CN107557670B - 奥氏体不锈钢及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种奥氏体不锈钢，按重量百分比计，包括：碳：0.02～0.04％、硅：0.7～1.0％、锰：5.0～7.0％、铬：20.5～22.5％、镍：12.5～14.5％、钼：1.50～2.50％、氮：0.25～0.30％、铌：0.20～0.40％、磷≤0.03％、硫≤0.01％，余量为铁Fe和不可避免杂质。本发明还提供了该奥氏体不锈钢的制备方法，包括：铸锭进行电渣重熔获得电渣锭，加热电渣锭，电渣锭锻造成中板坯，加热中板坯获得热轧板和热轧板退火。本发明的奥氏体不锈钢在保持钢种弱磁性的同时，其室温强度和高温强度得到显著提高，可用作热核聚变堆的结构材料。
Description
技术领域
本发明属于冶金领域，具体地，本发明涉及一种热核聚变堆用铬-锰-镍型奥氏体不锈钢材料及其制备方法。
背景技术
热核聚变堆需要在强磁场条件下，将氘和氚原子核约束起来以实现受控热核聚变反应，通常选用以304L、316L以及316LN为代表的铬-镍型奥氏体不锈钢作为主要的结构材料。上述奥氏体不锈钢通过成分优化后，相对磁导率可达1.03以下，完全满足热核聚变堆对结构材料的弱磁性要求。
弱磁性铬-镍型奥氏体不锈钢具有优良的低温力学性能，但由于受成分体系限制，高温力学性能普遍偏低，常温屈服强度最高只能在300MPa左右(对应抗拉强度600MPa左右)。该类型奥氏体不锈钢虽然能够广泛应用于热核聚变堆的低温部件(如校正场线圈盒、恒温器馈线支撑等)，但是却无法满足热核聚变堆中高温部件及高强度部件(如偏滤器中面对等离子体的部件)的要求。
由此可见，奥氏体不锈钢需要进一步通过成分设计，在保持钢种弱磁性的同时，显著提高室温强度和高温强度，以期达到拓展其在热核聚变堆中的应用领域的目的。
发明内容
本发明的发明目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供了一种奥氏体不锈钢及其制备方法与应用。
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：碳：0.02～0.04％、硅：0.7～1.0％、锰：5.0～7.0％、铬：20.5～22.5％、镍：12.5～14.5％、钼：1.50～2.50％、氮：0.25～0.30％、铌：0.20～0.40％、磷≤0.03％、硫≤0.01％，余量为铁Fe和不可避免杂质。
前述的奥氏体不锈钢，按重量百分比计，包括：碳：0.03～0.04％、硅：0.75～0.90％、锰：5.0～5.5％、铬：21.0～21.5％、镍：12.5～13.5％、钼：2.20～2.50％、氮：0.26～0.30％、铌：0.25～0.35％、磷≤0.005％、硫≤0.005％，余量为铁Fe和不可避免杂质。
前述的奥氏体不锈钢，碳和氮的含量之和≥0.28％；优选地，碳和氮的含量之和≥0.29％；更优选地，碳和氮的含量之和≥0.31％。
前述的奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢的相对磁导率小于1.01。
前述的奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢的室温屈服强度是400MPa至480MPa，室温抗拉强度是750MPa至820MPa，延伸率是40％至46％。
前述的奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢的250℃高温屈服强度是280MPa至350MPa，250℃高温抗拉强度是600MPa至650MPa。
另一方面，本发明提供了前述奥氏体不锈钢的制备方法，包括如下步骤：
(1)将铸锭在保护气氛电渣炉内进行电渣重熔获得电渣锭；
(2)将电渣锭在室式加热炉内加热至1230℃～1280℃，保温120～180分钟；
(3)将电渣锭锻造成中板坯，终锻温度不低于1000℃；
(4)将中板坯在加热炉内加热至1250℃～1300℃，保温90～150分钟；
(5)将中板坯进行热轧获得热轧板，终轧温度不低于1000℃；
(6)热轧板在退火炉内加热至1050℃～1080℃之间，保温时间60～90分钟。
前述的制备方法，步骤(3)中，采用鐓拔工艺将电渣锭锻造成中板坯，墩粗变形率在25％～35％。
前述的制备方法，步骤(5)中采用多道次热轧，道次变形率10～15％。
另一方面，本发明提供了前述奥氏体不锈钢用作热核聚变堆的结构材料的用途。
本发明的奥氏体不锈钢在保持钢种弱磁性的同时，其室温强度和高温强度得到显著提高，可用作热核聚变堆的结构材料。
附图说明
图1显示了本发明实施例1生产的奥氏体不锈钢热轧退火态的微观组织。
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。
针对现有技术中奥氏体不锈钢无法同时满足具有弱磁性和具有高的室温强度与高温强度的要求，本发明的发明人通过研究对奥氏体不锈钢的元素组成和配比进行优化，控制影响氮固溶度的合金元素(如铬、锰、碳等)含量，同时匹配奥氏体化合金元素(如镍、氮、锰、碳等)体系，来得到弱磁性的单相稳态奥氏体组织，从而提供了一种热核聚变堆用铬-锰-镍型奥氏体不锈钢材料。
第一方面，本发明提供了一种奥氏体不锈钢，按重量百分比计，该奥氏体不锈钢包括：碳：0.02～0.04％、硅：0.7～1.0％、锰：5.0～7.0％、铬：20.5～22.5％、镍：12.5～14.5％、钼：1.50～2.50％、氮：0.25～0.30％、铌：0.20～0.40％、磷≤0.03％、硫≤0.01％，余量为铁Fe和不可避免杂质。优选地，该奥氏体不锈钢包括：碳：0.031～0.04％、硅：0.75～0.9％、锰：5.0～6.0％、铬：21.0～22.0％、镍：12.5～13.5％、钼：2.20～2.50％、氮：0.26～0.30％、铌：0.25～0.35％、磷≤0.005％、硫≤0.005％，余量为铁Fe和不可避免杂质。
本发明的奥氏体不锈钢的各元素按照上述比例进行组合之后各元素之间具有协同效果，具体如下。
碳是重要的奥氏体化元素，与氮、锰等其它元素一起作用可确保得到单相奥氏体组织，同时碳可显著提高奥氏体不锈钢的高温力学性能。在本发明中，碳含量为0.02～0.04％，优选为0.031～0.04％，既可以确保得到单相奥氏体组织、显著提高奥氏体不锈钢的高温力学性能，又不会对不锈钢的塑性和耐蚀性造成不利影响。
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。在本发明中，氮含量为0.25～0.30％，优选为0.26～0.30％，既可以大幅度提高奥氏体不锈钢的强度，同时不会降低塑韧性，并且能够确保氮固溶于奥氏体不锈钢的晶格中。
优选地，碳和氮的含量之和≥0.28％，更优选地，碳和氮的含量之和≥0.29％，进一步优选地，碳和氮的含量之和≥0.31％，从而可以进一步确保不锈钢材料的室温和高温强度。
硅与碳类似，可以提高奥氏体不锈钢的高温力学性能，但是硅同时又是铁素体形成元素。在本发明中，将硅的含量控制为0.7～1.0％，优选为0.75～0.9％，既可以确保提高奥氏体不锈钢的高温力学性能，又能够避免形成铁素体，保证了单相奥氏体组织的形成。
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。在本发明中，锰含量为5.0～7.0％，优选为5.0～6.0％，从而可以保证获得氮含量较高的奥氏体不锈钢。
铬是奥氏体不锈钢中主要的抗腐蚀性元素，但是铬同时又是铁素体形成元素。在本发明中，将铬的含量控制在20.5～22.5％，优选21.0～22.0％，从而固溶于钢中的铬可显著提高氮含量，同时又能够避免形成铁素体，保证了单相奥氏体组织的形成。
镍是强烈的稳定奥氏体并且扩大奥氏体相区的元素，但是镍会增强碳化物析出倾向。在本发明中，将镍的含量控制在12.5～14.5％，优选12.5～13.5％，既可以稳定奥氏体并且扩大奥氏体相区，又能够避免碳在奥氏体不锈钢中的溶解度降低，避免碳化物析出。
钼是提高奥氏体不锈钢耐腐蚀性能的重要元素，在本发明中，钼的含量为1.50～2.50％，优选为2.20～2.50％，既可以进一步提高钢中氮的溶解度以及高温力学性能，又不会降低钢的韧性。
铌是重要的弥散强化和固溶强化元素，在本发明中，铌的含量为0.20～0.40％，优选为0.25～0.35％，可以进一步提升奥氏体不锈钢的室温及高温力学性能。
磷、硫是不锈钢中的有害元素，在本发明中，磷的含量≤0.03％，优选≤0.005％，硫的含量≤0.01％，优选≤0.005％，可有效避免不利影响。
本发明的热核聚变堆用铬-锰-镍型奥氏体不锈钢中，碳、氮含量相对较高，并且添加了微合金强化元素铌，因此具有比铬-镍型奥氏体不锈钢更好的室温力学性能(例如室温屈服强度和抗拉强度)以及良好的高温力学性能(例如250℃高温屈服强度和抗拉强度)；同时由于良好匹配了奥氏体化合金元素体系，获得了弱磁性的单相稳态奥氏体组织。
屈服强度是指是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力，对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2％残余变形的应力值为其屈服极限。抗拉强度是金属由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。
本发明的奥氏体不锈钢的室温屈服强度是400MPa至480MPa，室温抗拉强度是750MPa至820MPa，延伸率是40％至46％，并且，250℃高温屈服强度是280MPa至350MPa，250℃高温抗拉强度是600MPa至650MPa，从而实现了极好的室温力学性能和高温力学性能。并且，本发明的奥氏体不锈钢满足热核聚变堆对结构材料的弱磁性要求，其相对磁导率小于1.01。
第二方面，本发明提供了一种奥氏体不锈钢的制备方法，该方法包括：铸锭进行电渣重熔获得电渣锭，加热电渣锭，电渣锭锻造成中板坯，加热中板坯获得热轧板和热轧板退火。具体地，该方法包括如下步骤：
(1)将铸锭在保护气氛电渣炉内进行电渣重熔获得电渣锭。本发明的制备方法采用的铸锭是以铁水、铬铁、镍板、锰铁等为原料采用真空感应炉在氮气保护气氛下冶炼而成的，其成分符合本发明的奥氏体不锈钢的组成。
(2)将电渣锭在室式加热炉内加热至1230℃～1280℃，保温120～180分钟。
(3)将电渣锭锻造成中板坯，终锻温度不低于1000℃。优选地，采用鐓拔工艺将电渣锭锻造成中板坯，墩粗变形率在25％～35％。其中，鐓拔工艺是指利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。鐓粗使坯料高度减小而直径(或横向尺寸)增大，拔长使坯料直径(或横向尺寸)减小而长度增加。
(4)将中板坯在加热炉内加热至1250℃～1300℃，保温90～150分钟。
(5)将中板坯进行热轧获得热轧板，终轧温度不低于1000℃。优选地，采用多道次热轧(例如，根据目标板厚热轧6-10道次)，道次变形率10～15％。
(6)热轧板在退火炉内加热至1050℃～1080℃之间，保温时间60～90分钟，退火态组织为单一奥氏体。
上述各步骤采用的都是本领域的常规设备，在实际生产中，本领域技术人员可以根据需要选择合适的设备。
本发明的方法对奥氏体不锈钢性能的优化也起到了积极的作用，通过热加工+退火处理后，奥氏体不锈钢不仅具有传统热核聚变堆用铬-镍型奥氏体不锈钢相对磁导率低的特点，同时室温及高温强度得到明显提升，完全满足热核聚变堆中高温部件及高强度部件的要求，进一步拓展了奥氏体不锈钢在热核聚变堆中的应用领域。因此，第三方面，本发明提供了奥氏体不锈钢用作热核聚变堆的结构材料的用途。
实施例
下面对实施例中使用的各个物质的来源进行说明，如果没有特别说明，所使用的原料和仪器均是商购获得，是本领域常规使用仪器和原料，只要其能满足实验需要即可。
室温屈服强度、室温抗拉强度、延伸率的测试方法：ASTM E8M，金属材料拉伸试验方法。
250℃高温屈服强度、250℃高温抗拉强度的测试方法：ASTM E21，金属材料高温拉伸试验的标准测试方法。
相对磁导率的测试方法：ASTM A342：2014，弱磁材料磁导率标准检验方法。
实施例1
采用500kg真空感应炉冶炼不锈钢，铸锭在1t保护气氛电渣炉内进行电渣重熔，电渣锭在室式加热炉内加热至1250℃，保温120min，出炉后，在自由锻机上鐓拔为180mm厚中板坯，墩粗变形率30％，终锻温度1020℃，中板坯在加热炉内加热至1280℃，保温120min，热轧成50mm厚热轧板，道次变形率12％-15％，终轧温度1020℃，热轧板退火温度1060℃，保温70min，退火态微观组织为单相奥氏体组织。本实施例的热核聚变堆用铬-锰-镍型奥氏体不锈钢的化学成分见表1，相对磁导率及常温、高温力学性能见表2，退火态微观组织见图1。
实施例2
采用500kg真空感应炉冶炼不锈钢，铸锭在1t保护气氛电渣炉内进行电渣重熔，电渣锭在室式加热炉内加热至1230℃，保温150min，出炉后，在自由锻机上鐓拔为160mm厚中板坯，墩粗变形率25％，终锻温度1000℃，中板坯在加热炉内加热至1290℃，保温90min，热轧成30mm厚热轧板，道次变形率10％-13％，终轧温度1000℃，热轧板退火温度1055℃，保温90min。本实施例的热核聚变堆用铬-锰-镍型奥氏体不锈钢的化学成分见表1，相对磁导率及常温、高温力学性能见表2。
实施例3和实施例4
实施例3和4的方法与实施例1相同，区别仅在于根据表1对采用的铸锭成分作相应调整。实施例3和4的热核聚变堆用铬-锰-镍型奥氏体不锈钢的化学成分见表1，相对磁导率及常温、高温力学性能见表2。
表1热核聚变堆用铬-锰-镍型奥氏体不锈钢的化学成分(wt％)
表2热核聚变堆用铬-锰-镍型奥氏体不锈钢热轧板材性能
从表2的数据来看，本发明的热核聚变堆用铬-锰-镍型奥氏体不锈钢不仅具有相对磁导率低的特点，同时室温及高温强度得到明显提升，完全满足热核聚变堆中高温部件及高强度部件的要求。
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。
Claims (10)
1.一种奥氏体不锈钢，其特征在于，按重量百分比计，由如下元素组成：碳：0.02～0.04％、硅：0.7～1.0％、锰：5.0～7.0％、铬：20.5～22.5％、镍：12.5～14.5％、钼：1.50～2.50％、氮：0.25～0.30％、铌：0.20～0.40％、磷≤0.03％、硫≤0.01％，余量为铁Fe和不可避免杂质；
其中，所述奥氏体不锈钢的相对磁导率小于1.01；
其中，碳和氮的含量之和≥0.28％；
其中，所述奥氏体不锈钢采用如下方法制备：
(1)将铸锭在保护气氛电渣炉内进行电渣重熔获得电渣锭；
(2)将电渣锭在室式加热炉内加热至1230℃～1280℃，保温120～180分钟；
(3)将电渣锭锻造成中板坯，终锻温度不低于1000℃；
(4)将中板坯在加热炉内加热至1250℃～1300℃，保温90～150分钟；
(5)将中板坯进行热轧获得热轧板，终轧温度不低于1000℃；
(6)热轧板在退火炉内加热至1050℃～1080℃之间，保温时间60～90分钟。
2.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，按重量百分比计，由如下元素组成：碳：0.03～0.04％、硅：0.75～0.90％、锰：5.0～5.5％、铬：21.0～21.5％、镍：12.5～13.5％、钼：2.20～2.50％、氮：0.26～0.30％、铌：0.25～0.35％、磷≤0.005％、硫≤0.005％，余量为铁Fe和不可避免杂质。
3.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，碳和氮的含量之和≥0.29％。
4.根据权利要求3所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，碳和氮的含量之和≥0.31％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述奥氏体不锈钢的室温屈服强度是400MPa至480MPa，室温抗拉强度是750MPa至820MPa，延伸率是40％至46％。
6.根据权利要求1-4任一项所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述奥氏体不锈钢的250℃高温屈服强度是280MPa至350MPa，250℃高温抗拉强度是600MPa至650MPa。
7.权利要求1-6任一项所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将铸锭在保护气氛电渣炉内进行电渣重熔获得电渣锭；
(2)将电渣锭在室式加热炉内加热至1230℃～1280℃，保温120～180分钟；
(3)将电渣锭锻造成中板坯，终锻温度不低于1000℃；
(4)将中板坯在加热炉内加热至1250℃～1300℃，保温90～150分钟；
(5)将中板坯进行热轧获得热轧板，终轧温度不低于1000℃；
(6)热轧板在退火炉内加热至1050℃～1080℃之间，保温时间60～90分钟。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，采用鐓拔工艺将电渣锭锻造成中板坯，墩粗变形率在25％～35％。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中采用多道次热轧，道次变形率10～15％。
10.权利要求1-6任一项所述的奥氏体不锈钢用作热核聚变堆的结构材料的用途。
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