一种低铬低镍双相不锈钢及其制备方法与流程

本发明属于钢铁材料技术领域，具体涉及一种低铬低镍双相不锈钢及其制备方法。

背景技术：

双相不锈钢具有铁素体和奥氏体的两相组织结构，因而其性能兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点，具有优异的综合性能。双相不锈钢在石油、化工、造船、造纸、海水淡化、交通运输、核电、桥梁、建筑幕墙等多领域得到成功广泛的应用。但是，由于双相不锈钢的热塑性差，热加工成形是制约其能否成功生产的关键因素，并且由于镍资源短缺导致的双相不锈钢造价昂贵问题也直接制约了行业发展。

铁素体在变形时的软化机制是动态回复，在应变很低的情况下也会发生；而奥氏体则是在应变高于某个临界值后的动态再结晶。因为铁素体相更“软”，因此应力与应变倾向于集中在铁素体相中，这种两相中不均匀的分布容易导致在相界裂纹形核与扩展。因此，如何使得两相的软化倾向接近从而使得应力与应变更均匀分布，是双相不锈钢制备领域亟需解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种低铬低镍双相不锈钢及其制备方法，采用mn代替ni、al代替cr的设计思路，并且辅以合适的制备工艺，在保证双相不锈钢耐腐蚀性能指标满足使用要求的前提，将不利于热塑性的合金元素cr降低，并控制微量元素b的含量，并且通过1000℃以上温度热轧，使双相不锈钢具有较高的铁素体含量，使得双相不锈钢中两相的硬度接近，应力与应变更均匀分布，从而提高双相不锈钢热塑性。该双相不锈钢热轧边裂倾向显著降低，且具有很好的耐腐蚀性能。解决了双相不锈钢热塑性差的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种低铬低镍双相不锈钢，包括组分及质量百分比为：c0.01～0.2％，si0.3～0.8％，mn8～15％，p≤0.02％，s≤0.01％，ni≤0.5％，al0.5～2％，cr12～19％，b0.001～0.01％，余量为fe及不可避免的杂质。

所述的低铬低镍双相不锈钢的屈服强度520～650mpa，抗拉强度850～950mpa，伸长率60～75％，其焊接性及耐腐蚀性满足服役要求。

所述的低铬低镍双相不锈钢制备方法，包括以下步骤：

(1)按照设定的成分选择原料进行熔炼，并浇铸成钢锭；

(2)钢锭在1050～1150℃热锻成锻坯后，冷却至室温，其中：所述的锻坯厚度为40～60mm；

(3)将锻坯在1200～1250℃下，进行均匀化处理6～8h；

(4)均匀化处理后的锻坯进行热轧，初轧温度为1150～1200℃，终轧温度为950～1050℃，形成热轧板，所述的热轧板厚度为3～5mm；

(5)将热轧板冷却至室温后，在780～1000℃下，进行退火5～10min；

(6)将退火后的热轧板经过酸洗后，进行冷轧，制得低铬低镍双相不锈钢，所述的低铬低镍双相不锈钢厚度为0.7～1.6mm。

所述的步骤(2)中，热锻后冷却方式为水冷。

所述的步骤(4)中，热轧单道次压下率不大于30％。

所述的步骤(5)中，避免在σ形成温度区间停留，热轧板温度保温至800～1000℃后，采用超快冷方式，冷却至室温，所述的超快冷冷却速度≥100℃/s。

本发明的成分控制的设计原理为：

铬元素作用：铬作为不锈钢的主要合金元素，对于耐腐蚀性能起着决定性的作用。但是在强氧化性酸和一些还原介质中，只依靠铬元素的钝化作用不足以维持材料的耐腐蚀性，有必要添加一些抑制阳极溶解的元素，如镍、铝、硅等与铬元素相配合起到良好的耐腐蚀作用。另外，铬元素还能够提高钢的抗氧化性能。随着铬元素含量的提高，抗氧化性能会明显提高。同时铬元素能够起到稳定铁素体相并缩小奥氏体相区的作用。由于固溶强化作用，随着铬含量的提高，双相不锈钢的屈服强度也会明显提高。但是铬含量过高时，不仅仅会增加金属间相、氮化物、碳化物的析出倾向，还会增加成本，最重要的是会降低双相不锈钢的热塑性，因为铬元素会降低铁素体的高温变形抗力。

镍元素作用：镍作为强烈的形成奥氏体和扩大奥氏体相区的元素，在双相不锈钢中主要起到控制两相平衡的作用。在铬和铝等元素含量不变的情况下，调整镍元素含量得到铁素体和奥氏体各占50％的组织，能够使双相不锈钢获得最佳的耐点蚀的性能。那么可以认为镍元素的主要作用是控制组织，而不是提高耐腐蚀性。如果双相不锈钢中，镍元素过高，就会导致钢中奥氏体的体积分数过大，铁素体相中则会富集铬和钼等元素，使材料在700-950℃热处理时容易产生脆性的σ相，导致钢的塑韧性及耐腐蚀性下降；相反，如果镍元素的含量低于最佳值，材料中铁素体含量过高，也会降低材料的韧性，并且固态结晶时产生的δ相会恶化双相不锈钢的可焊接性。

锰元素作用：mn是扩大奥氏体相区、稳定奥氏体组织的元素，作用相当于ni的一半。mn在双相不锈钢中主要是用来取代一部分的ni，节省成本。锰元素的固溶引起的晶格点阵的膨胀会有效增大基体的点阵常数，导致八面体间隙的扩大，从而使得间隙固溶原子更容易的跻身于八面体间隙当中。但是mn含量过高会降低钢的耐腐蚀性能。

硅和铝的作用：硅是铁素体形成元素，在氧化条件下，当不锈钢中含有硅元素时，能够在不锈钢表面生产致密的sio2氧化膜，能够显著提高材料的高温抗氧化性能。含有硅的不锈钢水流动性好，能够铸成高质量的耐热不锈钢铸件。不锈钢中添加si可提高含氯介质中的耐孔蚀性。进而，从俄歇分析结果可以看出，si富集在表面层中，且钝化膜中si和cr的分布几乎同步。这种协同作用增强了不锈钢表面膜的钝化能力。但是硅元素会促进σ相形成。并且，硅量增加会降低钢的焊接性。铝是稳定铁素体的元素，可以提高钢的耐高温氧化性能，改善焊接性能，铝含量达到1％左右时，有显著的沉淀硬化效果，在fe-高锰钢中，al与不锈钢中的cr起着相同的作用，提高了耐腐蚀性能。但是铝会降低钢抗硝酸腐蚀性能。

碳的作用：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但是塑性和冲击韧性降低，当含碳量超过0.23％时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.2％。含碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力。此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。c在钢中形成的碳化物对奥氏体的耐腐蚀性能造成极大的危害。由于c原子本身的亲和力强，它结合附近的cr元素，形成富含大量c、cr等元素组成的碳化物，其主要碳化物为m23c6，这些碳化物主要在晶界和晶内析出和沉淀，这样引起了附近区域cr元素的降低，由于cr元素扩散速度缓慢，造成了cr元素的局部富集，进而使得固溶基体出现贫铬区和富铬区，这极大的降低了材料抗晶间腐蚀的能力。该碳化物大量的析出也破坏了材料基体的连续性和稳定性，当受到外界施加的应力时，不锈钢材料内部各个部位出现了不同的变形抗力行为，其力学性能表现出不一致塑性性能，进而在承受抗力较弱的部位优先出现微裂纹，即材料的局部断裂破坏。

硼的作用：硼可以在晶界富集，填充晶界空位，从而抑制裂纹扩展，因此微量b的加入可提高双相不锈钢的热塑性。但b含量不能过高会，过高的b会在双相不锈钢中形成b的化合物，使材料的塑性和韧性严重降低，因此b含量应该严格控制在0.01％以下。

本申请的双相不锈钢采用mn代替ni、al代替cr，制备了一种新型的高性能低成本的不锈钢，可以大大缓解我国当前的镍资源短缺，虽然成本降低，但是其屈服强度却是普通奥氏体不锈钢的2倍左右，在使用状态下其显微组织由铁素体和奥氏体两相组成(体积比接近1：1)。该双相不锈钢拥有比铁素体不锈钢更高的塑韧性、耐晶间腐蚀性能及焊接性能，同时拥有比奥氏体不锈钢更高的强度及耐氯化物应力腐蚀能力，且具有较好的热塑性。

本发明的有益效果：

(1)本发明的低铬低镍双相不锈钢成分简单、成本低，尤其是当其应用于结构钢制造代替传统双相不锈钢时，成本将大幅降低。

(2)本发明通过由mn代替ni，并降低cr含量，增加al含量，此外添加微量的b，获得的热轧钢板的热塑性显著提高，避免常规热轧过程中边裂严重，成材率低的问题。

(3)本发明的双相不锈钢，由于cr含量降低，mo含量降低，所以得到的钢板中主要由fe-cr-mo等元素构成的脆性相(σ)的析出量减少，冲击韧性显著提高。

(4)本发明得到的钢板除具有优良的力学性能外，还具有良好的焊接性、耐蚀性。

本发明开发新的双相不锈钢，用mn代替ni，al代cr，进一步降低成本，并且al提高高温时铁素体硬度，并且cr会使铁素体高温变形抗力下降，因此，可以尝试以al代cr，缓解热变形过程中两相的变形不协调性，解决双相不锈钢热轧过程中热塑性差的难题。

附图说明：

图1为本发明实施例1的低铬低镍双相不锈钢的thermo-calc软件计算得到的平衡相图；

图2为本发明实施例2的低铬低镍双相不锈钢的thermo-calc软件计算得到的平衡相图；

图3为本发明实施例3的低铬低镍双相不锈钢的thermo-calc软件计算得到的平衡相图；

图4为本发明实施例4的低铬低镍双相不锈钢的thermo-calc软件计算得到的平衡相图。

图5为本发明实施例5的低铬低镍双相不锈钢的thermo-calc软件计算得到的平衡相图。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例的低铬低镍双相不锈钢，其成分按质量百分比为：c0.01％，si0.3％，mn10％，p≤0.01％，s≤0.01％，al0.5％，cr15％，ni0.4％，b0.01％，余量为fe及不可避免的杂质，经thermo-calc软件计算得到该双相不锈钢的平衡相图如图1所示。

该低铬低镍双相不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

经综合计量计算和配料溶制后，浇铸成钢锭；钢锭在1120℃热锻成40mm厚锻坯，水冷至室温；锻坯1250℃下，进行均匀化处理6h；均匀化处理后的锻坯在1200℃下热轧，终轧温度为1050℃，保证热轧单道次压下率不大于30％，形成厚度为3mm的热轧板；热轧板温度保温至1000℃后，采用超快冷，冷却速度为110℃/s，冷却至室温；将热轧板在1000℃下进行退火时间为8min；将退火后的热轧板经过酸洗后进行冷轧，制得低铬低镍双相不锈钢，所述的低铬低镍双相不锈钢厚度为0.7mm。此材料屈服强度556～570mpa，抗拉强度840～855mpa，伸长率62～65％，其焊接性及耐腐蚀性满足服役要求。

实施例2

本实施例的低铬低镍双相不锈钢，其成分按质量百分比为：c0.02％，si0.3％，mn10％，p≤0.01％，s≤0.01％，al0.8％，cr19％，ni0.4％，b0.01％，余量为fe及不可避免的杂质，经thermo-calc软件计算得到该双相不锈钢的平衡相图如图2所示。

该低铬低镍双相不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

经综合计量计算和配料溶制后，浇铸成钢锭；钢锭在1050℃热锻成60mm厚锻坯，水冷至室温；锻坯1200℃下，进行均匀化处理8h；均匀化处理后的锻坯在1150℃下热轧，终轧温度为950℃，保证热轧单道次压下率不大于30％，形成厚度为5mm的热轧板；热轧板温度保温至800℃后，采用超快冷，冷却速度为130℃/s，冷却至室温；将热轧板在780℃下进行退火时间为5min；将退火后的热轧板经过酸洗后进行冷轧，制得低铬低镍双相不锈钢，所述的低铬低镍双相不锈钢厚度为1.6mm。此材料屈服强度600～615mpa，抗拉强度860～875mpa，伸长率55～58％，其焊接性及耐腐蚀性能满足服役要求。

实施例3

本实施例的低铬低镍双相不锈钢，其成分按质量百分比为：c0.03％，si0.3％，mn8％，p≤0.01％，s≤0.01％，al1.1％，cr16％，ni0.5％，b0.01％，余量为fe及不可避免的杂质，经thermo-calc软件计算得到该双相不锈钢的平衡相图如图3所示。

该低铬低镍双相不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

经综合计量计算和配料溶制后，浇铸成钢锭；钢锭在1070℃热锻成55mm厚锻坯，水冷至室温；锻坯1220℃下，进行均匀化处理7h；均匀化处理后的锻坯在1180℃下热轧，终轧温度为1000℃，保证热轧单道次压下率不大于30％，形成厚度为4.2mm的热轧板；热轧板温度保温至900℃后，采用超快冷，冷却速度为120℃/s，冷却至室温；将热轧板在850℃下进行退火时间为7min；将退火后的热轧板经过酸洗后进行冷轧，制得低铬低镍双相不锈钢，所述的低铬低镍双相不锈钢厚度为1.2mm。此材料屈服强度550～570mpa，抗拉强度840～855mpa，伸长率60～63％，其焊接性及耐腐蚀性能满足服役要求。

实施例4

本实施例的低铬低镍双相不锈钢，其成分按质量百分比为：c0.04％，si0.3％，mn10％，p≤0.01％，s≤0.01％，al1.4％，cr15％，ni0.4％，b0.01％，余量为fe及不可避免的杂质，经thermo-calc软件计算得到该双相不锈钢的平衡相图如图4所示。

该低铬低镍双相不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

经综合计量计算和配料溶制后，浇铸成钢锭；钢锭在1090℃热锻成50mm厚锻坯，水冷至室温；锻坯1250℃下，进行均匀化处理7h；均匀化处理后的锻坯在1200℃下热轧，终轧温度为1030℃，保证热轧单道次压下率不大于30％，形成厚度为3.8mm的热轧板；热轧板温度保温至990℃后，采用超快冷，冷却速度为110℃/s，冷却至室温；将热轧板在920℃下进行退火时间为7min；将退火后的热轧板经过酸洗后进行冷轧，制得低铬低镍双相不锈钢，所述的低铬低镍双相不锈钢厚度为1.0mm。此材料屈服强度565～580mpa，抗拉强度840～855mpa，伸长率60～63％，其焊接性及耐腐蚀性能满足服役要求。

实施例5

本实施例的低铬低镍双相不锈钢，其成分按质量百分比为：c0.03％，si0.3％，mn12％，p≤0.01％，s≤0.01％，al2％，cr12％，ni0.3％，b0.01％，余量为fe及不可避免的杂质，经thermo-calc软件计算得到该双相不锈钢的平衡相图如图5所示。

该低铬低镍双相不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

经综合计量计算和配料溶制后，浇铸成钢锭钢锭在1060℃热锻成45mm厚锻坯，水冷至室温；锻坯1250℃下，进行均匀化处理6h；均匀化处理后的锻坯在1200℃下热轧，终轧温度为1040℃，保证热轧单道次压下率不大于30％，形成厚度为3.2mm的热轧板；热轧板温度保温至1000℃后，采用超快冷，冷却速度为120℃/s，冷却至室温；将热轧板在990℃下进行退火时间为8min；将退火后的热轧板经过酸洗后进行冷轧，制得低铬低镍双相不锈钢，所述的低铬低镍双相不锈钢厚度为0.9mm。此材料屈服强度520～550mpa，抗拉强度830～840mpa，伸长率65～68％，其焊接性及耐腐蚀性能满足服役要求。