一种高致密环保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，具体涉及一种高致密环保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韧性、强度、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致密性的不锈钢材 料制造，而现有技术中的不锈钢材料还不能完全满足目前使用和制造的要求，存在致密性 差、不环保等缺点，因此需要开发一种高致密且环保的不锈钢材料。
【发明内容】
[0004] 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致密环保 不锈钢咖啡壶材料，该不锈钢咖啡壶材料具有较高的致密性，环保，且还具有较高的强度、 韧性、硬度、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，综合性能优异。
[0005] 本发明的另一目的在于提供一种高致密环保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，生产环保，可大规模工业化生产。
[0006] 本发明的目的通过下述技术方案实现:一种高致密环保不锈钢咖啡壶材料，其化 学成分包括以下重量百分比的元素<:0.31-0.35%、10.17-0.21%、3丨 ：1.8-2.2%、]?11:3.2-3·6%、Cr:13-15%、Ni:7-9%、Mo:2·卜2·5%、Nb:1·0-1·4%、Ti:0·3-0·7%、Zr:0·2-0·4%、Mg: 0 · 02-0 · 06%、C〇: 0 · 01-0 · 05%、余量为铁和杂质。
[0007] 优选的，其化学成分包括以下重量百分比的元素:C:0.32-0.34%、N:0.18-0.20%、 Si:1·9-2·1%、Μη:3·3-3·5%、Cr:13·5-14·5%、Ni:7·5-8·5%、Mo:2·2-2·4%、Nb:1·卜1·3%、Ti: 0 · 4-0 · 6%、Zr: 0 · 25-0 · 35%、Mg: 0 · 03-0 · 05%、C〇: 0 · 02-0 · 04%、余量为铁和杂质。
[0008] 更为优选的，其化学成分包括以下重量百分比的元素：C: 0.33%、N: 0.19%、Si : 2·0%、Μη:3·4%、Cr:14%、Ni:8%、Mo:2·3%、Nb:1·2%、Ti:0·5%、Zr:0·3%、Mg:0·04%、C〇:0·03%、 余量为铁和杂质。
[0009] 本发明的高致密环保不锈钢咖啡壶材料的化学成分设计理由如下： C：0.31-0.35% 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 0.31%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0.35%以下。本发明中C的重量百分比为0.31-0.35%，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0.32-0.34%，更为优选 的，C的重量百分比为0.33%。
[0010] N：0.17-0.21% 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0.17%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Μη)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Ν过高增加熔融和铸造的难度，Ν的重量百分比应控制在0.21%以下。本发明中Ν 的重量百分比为0.17-0.21%，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，Ν的重量百分比为0.18-0.20%，更为优选的，Ν的重量百分比为0.19%。
[0011] Si :1.8-2.2% 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1.8%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2.2%以下。本发明中 Si的重量百分比为1.8-2.2%，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，S i的重量百分比为1.9 - 2.1 %，更为优选的，S i的重量百分比为 2.0%〇
[0012] Mn:3.2-3.6% Μη(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，Μη 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，Μη的重量百分比应控制在3.2%以上。但是，Μη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Μη过高造成材料的韧性和耐腐蚀性下 降，Μη的重量百分比应控制在3.6%以下。本发明中Μη的重量百分比为3.2-3.6%，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，Μη的重量百分比为 3.3-3.5%，更为优选的，Μη的重量百分比为3.4%。
[0013] Cr :13-15% CK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13%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15%以下。本发明中Cr的重量百分比 为13-15%，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13.5-14.5%，更为优选的，Cr的重量百分比为14%。
[0014] Ni：7-9% 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7%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9%以下。本 发明中Ni的重量百分比为7-9%，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7.5-8.5%，更为优选的，Ni的重量百分比为8%。
[0015] Mo :2.1-2.5% Mo(钼)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2.1%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2.5%以下。本发 明中Mo的重量百分比为2.1-2.5%，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2.2-2.4%，更为优选的，Mo的重量百分比为2.3%。
[0016] Nb：1.0-1.4% 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1.0%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1.4%以下。本发明中Nb的重量百分比为1.0-1.4%，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1.1-1.3%，更为优选的，Nb的重量百分比为1.2%。
[0017] Ti:0.3-0.7% 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，T i主要与N结合;T i还能提尚钢的再结晶温度，使钢的晶粒细化，提尚了钢 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0.3%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0.7%以下。本发明中Ti的重量百分比为0.3-0.7%，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0.4-0.6%，更为 优选的，T i的重量百分比为0.5%。
[0018] Zr:0.2-0.4% ZK锆)是冶炼过程中的除氧、硫、磷剂，能提高钢的强度、硬度，尤其是提高钢的耐磨性 能及改善钢的焊接性能。因此，为了提高材料的硬度和致密性，Zr的重量百分比应控制在 0.01%以上。但过高的Zr含量会促进奥氏体不锈钢中金属间相的沉淀，影响合金的力学性能 和加工性能，为了避免Zr过高造成材料的力学和加工性能下降，Zr的