奥氏体不锈钢及其制备方法与流程

本发明涉及奥氏体不锈钢材料领域，尤其涉及一种奥氏体不锈钢及其制备方法。

背景技术：

太阳能光热电站利用大规模阵列镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机达到发电目的。采用太阳能光热发电，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本，同时还可实现24小时不间断并网发电，是全世界广泛关注的重要清洁能源。

光热电站收集的太阳热能需储存在高温熔盐储罐中，因此对制造储罐的材料综合性能要求严苛：需在400-600℃下具有良好的高温屈服强度及高温抗拉强度；耐晶间腐蚀性能优良；晶粒度评级需≤7；铁素体含量应小于8％。

传统奥氏体不锈钢材料诸如304l、316l等虽然可以满足储罐对材料耐蚀性和微观组织的要求，但其400-600℃下的高温屈服和抗拉强度普遍不高；800h等铁镍基合金虽然高温性能优良，但由于成分体系中合金含量较高，性价比无法满足光热电站要求。

由此可见，需开发出一种专门针对太阳能光热电站用的奥氏体不锈钢材料，通过成分优化以及制备工艺改进，在保证耐蚀性及微观组织要求的同时，进一步提高材料在400-600℃下的高温屈服及抗拉强度，以达到完全满足太阳能光热电站高温熔盐储罐对材料综合性能的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种在400-600℃下具有优异的高温强度、且耐蚀性和微观组织性能良好的奥氏体不锈钢及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种奥氏体不锈钢，按重量百分比计，包括c0.04-0.08％、si0.5-1.5％、mn1.0-3.0％、cr16-18％、ni8-10％、nb0.50-1.00％、n0.02-0.06％、p≤0.025％、s≤0.010％，(0.5×nb)/(30×c+50×n)≤0.12，余量为fe和不可避免的杂质。

上述的奥氏体不锈钢，按重量百分比计，包括c0.04-0.06％、si0.5-1.0％、mn1.0-1.5％、cr17-17.5％、ni9-9.5％、nb0.60-0.80％、n0.02-0.04％、p≤0.025％、s≤0.010％，(0.5×nb)/(30×c+50×n)≤0.11，余量为fe和不可避免的杂质。

另一方面，本发明提供了一种奥氏体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)冶炼连铸坯；

(2)将所述连铸坯加热至1250-1300℃，保温90-150分钟；

(3)对所述连铸坯进行热轧得到热轧板，其中，展宽道次变形率10-15％，纵轧道次变形率20-40％，终轧温度1050-1150℃；

(4)将所述热轧板加热至1100-1200℃，保温60-90分钟；

(5)淬火。

上述的奥氏体不锈钢的制备方法，所述步骤(2)中，将所述连铸坯加热至1250-1280℃，保温100-150分钟。

上述的奥氏体不锈钢的制备方法，所述步骤(3)中，对所述连铸坯进行热轧得到热轧板，其中，展宽道次变形率10-15％，纵轧道次变形率25-30％，终轧温度1050-1100℃。

上述的奥氏体不锈钢的制备方法，所述步骤(4)中，将所述热轧板加热至1100-1180℃，保温60-90分钟。

上述的奥氏体不锈钢的制备方法，所述步骤(1)中，采用氩氧炉和钢包精炼炉冶炼连铸坯。

上述的奥氏体不锈钢的制备方法，所述步骤(2)中，采用连续式加热炉对所述连铸坯进行加热。

上述的奥氏体不锈钢的制备方法，所述步骤(3)中，所述热轧为多道次热轧。

上述的奥氏体不锈钢的制备方法，所述步骤(4)中，采用常化炉对所述热轧板进行加热。

本发明的技术方案具有如下的有益效果：

(1)本发明的奥氏体不锈钢中含有较高含量的碳、氮元素，同时添加较高含量的微合金强化元素(铌)，并对铌与碳、氮含量的匹配进行了合理设计，不仅保留了不锈钢的耐蚀性能还提高了其机械性能和焊接性能；

(2)本发明的奥氏体不锈钢的制备方法，通过针对性的热加工与固溶处理工艺后，不仅保持了传统奥氏体不锈钢耐蚀性优良的特点，铁素体含量和晶粒度也非常有利于材料在高温条件下长期服役，同时400-600℃高温屈服及抗拉强度得到明显提升，完全满足太阳能光热电站熔盐储罐的要求，进一步拓展了奥氏体不锈钢在光热电站中的应用领域。

附图说明

图1是实施例1生产的奥氏体不锈钢的微观组织照片。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。

具体的，本发明公开了一种奥氏体不锈钢，按重量百分比计，包括c0.04-0.08％、si0.5-1.5％、mn1.0-3.0％、cr16-18％、ni8-10％、nb0.50-1.00％、n0.02-0.06％、p≤0.025％、s≤0.010％，(0.5×nb)/(30×c+50×n)≤0.12，余量为fe和不可避免的杂质；优选的，按重量百分比计，包括c0.04-0.06％、si0.5-1.0％、mn1.0-1.5％、cr17-17.5％、ni9-9.5％、nb0.60-0.80％、n0.02-0.04％、p≤0.025％、s≤0.010％，(0.5×nb)/(30×c+50×n)≤0.11，余量为fe和不可避免的杂质。

下面将本发明的主要化学成分的作用作详细叙述：

碳是重要的奥氏体化元素，可降低奥氏体不锈钢中的铁素体含量；同时，碳还可显著提高奥氏体不锈钢的高温力学性能，但含量过多会严重影响材料的耐蚀性和焊接性，因此碳含量应控制在0.04-0.08(wt)％之间，优选为0.04-0.06(wt)％。

硅与碳类似，可提高奥氏体不锈钢的高温力学性能，但作为铁素体形成元素，其含量不易过多，因此硅含量应控制在0.5-1.5(wt)％之间，优选为0.5-1.0(wt)％。

锰是一种奥氏体化元素，可显著提高氮元素在奥氏体不锈钢中的溶解度，但含量过多容易导致夹杂物增多，因此锰含量应控制在1.0-3.0(wt)％之间，优选为1.0-1.5(wt)％。

铬是奥氏体不锈钢中主要的抗腐蚀性元素，与锰类似，固溶于钢中的铬可显著提高氮含量。但由于铬元素是主要的铁素体形成元素，含量过多会导致铁素体含量增加，因此铬含量应控制在16-18(wt)％之间，优选为17-17.5(wt)％。

镍是强烈的稳定奥氏体并且扩大奥氏体相区的元素，但镍含量过多会降低碳在奥氏体不锈钢中的溶解度，增强碳化物析出倾向，因此镍含量应控制在8-10％之间，优选为9-9.5(wt)％。

铌是重要的弥散强化和固溶强化元素，可显著提升奥氏体不锈钢的高温力学性能；铌通过与碳、氮结合生成碳氮化铌，可有效改善奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀性能，铌含量应控制在0.50-1.00(wt)％之间，优选为0.60-0.80(wt)％。

氮是一种能够形成、稳定和扩大奥氏体相区的奥氏体化元素，可以大幅度提高奥氏体不锈钢的强度，同时降低奥氏体不锈钢中的铁素体含量。为确保氮固溶于奥氏体不锈钢的晶格中，氮含量应控制在0.02-0.06(wt)％之间，优选为0.02-0.04(wt)％。

磷、硫是不锈钢中的有害元素，含量越低越好，应分别控制在0.025(wt)％及0.010(wt)％以下。

为了进一步确保材料的高温强度及耐晶间腐蚀性能，(0.5×nb)与(30×c+50×n)的比值应控制在0.12以下，优选为0.11以下。

以上各化学成分的选用及其含量的确定，均是发明人通过创造性劳动获得的。各化学成分通过发挥协同作用，使本发明的奥氏体不锈钢具有优异的耐蚀性、优良的高温强度、良好的机械性能和焊接性能，完全满足太阳能光热电站熔盐储罐的要求。

本发明的奥氏体不锈钢中，碳、氮含量相对较高，并且添加较高含量的微合金强化元素(铌)，同时对铌与碳、氮含量的匹配进行了合理设计，因此能够完全满足光热电站熔盐储罐对材料性能的要求，其耐蚀性能优异(美标晶间腐蚀e法合格)，微观组织非常有利于机械性能和焊接性能(晶粒度评级≤7，铁素体含量小于5％)，同时还具有优良的400-600℃高温强度(400℃高温屈服强度≥141mpa，400℃抗拉强度≥400mpa；525℃高温屈服强度≥139mpa，525℃抗拉强度≥390mpa；590℃高温屈服强度≥135mpa，590℃抗拉强度≥350mpa)。材料可用于生产热轧板材。

此外，本发明的奥氏体不锈钢除了可以应用于太阳能光热电站作为高温熔岩储罐材料外，还可应用到其它对奥氏体不锈钢的性能有特殊要求的领域，如：制造耐高温、水蒸气及耐腐蚀的零部件。

另一方面，本发明提供了一种奥氏体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)冶炼连铸坯；

具体的，采用氩氧炉和钢包精炼炉冶炼连铸坯，其可有效降低s、p等杂质元素含量。

(2)将所述连铸坯加热至1250℃-1300℃，保温90-150分钟；优选的，将所述连铸坯加热至1250-1280℃，保温100-150分钟，从而保证析出相充分固溶，提高开轧温度。

具体的，采用连续式加热炉对所述连铸坯进行加热。

(3)对所述连铸坯进行热轧得到热轧板，其中，展宽道次变形率10-15％，纵轧道次变形率20-40％，终轧温度1050-1150℃；优选的，所述展宽道次变形率为10-15％，所述纵轧道次变形率为25-30％，所述终轧温度为1050-1100℃。通过热轧可以提高完全再结晶程度，确保足够的晶粒长大驱动力。

其中，所述热轧为多道次热轧。

(4)将所述热轧板加热至1100℃-1200℃，保温60-90分钟；优选的，将所述热轧板加热至1100-1180℃，保温60-90分钟。在本步骤中通过将热轧板进行加热并保温，可以确保晶粒长大以及铁素体转变。

具体的，采用常化炉对所述热轧板进行加热。

(5)淬火。

其中，所述淬火为本领域常用的方法，本发明在此不做赘述。

通过上述方法制备的奥氏体不锈钢，按重量百分比计，包括c0.04-0.08％、si0.5-1.5％、mn1.0-3.0％、cr16-18％、ni8-10％、nb0.50-1.00％、n0.02-0.06％、p≤0.025％、s≤0.010％，(0.5×nb)/(30×c+50×n)≤0.12，余量为fe和不可避免杂质；优选的，按重量百分比计，包括c0.04-0.06％、si0.5-1.0％、mn1.0-1.5％、cr17-17.5％、ni9-9.5％、nb0.60-0.80％、n0.02-0.04％、p≤0.025％、s≤0.010％，(0.5×nb)/(30×c+50×n)≤0.11，余量为fe和不可避免杂质。

本发明的奥氏体不锈钢制备方法，通过合理匹配影响高温力学性能的各关键元素(如碳、氮、铌等)含量，并且采用针对性的材料制备工艺，在保证材料耐蚀性和微观组织要求的同时，进一步提高了材料在400-600℃下的高温性能，即：400℃高温屈服强度≥141mpa，400℃抗拉强度≥400mpa；525℃高温屈服强度≥139mpa，525℃抗拉强度≥390mpa；590℃高温屈服强度≥135mpa，590℃抗拉强度≥350mpa。

在进一步优选的具体实施方式中，所述奥氏体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)冶炼连铸坯；

(2)将所述连铸坯加热至1250℃-1280℃，保温100-150分钟；

(3)对所述连铸坯进行热轧得到热轧板，其中，展宽道次变形率10-15％，纵轧道次变形率25-30％，终轧温度1050-1100℃；

(4)将所述热轧板加热至1100℃-1180℃，保温60-90分钟。

(5)淬火。

通过上述制备方法制备得到的奥氏体不锈钢的高温性能、耐蚀性等性能达到最佳。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件。下列实施例中使用的原料均为常规市购获得。

实施例1

采用40t氩氧炉(aod)和40t钢包精炼炉(lf炉)冶炼不锈钢，连铸坯在连续式加热炉内加热至1300℃，保温90min，热轧成32mm厚热轧板，展宽道次变形率12-15％，纵轧道次变形率20-30％，终轧温度1080℃。热轧板退火温度1150℃，保温60min后淬冷。本实施例的奥氏体不锈钢的化学成分见表1，微观组织照片见图1。

实施例2

采用180t氩氧炉(aod)和180t钢包精炼炉(lf炉)冶炼不锈钢，连铸坯在连续式加热炉内加热至1280℃，保温120min，热轧成50mm厚热轧板，展宽道次变形率10-13％，纵轧道次变形率20-25％，终轧温度1050℃。热轧板退火温度1120℃，保温90min后淬冷。本实施例的奥氏体不锈钢的化学成分见表1。

实施例3

采用40t氩氧炉(aod)和40t钢包精炼炉(lf炉)冶炼不锈钢，连铸坯在连续式加热炉内加热至1250℃，保温150min，热轧成28mm厚热轧板，展宽道次变形率10-12％，纵轧道次变形率25-33％，终轧温度1070℃。热轧板退火温度1100℃，保温70min后淬冷。本实施例的奥氏体不锈钢的化学成分见表1。

实施例4

采用40t氩氧炉(aod)和40t钢包精炼炉(lf炉)冶炼不锈钢，连铸坯在连续式加热炉内加热至1280℃，保温100min，热轧成60mm厚热轧板，展宽道次变形率11-15％，终轧道次变形率20-25％，终轧温度1150℃。热轧板退火温度1100℃，保温90min后淬冷。本实施例的奥氏体不锈钢的化学成分见表1。

实施例5

采用180t氩氧炉(aod)和180t钢包精炼炉(lf炉)冶炼不锈钢，连铸坯在连续式加热炉内加热至1300℃，保温140min，热轧成12mm厚热轧板，展宽道次变形率10-11％，终轧道次变形率25-40％，终轧温度1050℃。热轧板退火温度1200℃，保温60min后淬冷。本实施例的奥氏体不锈钢的化学成分见表1。

实施例6

采用180t氩氧炉(aod)和180t钢包精炼炉(lf炉)冶炼不锈钢，连铸坯在连续式加热炉内加热至1260℃，保温150min，热轧成20mm厚热轧板，展宽道次变形率13-15％，终轧道次变形率25-33％，终轧温度1060℃。热轧板退火温度1180℃，保温60min后淬冷。本实施例的奥氏体不锈钢的化学成分见表1。

对比例

采用40t电炉(aod)和40t钢包精炼炉(lf炉)冶炼不锈钢，连铸坯在连续式加热炉内加热至1240℃，保温160min，热轧成28mm厚热轧板，展宽道次变形率7-10％，终轧道次变形率15-23％，终轧温度900℃。热轧板退火温度1210℃，保温30min后淬冷。本实施例的奥氏体不锈钢的化学成分见表1。

表1奥氏体不锈钢的化学成分(wt％)

理化性能测试

为了检测各实施例及对比例制备的奥氏体不锈钢的性能，发明人对铁素体含量、晶间腐蚀、晶粒度及高温性能进行了测定。其中各性能的测定方法为本领域常用方法，在此不做赘述。其中，实施例1-6及对比例1-2制备的奥氏体不锈钢热轧板材性能结果见表2。

表2奥氏体不锈钢热轧板材性能

通过表2可以看出本发明奥氏体不锈钢的铁素体含量和晶粒度常有利于材料在高温条件下长期服役，同时400-600℃高温屈服及抗拉强度得到明显提升，完全满足太阳能光热电站熔盐储罐的要求。

本发明在上文中已以优选实施例公开，但是本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描绘本发明，而不应理解为限制本发明的范围。应注意的是，凡是与这些实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的权利要求范围内。因此，本发明的保护范围应当以权利要求书中所界定的范围为准。