一种Cr-Ni-Mn系无磁不锈钢及其制备方法与流程

本发明涉及不锈钢材料技术领域，特别涉及一种cr-ni-mn系无磁不锈钢及其制备方法。

背景技术：

无磁钢指的是在磁场中不产生磁感应的钢，其组织主要为奥氏体，磁导率μ≤1.29×10^-6h/m，相对磁导率μr≤1.05。无磁钢的用途非常广泛，自动控制系统、精密仪表、电讯、电机以及许多军事领域中都需要采用无磁钢。随着社会的进步和经济的发展，对高性能无磁钢的需求日益增加。

常见的奥氏体不锈钢，如型号为304、316等，其固溶状态下的组织为奥氏体，相对磁导率低于1.05，属于无磁范畴，但是经过一定量的冷变形加工后，奥氏体不锈钢容易产生形变，从而诱发马氏体相变。随着冷变形率增大，相对磁导率将大幅度提升，因此，奥氏体不锈钢加工成零件或产品后，或多或少都会产生磁性，在一些需要无磁的领域中无法应用。

相关技术中，在奥氏体组织较稳定的无磁不锈钢中，为保证奥氏体的稳定性以及不锈性能，一般都会在无磁不锈钢中加入足够量的ni和mn(或c)元素，但是如果ni元素含量高的话，生产成本会过高，而如果c或mn元素含量高的话，又易造成耐蚀性下降。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种cr-ni-mn系无磁不锈钢及其制备方法，能够提高无磁不锈钢的无磁性能和耐蚀性能。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：本发明实施例的一方面提供了一种cr-ni-mn系无磁不锈钢，该无磁不锈钢各组分所占质量百分比分别为：0.04％≤c≤0.06％、18.5％≤cr≤19.5％、12.0％≤ni≤14.0％、mn≤1.0％、0.15％≤n≤0.25％，其余为fe和不可避免的杂质。

上述方案中，c的质量百分比为0.059％；cr的质量百分比为19.3％；ni的质量百分比为13.2％；mn的质量百分比为0.22％；n的质量百分比为0.21％。

上述方案中，c的质量百分比为0.043％；cr的质量百分比为18.9％；ni的质量百分比为12.7％；mn的质量百分比为0.31％；n的质量百分比为0.21％。

上述方案中，c的质量百分比为0.047％；cr的质量百分比为19.1％；ni的质量百分比为12.2％；mn的质量百分比为0.15％；n的质量百分比为0.18％。

上述方案中，所述无磁不锈钢中cr、ni、n三种元素的质量比为：cr：ni：n＝1～1.054：0.649～0.757：0.0081～0.1351。

上述方案中，所述不可避免的杂质包括p、s，p、s在所述无磁不锈钢中所占质量百分比分别为：p＜0.045％、s＜0.030％。

本发明实施例的另一方面还提供了一种cr-ni-mn系无磁不锈钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

将纯铁、金属铬和金属镍块放入真空熔炼炉中进行熔炼；

熔化成液体后，在所述液体中加入氮化铬铁和电解锰继续熔炼，直至所述氮化铬铁和所述电解锰熔化，形成钢水；

将所述钢水进行浇注，制成无磁不锈钢钢坯。

上述方案中，所述氮化铬铁的颗粒大小为10-20mm或2-4mm。

上述方案中，熔炼所述氮化铬铁和所述电解锰的时间为10min-11min。

上述方案中，所述浇注温度为1500-1600℃。

上述方案中，将所述钢水进行浇注所采用的浇注模的材质为铜或石墨。

上述方案中，所述制备方法还包括：

将所述钢坯进行热锻或热轧处理，制成预设尺寸的坯料；

将所述坯料进行淬火处理。

上述方案中，在将所述坯料进行淬火处理之后，所述制备方法还包括：

将所述坯料进行固溶处理；

将经过所述固溶处理后的所述坯料进行淬火处理。

上述方案中，所述将所述钢坯进行热锻，包括：将所述钢坯放入加热炉中升温至1100℃-1200℃并保温10-20min后，锻造成预设尺寸的坯料。

上述方案中，所述将所述钢坯进行热轧，包括：将所述钢坯放入加热炉中升温至1050-1100℃，并保温50-90min后轧制成预设尺寸的坯料。

上述方案中，所述固溶处理的温度为1050-1100℃，处理时长为50-90min。

本发明实施例提供了一种cr-ni-mn系无磁不锈钢及其制备方法，在制备时，加入了氮化铬铁，使得制备出的无磁不锈钢中加入了n元素，通过协调cr、ni和n元素的含量，在不提高ni元素含量的基础上，既保证了铸态组织为全奥氏体，又大幅度降低了c、mn元素的含量，从而在不提高生产成本的情况下，既能提高无磁不锈钢的无磁性能，又能保证无磁不锈钢的耐蚀性能(耐蚀性不低于普通316(指型号)不锈钢)，达到了稳定的奥氏体组织与优良的耐蚀性共存的目的。

附图说明

图1为本发明实施例一种cr-ni-mn系无磁不锈钢的制备方法流程示意图；

图2为本发明实施例另一种cr-ni-mn系无磁不锈钢的制备方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明再作进一步详细的描述。

相关技术中均是通过加入足够量的ni和和mn(或c)元素来保证奥氏体的稳定性以及不锈性能，在这种情况下，需要综合考虑生产成本及无磁不锈钢的性能。

如何在较低成本的基础上保证无磁不锈钢的性能是目前亟待解决的问题。

基于此，在本发明的各种实施例中，在制备的过程中额外加入氮化铬铁，制备出的无磁不锈钢中加入了n元素，通过协调cr、ni和n元素的含量，在不提高ni元素含量的前提下，即保证铸态组织为全奥氏体的情况下，大幅度降低c、mn元素的含量。

在以下的描述中，将分钟简称为min。

本发明实施例提供了一种cr-ni-mn系无磁不锈钢的制备方法，如图1所示，该制备方法主要包括以下几个步骤：

步骤101：按配比准备好原材料。

这里，所述原材料可以包括纯铁、金属铬、金属镍块氮化铬铁和电解锰，其中，电解锰可以采用电解锰块、电解锰颗粒、电解锰粉末等等。

实际应用时，各种原材料的配比可以分别为：纯铁为60.36-69.67wt％、金属铬为13.64-16.58wt％、金属镍块为12-14wt％、氮化铬铁为4.69-7.81wt％、电解锰≤1.25wt％。

这里，wt％表示质量百分比。

步骤102：将纯铁、金属铬和金属镍块放入真空熔炼炉中进行熔炼。

需要说明的是，所述纯铁是指铁含量比较高的铁，比如纯度99.99％的纯铁。

实际应用时，所述纯铁还可以称为生铁。

步骤103：熔化成液体后，在所述液体中加入氮化铬铁和电解锰继续熔炼，直至所述氮化铬铁和所述电解锰熔化，形成钢水。

这里，实际应用时，采用颗粒状的氮化铬铁比采用粉末状的氮化铬铁，其收得率较高。其中，所述收得率是指：加入的原材料融入合金钢中的有效成分百分比，以加入的氮化铬铁为例，在理论计算情况下，制成的无磁不锈钢中的n元素的质量百分比会达0.25％，但由于在熔炼过程中30％的n元素以氮气的形式溢出，则n元素的收得率为70％，那么，制成的无磁不锈钢中实际所含的n元素的质量百分比为0.25％×0.7＝0.175％。

基于此，在一实施例中，氮化铬铁的颗粒可以大小为10-20mm，经检测得到n元素的收得率约为70％。

在一实施例中，氮化铬铁的颗粒可以大小为2-4mm，经检测得到n元素收得率可达到80％。

而以粉末状氮化铬铁进行熔炼时，其收得率十分低，不到40％。产生该现象的原因是：与颗粒状氮化铬铁的颗粒相比，粉末状氮化铬铁的粒度较小、其比表面积较大，从而使得熔炼过程中反应速度较快，进而造成氮气的溢出量增加。

实验表明：从氮化铬铁和电解锰完全熔化到对熔化后的钢水进行浇注的时间间隔越短，n元素的收得率越高；同时考虑需要将原料完全熔化，熔炼氮化铬铁和电解锰的时间可以为10min-11min。

搅拌对熔炼的有利作用主要表现为三点：1、使钢液(此处所说的钢液包括步骤102中的液体和步骤103中的钢水)温度分布均匀；2、形成的合金成分分布均匀；3、改善冶金物化反应动力学条件。同时，由于本发明实施例中，由于熔炼的原料包含氮化铬铁，所以搅拌会促进钢液中氮气溢出，从而降低n元素的溶解度。实验表明：当搅拌时间由0增加至2min时，制备出的无磁不锈钢中n元素含量由0.13wt％降低至0.092wt％；因此，本发明实施例中熔炼过程需要适度的搅拌，以保障无磁不锈钢中n元素的含量，且保障无磁不锈钢成分的均匀性。

基于此，实际应用时，可以采用感应线圈进行加热进行熔炼，因此熔炼过程中坩埚内的钢液(此处所说的钢液包括步骤102中的液体和步骤103中的钢水)在电磁力的作用下，会产生小幅度的搅拌；另外也可以施加人为的外力对钢液进行搅拌。实验证明钢液浇注之前，减少搅拌可以明显提高铸锭中的氮含量。

步骤104：将所述钢水进行浇注，制成无磁不锈钢钢坯。

其中，在一实施例中，试验表明，浇注温度可以为1500-1600℃。

实验表明，采用2-4mm氮化铬铁颗粒，从氮化铬铁和电解锰完全熔化(可以理解为熔化结束)到浇注前的时间间隔为12min时，n元素的收得率为83.13％。

在一实施例中，对钢水进行浇注所采用的浇注模的材质可以选用导热性较好的材料，比如为铜或石墨等。实验表明，采用材质为铜的浇注模冷却的试样与采用材质为石墨的浇注模冷却的试样相比，采用铜模的试样中n含量提升了13％。这是因为铜的导热系数较大，所以钢水的冷却速率较大，即提高冷却速度有利于提高n元素的收得率。

经过上述步骤后，制成的无磁不锈钢钢坯为斜圆柱状，最小直径90mm，最大直径120mm。

实际应用时，可以对制成的无磁不锈钢钢坯进行进一步的热处理，以达到使用目的。

在一实施例中，热处理的方式包括热锻或者热轧。

具体地，热处理的步骤如图2所示，包括：

步骤105：将步骤104制成的无磁不锈钢钢坯进行热锻或者热轧处理，制成预设尺寸的坯料。

其中，热锻处理的方式可以包括：将上述坯料放入加热炉中升温至1100℃-1200℃并保温10-20min后，锻造成预设尺寸的坯料。需要说明的是，虽然热处理的时间与坯料的厚度有一定的关系，但是在随炉升温的过程中，有足够的时间提升坯料内部的温度，因此，具有一定厚度的坯料的内部与外部的温差不会很大，从而可以忽略坯料厚度对保温时间的影响。在本发明实施例中，锻造成的坯料为预设尺寸可以为45mm×45mm方坯。可以理解的是，根据实际需要，也可以锻造成其它形状，比如圆形、多边形等，预设尺寸也可以根据需要进行调整。

热轧处理的方式可以包括：将上述钢坯放入加热炉中升温至1050-1100℃并保温50-90min后轧制成预设尺寸的坯料。在本发明实施例中，热轧前可以将钢坯切割成90mm×90mm的方锭，然后进行6道次热轧，其中1、3、5道次均需要翻钢，以保证热轧后的坯料为预设尺寸为45mm×45mm的方坯。可以理解的是，根据实际需要，也可以热轧成其它形状，比如圆形、多边形等，预设尺寸也可以根据需要进行调整。

步骤106：将所述坯料进行淬火处理。

这里，在本发明实施例中，可以采用的淬火处理方式是水淬。可以理解的是，根据实际需要，也可以采用其它的淬火处理方式，比如油淬等。

步骤107：将所述坯料进行固溶处理。

进一步地，为了获得适宜的晶粒度，以保证无磁不锈钢的高温抗蠕变性能，对经过热锻或者热轧处理完成之后的坯料还可以进行固溶处理，固溶处理的温度可以为1050-1100℃，处理时长可以为50-90min。

步骤108：将所述坯料进行淬火处理。

在完成固溶处理之后，还需要进行一次淬火处理。这里，在本发明实施例中，可以采用的淬火处理方式是水淬。可以理解的是，根据实际需要，也可以采用其它的淬火处理方式，比如油淬等。

通过上述方法，能够制备出：cr-ni-mn系无磁不锈钢的成分为：c为0.04％-0.06wt％、cr为18.5-19.5wt％、ni为12.0-14.0wt％、mn≤1.0wt％、n为0.15-0.25wt％，其余为fe和不可避免的杂质。

另外，在本发明实施例中，p和s元素以杂质的形式存在于无磁不锈钢中，也就是说，所述不可避免的杂质包括p、s元素，p、s元素在cr-ni-mn系无磁不锈钢中所占质量百分比分别为：p＜0.045wt％、s＜0.030wt％。

下面结合应用实施例对本发明再作进一步详细的说明。

以下实施例统一使用颗粒大小为2-4mm的氮化铬铁；从氮化铬铁和电解锰完全熔化到浇注之间的时间间隔为12min；搅拌方式为通过感应线圈的电磁力进行搅拌，未施加人为的外力进行搅拌；采用材质为铜的浇注模进行冷却；熔炼后制成的无磁不锈钢钢坯为斜圆柱状，最小直径90mm，最大直径120mm。

应用实施例一

1、取纯铁64.78wt％、金属铬15.22wt％、金属镍块13.2wt％、氮化铬铁6.56wt％、电解锰0.28wt％，按上述步骤102-104所述的方法进行熔炼和浇注，制成无磁不锈钢钢坯。

2、将制成的无磁不锈钢钢坯按上述步骤105所述的热锻处理方式进行锻造处理，其中，钢坯升温至1150℃并保温15min。锻造后制成预设尺寸为45mm×45mm方坯。

3、将方坯进行固溶处理，固溶处理的温度为1080℃，时间60min。固溶处理完成后按上述步骤106进行水淬。

本实施例中制成的cr-ni-mn系无磁不锈钢中各组分所占质量百分比为：c为0.059wt％；cr为19.3wt％；ni为13.2wt％；mn为0.22wt％；n为0.21wt％，其余部分由fe和不可避免的杂质组成。

应用实施例二

1、取纯铁64.78wt％、金属铬14.82wt％、金属镍块12.7wt％、氮化铬铁6.56wt％、电解锰0.39wt％，按上述步骤102-104所述的方法进行熔炼和浇注，制成无磁不锈钢钢坯。

2、将制成的无磁不锈钢钢坯切割成90mm×90mm的方锭，然后按上述步骤105所述的热轧处理方式进行轧制处理，其中，钢坯升温至1080℃并保温60min。本实施例共热轧6道次，第1、3、5道次均需要翻钢。锻造后制成预设尺寸为45mm×45mm方坯。

3、将方坯进行固溶处理，固溶处理的温度为1080℃，时间60min。固溶处理完成后按上述步骤106进行水淬。

本实施例中制成的cr-ni-mn系无磁不锈钢中各组分所占质量百分比为：c为0.043wt％；cr为18.9wt％；ni为12.7wt％；mn为0.31wt％；n为0.21wt％，其余部分由fe和不可避免的杂质组成。

应用实施例三

1、取纯铁66.39wt％、金属铬15.59wt％、金属镍块12.2wt％、氮化铬铁5.63wt％、电解锰0.19wt％，按上述步骤102-104所述的方法进行熔炼和浇注，制成无磁不锈钢钢坯。

2、将制成的无磁不锈钢钢坯按上述步骤105所述的热锻处理方式进行锻造处理，其中，钢坯升温至1150℃并保温15min。锻造后制成预设尺寸为45mm×45mm方坯。

3、将方坯进行固溶处理，固溶处理的温度为1080℃，时间60min。固溶处理完成后按上述步骤106进行水淬。

本实施例中制成的cr-ni-mn系无磁不锈钢中各组分所占质量百分比为：c为0.047wt％；cr为19.1wt％；ni为12.2wt％；mn为0.15wt％；n为0.18wt％，其余部分由fe和不可避免的杂质组成。

以上实施例一至三获得的cr-ni-mn系无磁不锈钢的化学成分(wt％)及性能示于下表1中，其中测量点蚀电位所采用的试验溶液为3.5％的氯化钠溶液。

表1

从表1可以看出，本发明实施例制成的cr-ni-mn系无磁不锈钢，其相对磁导率极低，μr≤1.003,奥氏体组织(无磁性能)稳定，冷变形30％后，相对磁导率μr≤1.01，仍保持优异的无磁性能，解决了无磁不锈钢材料在后续加工(变形加工、车削或计算机数字化控制cnc(computerizednumericalcontrol)加工等)过程中无磁性能下降的问题。

从表1可以看出，本发明实施例制成的cr-ni-mn系无磁不锈钢在3.5％的氯化钠溶液中的电化学腐蚀点蚀电位约320mv，中性盐雾性能达1000h，耐腐蚀性优良，可以满足如海洋、沼泽等对耐腐蚀条件需求较高的环境中的使用要求。

本发明实施例提供了一种cr-ni-mn系无磁不锈钢及其制备方法，在制备时，加入了氮化铬铁，使得制备出的无磁不锈钢中加入了n元素，通过协调cr、ni和n元素的含量，在不提高ni元素含量的基础上，既保证了铸态组织为全奥氏体，又大幅度降低了c、mn元素的含量，从而在不提高生产成本的情况下，既能提高无磁不锈钢的无磁性能，又能保证无磁不锈钢的耐蚀性能(耐蚀性不低于普通316(指型号)不锈钢)，达到了稳定的奥氏体组织与优良的耐蚀性共存的目的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不同限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。