢材冷却至-5(T-60°C，保温1.5^2.5h后，恢复至室温； F3、将钢材加热至35`(T400°C，保温8~12h后，空冷至室温。
【文档编号】C22C38/54GK103526131SQ201310532563
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】焦德宏 申请人:万宝力不锈钢制品（东莞）有限公司